超大直徑盾構(gòu)管片激光跟蹤三維測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

李 磊

中交隧道工程局有限公司北京盾構(gòu)工程分公司，北京 100020

近年來，盾構(gòu)法隧道施工在我國飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不僅局限于城市地鐵建設(shè)，還包括過江、過海隧道工程等，向著應(yīng)用多元化、直徑超大化發(fā)展。尤其針對(duì)盾構(gòu)穿越長江這類型大直徑隧道，管片埋深較大、水頭壓力高，管片模具的精度會(huì)直接影響管片尺寸的生產(chǎn)精度，容易造成盾構(gòu)隧道管片破損、開裂及滲水等現(xiàn)象，給隧道帶來很大的安全隱患。

激光跟蹤三維測(cè)量技術(shù)通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)（x、y、z）的坐標(biāo)等信息，由這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速復(fù)建出1∶1的三維模型。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。南京和燕路過江通道項(xiàng)目部將三維激光掃描技術(shù)引入管片模具的檢測(cè)當(dāng)中，成功地克服了現(xiàn)有模具檢測(cè)中存在的點(diǎn)位過少、精度低等缺點(diǎn)，確保了管片幾何尺寸。文章將管片模具三維檢測(cè)和管片成品三維檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并將計(jì)算機(jī)模擬水平拼裝跟人工水平拼裝進(jìn)行對(duì)比，通過施工現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝實(shí)際情況對(duì)三維激光掃描測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，得出相關(guān)結(jié)論。

1 工程概況

南京市和燕路過江通道南段工程隧道盾構(gòu)段土建施工項(xiàng)目A3標(biāo)段單線長2976m，盾構(gòu)由八卦洲工作井始發(fā)，下穿長江，主要穿越地層為粉細(xì)砂、角礫巖、角礫狀灰?guī)r層，并存在巖溶區(qū)域和多條斷裂帶區(qū)域，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道底承受的最大水壓達(dá)到790kPa，施工難度較高。隧道開挖直徑為15.02m，管片外徑為14.5m，內(nèi)徑為13.3m，環(huán)寬2000mm，厚度為600mm，每環(huán)由10塊組成，分別為標(biāo)準(zhǔn)塊7 塊（B1～ B7）、鄰接塊 2 塊（L1、L2）、封頂塊 1 塊（F）[1]。

該管片采用雙面楔形，楔形量48mm，封頂塊（F）外弧面為環(huán)寬最小處，寬度為1976mm，標(biāo)準(zhǔn)塊（B4）外弧面為環(huán)寬最大處，寬度為2024mm。該管片取消了常用管片采用的剪力銷，采用凹凸榫結(jié)構(gòu)形式，此結(jié)構(gòu)形式可以大幅度提高環(huán)間管片抗剪切能力，抑制錯(cuò)臺(tái)變形，但是凹凸榫之間只有2mm設(shè)計(jì)間隙，對(duì)管片預(yù)制精度要求非常嚴(yán)格，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中開裂，造成管片滲漏。管片的基本參數(shù)如表1所示。

表1 管片的基本參數(shù)

2 三維激光掃描相關(guān)技術(shù)

2.1 工作原理

三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GNSS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度，自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，結(jié)合CAD等軟件可快速重構(gòu)出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分組成：掃描儀、控制器和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀自身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)集成CCD與儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi)通過兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測(cè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間（或者相位差）來計(jì)算距離，同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ，確定點(diǎn)P的三維坐標(biāo)。

2.2 設(shè)備介紹

三維激光掃描方式包括很多類型，主要分為反射球測(cè)量方案、手持式探測(cè)方案、手持式掃描方案、自動(dòng)化方案，管片模具尺寸較大，最大弧長約5m，寬度為2m，因此采用反射球測(cè)量方案，反射球允許在直徑160m范圍內(nèi)進(jìn)行高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量，精度為±3μm，主機(jī)為徠卡AT960，技術(shù)參數(shù)如表2所示，該設(shè)備具有動(dòng)態(tài)六自由度（6DoF）功能。

表2 徠卡AT960技術(shù)參數(shù)

2.3 模型的建立

檢測(cè)模具時(shí)，需要將每次掃描的三維模型同基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比，其偏差值為模具的變形值，因而首先要按照模具設(shè)計(jì)圖紙建立管片模型[2]。

2.4 管片模具參數(shù)及管片成品參數(shù)對(duì)比

管片模具及管片成品測(cè)量的重要參數(shù)為寬度和弧長，文章將以B7-2管片模具為例，將B7-2管片模具與B7-2生產(chǎn)的管片進(jìn)行對(duì)比，得出相關(guān)結(jié)論。管片模具參數(shù)與管片成品參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 管片模具參數(shù)與管片成品參數(shù)對(duì)比表 單位：mm

通過表3可以得出以下結(jié)論：（1）管片模具與其生產(chǎn)的管片三維激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)比，寬度最大差值為0.1mm，弧長最大差值為0.1mm，說明模具的誤差與其生產(chǎn)的管片的誤差基本相同；（2）通過矢量圖對(duì)比可知，管片模具變形趨勢(shì)與管片變形趨勢(shì)較為相似，管片模具的測(cè)量結(jié)果基本代表管片成品的測(cè)量結(jié)果。

2.5 模擬三環(huán)拼裝與實(shí)際三環(huán)拼裝值對(duì)比

按照現(xiàn)行規(guī)范《預(yù)制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082—2017）要求，每生產(chǎn)200環(huán)管片需要對(duì)管片成品進(jìn)行水平拼裝試驗(yàn)，主要目的是檢測(cè)管片模具在使用過程中是否發(fā)生變形，管片精度是否滿足要求。

針對(duì)大直徑盾構(gòu)管片，每塊管片的重量約15t，在實(shí)際拼裝過程中，很容易受到吊裝設(shè)備和人員操作的影響，影響最終的拼裝數(shù)據(jù)。如果采用現(xiàn)代人工智能手段，借助三維激光掃描測(cè)量結(jié)果以及計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行模擬水平拼裝，將是工程界的一大重要革新，解決了人工和設(shè)備誤差，使結(jié)果更加地精準(zhǔn)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量[3]。

此次南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標(biāo)將采用計(jì)算機(jī)模擬水平拼裝，將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)際人工水平拼裝數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。首先，將2套模具生產(chǎn)的成品管片進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量，采集相關(guān)數(shù)據(jù)；其次，選擇熟練的三環(huán)拼裝人員，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過相關(guān)對(duì)比試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：（1）根據(jù)三維激光掃描測(cè)量管片成品得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行電腦模擬水平拼裝，得出的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；（2）采用人工水平拼裝，環(huán)縫、縱縫檢測(cè)值相比于模擬水平拼裝都偏大，說明人工拼裝存在誤差，若三維模擬數(shù)據(jù)為規(guī)范極限值，人工拼裝相應(yīng)值就可能超出規(guī)范要求，結(jié)果較不規(guī)范。

2.6 施工拼裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拼裝情況

目前南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標(biāo)已經(jīng)掘進(jìn)950環(huán)，在950環(huán)施工過程中隧道管片無破損、開裂以及滲水等現(xiàn)象，且現(xiàn)場(chǎng)拼裝各項(xiàng)指標(biāo)都符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，說明管片的尺寸符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，全過程三維激光掃描技術(shù)在管片預(yù)制過程中起到了關(guān)鍵性作用。

3 結(jié)束語

大直徑盾構(gòu)都是穿江穿海等大型工程，施工過程中難度大，地下水壓高，為保證隧道無開裂滲漏，對(duì)管片的精度要求非常高。該項(xiàng)目管片預(yù)制過程中采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行過程控制，起到了關(guān)鍵性的作用，減少了人工誤差，保證了施工質(zhì)量，為之后類似工程提供了寶貴的參考建議。