基于三維激光掃描儀的隧洞表觀缺陷檢測研究

楊保成

新疆水利發展投資（集團）有限公司，新疆 烏魯木齊 830000

1 引水隧洞缺陷檢測方法

1.1 工程背景

文中依托某水電站引水隧洞工程項目，該隧洞全長約520 m，中上段長度約為195.20 m，存在8%的下降坡度，洞徑為9 m。斜井段長度為85.20 m，與水平線夾角為55°。該隧洞的上平段底板高層為750 m，下平段高程為641 m，襯砌形式包含鋼筋混凝土襯砌結構和鋼板襯砌結構兩種類型。通過將三維激光掃描儀搭載于巡檢機器人中進行襯砌的表觀巡檢，以獲取在隧洞運行期間的表觀缺陷。

1.2 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀主要包含兩部分，分別為激光測距儀和反射棱鏡。工作時，激光測距儀發射激光，再根據接收到的反射信號進行測距，通過不同水平和垂直方向角的斜距測量配合，獲得掃描點的空間相對坐標。

1.3 缺陷檢測方法

引水隧洞的水平段和斜井段缺陷檢測由巡檢機器人完成。該巡檢機器人的單元系統由多種檢測傳感器集成而成，地面控制單元對爬行器單元下傳控制命令，然后再將傳感器獲得的數據上傳。布設三維激光掃描測站，間距設為10 m，當巡檢機器人移動至測站后進行停留，由三維激光掃描儀進行掃描，掃描時間控制不超過10 min。此外，為保證巡檢機器人進入測站后能保持靜止，在上平段靠近斜井段位置處安裝機器人牽引固定錨點，通過錨點對安全繩進行固定。

2 檢測結果后處理

2.1 數據處理

為減小采集到的數據處理誤差，基于掃描到的圖像特征，通過三維重建方法和提取圖像序列的特定算法，結合點云網格化完成目標三維模型的構建。該方法的實現主要分為六步，第一步為建立工程文件，第二步為原始數據的導入，第三步為定位點云數據，第四步為點云數據的拼接，第五步為處理成果圖像，第六步為缺陷標識的檢測。

根據特征點云完成圖像拼接是數據處理的核心。通過相同特征點云對相鄰兩站數據進行拼接，并將基準站設為第一站，逐次進行每個測站的數據拼接。最后，對每個站的數據精度進行檢查，從而實現對巡檢成果的真實反映。

2.2 缺陷標定與解析

基于實測點云數據，對隧洞實測中軸線進行擬合，并對比以往的實測數據，以對隧洞體型變化情況進行分析。將檢測數據進行收集和整理后，該引水隧洞共發現108 處缺陷，包含裂縫、滲水等缺陷類型。其中，滲漏點為19 處，主要分布于下平段后段位置處，裂縫共89條，裂縫長度在0.45～9.72 m范圍區間內。此外，觀察引水隧洞混凝土表面可以發現，滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫，并存在鈣質析出的情況出現。

3 缺陷規律分析

3.1 缺陷分布

對引水隧洞缺陷在不同洞段的分布情況進行了數據收集和整理。結果顯示，存在43處缺陷于隧洞上平段，存在21處缺陷于隧洞斜井段，存在44處缺陷于隧洞下平段。此外，由于在中平段靠后位置處通過鋼板進行了襯砌，因此未在該位置處發現存在結構缺陷。

圖1為裂縫在沿隧道軸線方向的分布情況。可以看出，裂縫主要分布在上平段和下平段，斜井段裂縫數量較少。裂縫分布最密集區域位于下平段380～480 m范圍內，因此該區間內的隧洞風險系數較高，在實際工程施工和設計時應考慮必要的加固措施。在隧洞長度40～220 m范圍內，缺陷數量在5個以上，且分布較為穩定。相對而言，斜井段即隧道軸線中部位置處裂縫數量相對較少，普遍未超過5個。

圖1 沿軸線方向裂縫分布規律圖

圖2 展示了缺陷在不同隧洞斷面的分布情況。從圖中可以看出，缺陷主要分布于洞頂位置處，而缺陷數量最少的為洞底位置處。上平段洞頂位置缺陷數量達到了35 個，下平段洞頂位置達到了32 個，斜井段洞頂位置缺陷數量達到了12 個。左洞腰、右洞腰和洞底位置處的缺陷數量均未超過5個。

圖2 隧洞斷面缺陷分布規律圖

圖3展示了不同缺陷類型在各洞段的分布情況。從圖3中可以看出，點滲漏缺陷類型主要分布于斜井段，數量達到了7個。裂縫缺陷類型主要分布于上平段和下平段，均超過了30處，相對來說于斜井段分布較少，數量為16個。結構縫滲水缺陷類型主要分布于上平段，數量達到了10個，而斜井段結構縫滲水缺陷最少，數量為2 個。總體來說，各洞段的主要缺陷類型為裂縫缺陷。出現這種現象，可能與引水隧洞的施工過程有關，在施工時通常由洞頂施工，最后施工洞底，在洞頂與洞腰間由于混凝土的收縮會形成類似施工縫的“反縫”，因而在后期導致裂縫增多。

圖3 不同缺陷類型在各洞段的分布規律圖

3.2 裂縫特征

圖4 展示了隧洞內不同長度裂縫的分布情況。從圖中可以看出，上平段內主要為中、長裂縫，超過5 m的裂縫數量達到了37條，無小于2 m的裂縫出現。斜井段三種裂縫類型分布較為均勻，數量均在5條左右。下平段裂縫分布規律與上平段類似，無長度小于2 m的裂縫分布，中、長裂縫數量基本相當。

圖4 隧洞內不同長度裂縫分布規律圖

圖5展示了隧洞內各斷面不同裂縫的分布情況。從圖中可以看出，超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處，而洞底裂縫數量較少，主要為小于2 m的裂縫，左、右洞腰裂縫數量基本相當。

圖5 隧洞各斷面不同長度裂縫分布情況圖

3.3 缺陷原理分析

由于受到隧洞上覆巖層的影響，引水隧洞襯砌結構主要受到水平應力和垂直應力的荷載作用。若引水隧洞的埋深較淺，則在計算時往往不需要考慮地層的構造作用，因此其圍巖應力特點與彈性理論應力狀態較為接近，其應力可以通過下式確定：

式中：σz表示垂直方向的主應力。σx和σy分別表示兩個水平方向的主應力。γ表示土體容重。K0表示靜止土壓力系數，通常取0.25～0.4。μ表示泊松比，通常在0.2～0.3 之間。從上式可以看出，圍巖垂直方向的主應力通常大于水平方向主應力。

由于引水隧洞頂部的垂直壓力荷載相較于洞腰的水平荷載更大，使得襯砌結構洞頂內側存在較大的拉引力，故而導致在洞頂位置處出現較長的受拉裂縫。此外，由于水平段內受圍巖自重的影響程度遠大于斜井段，因此也導致了斜井段缺陷數量相較于水平段較少。

4 結論

為檢測引水隧洞的表觀缺陷，文中基于三維激光掃描儀和點云成像技術，提出了一種完整的隧洞表觀缺陷檢測方案，對隧洞缺陷分布特點進行研究。得到如下結論：引水隧洞共發現108處缺陷，包含裂縫、滲水等缺陷類型。滲漏點為19處，主要分布于下平段后段位置處；裂縫共89 條，裂縫長度在0.45～9.72 m范圍內。滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫，存在鈣質析出的情況。隧洞上平段有43處缺陷，隧洞斜井段有21處缺陷，隧洞下平段有44 處缺陷。裂縫分布最密集區域位于下平段380～480 m 范圍內，工程施工和設計時應考慮必要的加固措施。超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處，洞底裂縫數量較少，主要為小于2 m的裂縫，左、右洞腰裂縫數量基本相當。