盾構(gòu)隧道襯砌管片外形尺寸檢測(cè)系統(tǒng)研制與應(yīng)用

陳志勇 秦守鵬 吳先安 洪江華 郭巖 韓順琪 王勁草

1.中鐵十四局集團(tuán)房橋有限公司，北京102400；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308

盾構(gòu)隧道襯砌管片是城市軌道交通和鐵路建設(shè)中的重要構(gòu)件，采用工廠流水線預(yù)制生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)約有200多家管片預(yù)制場(chǎng)。為保證隧道建設(shè)期的質(zhì)量與運(yùn)營(yíng)維護(hù)期的安全，我國(guó)針對(duì)盾構(gòu)隧道管片檢測(cè)制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［1-2］，規(guī)定管片的外形尺寸是主控檢測(cè)項(xiàng)。管片廠主要采用游標(biāo)卡尺、內(nèi)徑千分尺、深度尺、鋼尺等傳統(tǒng)的方法進(jìn)行尺寸檢測(cè)，存在檢測(cè)效率低、精度低的缺點(diǎn)，難以滿足越來(lái)越高的生產(chǎn)需求與質(zhì)量要求。

隨著我國(guó)工業(yè)水平的發(fā)展與精密檢測(cè)需求的不斷提高，大型構(gòu)件精密測(cè)量技術(shù)在基建行業(yè)的應(yīng)用受到了廣泛的重視，出現(xiàn)了各種解決方案。按照測(cè)量方式不同，分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢悾话凑諟y(cè)量原理不同，分為以激光技術(shù)為基礎(chǔ)和以計(jì)算機(jī)視覺為基礎(chǔ)兩大類［3］。在基建行業(yè)大型預(yù)制件檢測(cè)方面，傳統(tǒng)方法是采用大型游標(biāo)卡尺、千分尺、鋼尺、專用工裝等接觸式測(cè)量手段。在國(guó)內(nèi)高速鐵路建設(shè)早期，針對(duì)CRTSⅡ型、CRTSⅢ型軌道板檢測(cè)［4-5］主要采用全站儀和專用工裝測(cè)量，屬于激光測(cè)距技術(shù)。該方法基本滿足軌道板的檢測(cè)需求，但是檢測(cè)效率較低，完成一塊軌道板檢測(cè)需要約50 min。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者研發(fā)了各類檢測(cè)系統(tǒng)。范生宏［6］基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，對(duì)軌道板快速檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。許磊［7］基于智能光學(xué)追蹤3D 掃描儀，研制了CRTSⅢ型無(wú)砟軌道板尺寸快速檢測(cè)系統(tǒng)。薛峰、凌烈鵬等［8-9］基于3D 相機(jī)技術(shù)和視覺檢測(cè)，研發(fā)了軌道板尺寸檢測(cè)系統(tǒng)和CRTSⅠ型雙塊式軌枕檢測(cè)系統(tǒng)。潘國(guó)榮、袁正茂等［10-11］采用激光跟蹤儀對(duì)管片模具檢測(cè)進(jìn)行了應(yīng)用研究，綜合精度能達(dá)到0.2 mm。針對(duì)模具檢測(cè)，目前檢定單位主要采用激光跟蹤儀，而生產(chǎn)廠家主要采用大型龍門式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。

管片檢測(cè)是質(zhì)量控制的重要工序，發(fā)展智能化的檢測(cè)技術(shù)是必然趨勢(shì)。本文介紹一種全新的盾構(gòu)隧道管片外形尺寸檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)基于高精度光學(xué)追蹤3D 掃描儀，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、智能化檢測(cè)，屬于大型構(gòu)件精密測(cè)量技術(shù)在基建行業(yè)的應(yīng)用。

1 檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

管片生產(chǎn)廠對(duì)管片外形尺寸的質(zhì)量控制主要包括兩方面：一是對(duì)管片成品進(jìn)行抽檢，要求每50 環(huán)抽檢1環(huán)；二是對(duì)管片模具進(jìn)行定期檢查，要求每套模具生產(chǎn)100 環(huán)進(jìn)行一次全面檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目包括寬度、厚度、弦長(zhǎng)、弧長(zhǎng)等指標(biāo)。其中寬度是最重要的檢測(cè)項(xiàng)目，管片模具的寬度偏差要求不超過(guò)±0.50 mm（部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求不超過(guò)±0.25 mm），管片成品的寬度偏差要求不超過(guò)±1.00 mm（部分項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求不超過(guò)±0.50 mm）。

預(yù)制管片種類繁多，國(guó)內(nèi)一般管片尺寸為：寬度1.2 ～ 2.0 m，厚度300 ～ 650 mm，弦長(zhǎng)3 ～ 5 m。不同類型的管片尺寸差距非常大，同一管片廠生產(chǎn)的管片種類可能多達(dá)上百種，管片廠面臨著檢測(cè)任務(wù)重、精度要求高的難題。

為解決管片廠的實(shí)際問(wèn)題，本文提出的隧道管片外形尺寸檢測(cè)系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

1）可檢測(cè)不同尺寸的管片。該系統(tǒng)的檢測(cè)能力滿足國(guó)內(nèi)最大直徑的襯砌管片（盾構(gòu)直徑15.4 m，寬2 000 mm，厚650 mm，弦長(zhǎng)約5 100 mm）及各類不同尺寸的管片模具與管片成品的檢測(cè)需求。

2）可檢測(cè)多條生產(chǎn)線。管片成品要求在養(yǎng)護(hù)完成之后、出廠之前進(jìn)行抽檢。該系統(tǒng)安裝在獨(dú)立檢測(cè)區(qū)域，可滿足多種檢測(cè)需求。

3）可自動(dòng)定位。管片成品檢測(cè)時(shí)，將管片放置在軌道車上，車上的機(jī)電設(shè)備自動(dòng)調(diào)整管片位置，并自動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入待檢區(qū)域，實(shí)現(xiàn)管片的精確定位，沿軌道方向定位精度小于10 mm，垂直軌道方向定位精度小于30 mm。管片模具檢測(cè)時(shí)，參考模具在生產(chǎn)線上的流轉(zhuǎn)方式，直接將模具放置在檢測(cè)區(qū)的地軌上，由預(yù)設(shè)的機(jī)械限位實(shí)現(xiàn)精確定位，定位精度小于10 mm。

4）可自動(dòng)檢測(cè)。該系統(tǒng)集成智能光學(xué)追蹤3D 掃描儀、多軸桁架式機(jī)械系統(tǒng)、小型機(jī)械臂等硬件，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集軟件與數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)管片成品與管片模具的全自動(dòng)檢測(cè)。

5）可檢測(cè)成果的輸出與管理。該系統(tǒng)可自動(dòng)輸出關(guān)鍵點(diǎn)位的檢測(cè)成果表格；自動(dòng)上傳檢測(cè)成果至信息化平臺(tái)；將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行半自動(dòng)對(duì)比分析，輸出完整的尺寸分析報(bào)告。

6）檢測(cè)效率高。根據(jù)管片尺寸不同，完成一塊管片成品或管片模具的自動(dòng)檢測(cè)時(shí)間為8 ～12 min。

7）檢測(cè)精度高。該系統(tǒng)采用智能光學(xué)追蹤3D 掃描儀，其靜態(tài)精度為0.078 mm；采用動(dòng)態(tài)跟蹤模式，精度可達(dá)到0.1 ～0.2 mm，滿足檢測(cè)精度要求。

2 方案實(shí)施

襯砌管片外形尺寸檢測(cè)系統(tǒng)由四部分組成：①機(jī)械系統(tǒng)，包括管片軌道車、小型機(jī)械臂、多軸桁架（2個(gè)x軸、2 個(gè)y軸、1 個(gè)z軸）、電氣控制柜等。其中掃描儀沿管片寬度、長(zhǎng)度、高度方向的運(yùn)動(dòng)軸分別為x1軸、y1軸、z軸；跟蹤儀沿管片寬度、長(zhǎng)度方向的運(yùn)動(dòng)軸分別為x2軸、y2軸。②智能光學(xué)追蹤3D 掃描系統(tǒng)，包括多線結(jié)構(gòu)光掃描儀、光學(xué)跟蹤儀、定位標(biāo)志點(diǎn)等。③上位機(jī)軟件，包括數(shù)據(jù)采集模塊與數(shù)據(jù)分析模塊。④數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，整套系統(tǒng)安裝在獨(dú)立檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)上位機(jī)軟件控制機(jī)械系統(tǒng)與3D 掃描系統(tǒng)，自動(dòng)完成三維掃描與尺寸分析，并上傳檢測(cè)成果至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。該系統(tǒng)可同時(shí)滿足多條生產(chǎn)線的檢測(cè)需求。

2.1 檢測(cè)流程（圖1）

圖1 檢測(cè)流程

管片成品檢測(cè)的流程為：①將管片放置在專用軌道車上；②管片軌道車自動(dòng)調(diào)節(jié)管片位置；③管片軌道車自動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入檢測(cè)工位，通過(guò)限位傳感器自動(dòng)停止；④啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)回原點(diǎn)；⑤啟動(dòng)檢測(cè)軟件，選擇正確的類型和型號(hào)；⑥自動(dòng)掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；⑦自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比；⑧輸出檢測(cè)成果報(bào)表，上傳檢測(cè)成果至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

管片模具檢測(cè)的流程為：①將模具和模具臺(tái)放置在地軌上；②手動(dòng)操作使模具進(jìn)入檢測(cè)工位，觸碰機(jī)械限位停止；③掀開模具蓋板，確認(rèn)安全狀態(tài)，啟動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，使系統(tǒng)回原點(diǎn)；④啟動(dòng)檢測(cè)軟件，選擇正確的類型和型號(hào)；⑤自動(dòng)掃描三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；⑥自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比；⑦輸出檢測(cè)成果報(bào)表，上傳檢測(cè)成果至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

2.2 機(jī)械系統(tǒng)

2.2.1 主體機(jī)械框架

根據(jù)最大管片的外形尺寸設(shè)計(jì)自動(dòng)化的機(jī)械方案，整套系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，方案設(shè)計(jì)如圖2所示。整套系統(tǒng)安裝尺寸8.3 m（長(zhǎng)）×5.7 m（寬）×5.0 m（高），在獨(dú)立區(qū)域和獨(dú)立地基上進(jìn)行安裝。所有支柱均采用化學(xué)螺栓固定，機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝完成并放置一段時(shí)間后，在地面上再整體澆筑100 mm 厚混凝土。系統(tǒng)單軸運(yùn)動(dòng)精度優(yōu)于0.1 mm，以保證機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 機(jī)械方案設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：①整體采用桁架式機(jī)構(gòu)，跟蹤儀的支架采用鋁型材搭建。②x軸運(yùn)動(dòng)部分采用兩個(gè)直線行程5 500 mm 的模組，驅(qū)動(dòng)部分采用伺服電機(jī)+減速機(jī)，兩個(gè)直線模組之間通過(guò)聯(lián)軸器連接。③y軸運(yùn)動(dòng)部分采用行程2 500 mm 的直線模組，驅(qū)動(dòng)部分采用伺服電機(jī)+減速機(jī)。④z軸運(yùn)動(dòng)部分采用行程1 000 mm 的直線模組，驅(qū)動(dòng)部分采用伺服電機(jī)+減速機(jī)。⑤跟蹤儀運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)部分采用行程2 000 mm的直線模組，驅(qū)動(dòng)部分采用伺服電機(jī)+減速機(jī)。⑥六軸機(jī)器人安裝在z軸底座上，掃描儀安裝在六軸機(jī)械臂上。⑦靶點(diǎn)支架是安裝3D 掃描系統(tǒng)的標(biāo)志點(diǎn)，采用高強(qiáng)度鋼焊接制作。

2.2.2 管片軌道車

為滿足整套系統(tǒng)的自動(dòng)化檢測(cè)需求，應(yīng)實(shí)現(xiàn)管片裝載精確定位與自動(dòng)運(yùn)輸精確定位。整個(gè)管片軌道車由車體、橫向定位塊、調(diào)節(jié)輪、調(diào)節(jié)模組等組成，如圖3所示。

圖3 管片軌道車示意

具體操作過(guò)程：將管片貼靠橫向定位塊放置在小車上，通過(guò)操控面板選擇管片型號(hào)，啟動(dòng)調(diào)節(jié)模組和激光傳感器，根據(jù)示教編程自動(dòng)調(diào)整至合理范圍。觸摸面板顯示管片裝載完成后，啟動(dòng)軌道車自動(dòng)運(yùn)行至檢測(cè)區(qū)域，檢測(cè)區(qū)域設(shè)置多個(gè)激光傳感器，控制小車減速、停止。

2.3 智能光學(xué)追蹤3D掃描系統(tǒng)

該系統(tǒng)集成的智能光學(xué)追蹤3D 掃描系統(tǒng)由三部分組成：掃描儀、跟蹤儀、定位標(biāo)志點(diǎn)。掃描儀安裝在六軸機(jī)械臂上，通過(guò)外部軸和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)大范圍移動(dòng)和精細(xì)掃描。跟蹤儀安裝在系統(tǒng)的頂部，實(shí)現(xiàn)最大范圍跟蹤。定位標(biāo)志點(diǎn)安裝在系統(tǒng)兩側(cè)，保證系統(tǒng)的整體空間精度。

智能光學(xué)追蹤3D 掃描系統(tǒng)是近年面市的新型三維激光掃描設(shè)備，具有精度高、效率高、動(dòng)態(tài)跟蹤、無(wú)需貼點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于汽車、航天、模具等精密檢測(cè)行業(yè)。它是核心測(cè)量模塊，直接決定系統(tǒng)方案可行性和測(cè)量精度。通過(guò)大量的應(yīng)用測(cè)試和對(duì)比研究，該系統(tǒng)選擇采用精度高和穩(wěn)定好的某國(guó)產(chǎn)品牌設(shè)備。

2.4 上位機(jī)軟件

2.4.1 軟件通信控制流程（圖4）

圖4 軟件通信控制流程

上位機(jī)軟件包括數(shù)據(jù)采集控制模塊與數(shù)據(jù)分析處理模塊。軟件自動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)與智能光學(xué)追蹤3D掃描系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，并自動(dòng)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2.4.2 軟件數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理模塊基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)和點(diǎn)云處理算法進(jìn)行自動(dòng)處理，流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)處理流程

1）點(diǎn)云坐標(biāo)系糾正。①基于管片設(shè)計(jì)圖與測(cè)量坐標(biāo)系進(jìn)行粗分割，利用原始掃描點(diǎn)云和初始坐標(biāo)值，通過(guò)Harris 三維角點(diǎn)提取算法自動(dòng)提取管片或管片模具的四個(gè)角點(diǎn)的初始位置。②根據(jù)角點(diǎn)初始位置和管片設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算每個(gè)角點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三個(gè)平面上的種子點(diǎn)。以種子點(diǎn)為參考，分割三個(gè)平面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)平面擬合獲得三個(gè)平面的參數(shù)。三個(gè)平面相交獲得精確的角點(diǎn)坐標(biāo)（把弧面作為平面處理）。③以四個(gè)精確角點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)，將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系下。

2）點(diǎn)云分類。根據(jù)管片的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求的測(cè)量點(diǎn)位計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的種子點(diǎn)坐標(biāo)和初始參數(shù)，根據(jù)種子點(diǎn)坐標(biāo)分割點(diǎn)云，根據(jù)初始參數(shù)剔除點(diǎn)云粗差。

3）模型擬合。包括四角平面擬合（弧面擬合）、測(cè)量點(diǎn)位平面擬合、內(nèi)弧線曲線擬合。在進(jìn)行模型擬合時(shí)采用RANSAC 算法，進(jìn)一步剔除粗差，獲得精確的模型參數(shù)。

4）成果輸出。根據(jù)模型擬合的參數(shù)計(jì)算測(cè)量值，并且與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)輸出檢測(cè)報(bào)表，如圖6所示。

圖6 輸出成果報(bào)表PDF文件示例

2.5 檢測(cè)成果數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

管片成品與管片模具檢測(cè)成果可自動(dòng)上傳至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，工程管理者可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看檢測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)具有查詢、分析、統(tǒng)計(jì)、圖形化展示等功能。

3 工程應(yīng)用

檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在中鐵十四局房橋公司成都管片廠、北京管片廠進(jìn)行了工程應(yīng)用。成都管片廠應(yīng)用項(xiàng)目有2個(gè)：①成都地鐵17號(hào)線2期工程，盾構(gòu)直徑8.3 m，管片寬度1.5 m，每環(huán)管片包含4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2 個(gè)連接塊、1 個(gè)封頂塊，區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)環(huán)、右轉(zhuǎn)環(huán)；②成自宜高速鐵路錦繡隧道，盾構(gòu)直徑12.4 m，管片寬度1.8 m，每環(huán)管片包含 6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2 個(gè)連接塊、1 個(gè)封頂塊，全部為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。成都管片廠的檢測(cè)系統(tǒng)適用于環(huán)寬1.8 m 及以下的所有類型管片，預(yù)留2 m 環(huán)寬的改造空間。北京管片廠應(yīng)用項(xiàng)目為北京東六環(huán)改造項(xiàng)目工程，盾構(gòu)直徑15.4 m，管片寬度2 m，是目前國(guó)內(nèi)最大盾構(gòu)直徑管片，每環(huán)管片包含7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊、2個(gè)連接塊、1個(gè)封頂塊，全部為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)。

隨機(jī)抽取一套新出廠的2 m 環(huán)寬的合格管片模具進(jìn)行重復(fù)性檢測(cè)，對(duì)每個(gè)模具分別檢測(cè)3 次，共計(jì)約300 個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)樣本。統(tǒng)計(jì)檢測(cè)寬度的重復(fù)精度，如圖7 所示?？芍?，重復(fù)性精度的最大偏差0.15 mm，平均偏差0.04 mm。這說(shuō)明本系統(tǒng)的重復(fù)性精度非常穩(wěn)定。

圖7 管片寬度重復(fù)精度統(tǒng)計(jì)

以模具出廠檢定報(bào)告的寬度作為參考值，將本系統(tǒng)的檢測(cè)值與參考值進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示?？芍?，計(jì)算絕對(duì)精度中誤差0.06 mm。這說(shuō)明該系統(tǒng)的絕對(duì)精度可達(dá)到0.18 mm。

圖8 管片寬度絕對(duì)精度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)工程項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證，本文研發(fā)的隧道管片外形尺寸檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)管片成品與管片模具的全自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)輸出檢測(cè)報(bào)表，并自動(dòng)上傳檢測(cè)成果，檢測(cè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。根據(jù)管片的不同尺寸，每塊管片檢測(cè)效率為8 ～15 min，檢測(cè)精度為0.1 ～0.2 mm，具有高效率、高精度的優(yōu)點(diǎn)，滿足管片成品與管片模具的檢測(cè)需求，解決了管片生產(chǎn)過(guò)程中的管片成品外觀尺寸控制問(wèn)題。但是也存在幾點(diǎn)不足：①本系統(tǒng)檢測(cè)管片時(shí)內(nèi)弧面向上，吊裝之前須先翻轉(zhuǎn)管片，耗費(fèi)一定的人力和時(shí)間。下一步將研究外弧面向上的檢測(cè)模式。②本系統(tǒng)的檢測(cè)成果只提供規(guī)范要求的檢測(cè)項(xiàng)。下一步將研究自動(dòng)三維建模技術(shù)，提供更加完整、詳細(xì)的尺寸偏差報(bào)告。③本系統(tǒng)還不能實(shí)現(xiàn)管片及模具的線上檢測(cè)。在不影響生產(chǎn)的條件下實(shí)現(xiàn)管片及模具的生產(chǎn)線上檢測(cè)，也是下一步研究的重點(diǎn)。