基于三維激光掃描技術的地鐵隧道健康檢測與安全性評估應用

朱杭琦，徐亮亮，方秀友，趙思仲

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，地鐵已成為人們出行的主要交通工具，因此，近年來全國地鐵建設蓬勃發(fā)展。據統(tǒng)計，截至2022年2月，共有51個城市開通并運營272條地鐵線路，運營里程達8 819 km。面對如此龐大的地下交通網絡，地鐵隧道結構全生命運營周期的安全性顯得尤其重要。為了保障地鐵安全運營，隧道結構監(jiān)測工作必不可少。而傳統(tǒng)的監(jiān)測手段具有工作量大、周期長、對環(huán)境影響大、監(jiān)測成果單一等特點，難以適應日益增強的隧道監(jiān)測市場需求（陸培慶等，2020）。為了使隧道結構監(jiān)測高效、準確、便捷、經濟，三維激光掃描技術得到廣泛應用。Han等人（2013）提出一種利用地面三維激光掃描技術掃描隧道并提取橫斷面的方法，并使用全站儀在中線點上架站，對隧道斷面進行實地測量，與掃描測量結果進行對比，結果表明使用地面三維激光掃描技術獲取隧道斷面相比于全站儀測量大大縮短了外業(yè)測量時間，且測量精度不低于全站儀測量精度；魏小佳等（2015）等依托三維激光掃描技術獲取公路隧道點云影像特征，分析隧道變形；鄧洪亮等（2012）將三維激光掃描技術應用于高鐵隧道，分析隧道的凈空收斂和拱頂沉降等變化規(guī)律；李珵等（2013）將三維激光掃描技術與常規(guī)測量方法相結合，監(jiān)測隧道收斂及運營期變形情況，并進行精度分析與驗證。當前，基于軌道小車的移動式三維激光掃描作為一項技術革新，國內地鐵隧道領域研究甚少（夏金周，2019）。因此，需要大量的實踐才能將其應用于地鐵隧道的安全性評估中。

本文以某市地鐵隧道上浮為例，在人工監(jiān)測的基礎上，基于移動式三維激光掃描技術和地質雷達技術，結合現狀調查，系統(tǒng)的獲取該隧道的結構形態(tài)及病害情況，對當前軌道軌距、水平的尺寸偏差是否滿足工務維修規(guī)則的要求做出評價；通過Midas軟件建立模型計算承載力極限值，對該隧道進行安全性評估。

1 安全性評估方法

根據GB/T 39559.3-2020《城市軌道交通設施運營監(jiān)測技術標準第3部分：隧道》，隧道運營評價包括技術狀況評價、結構安全評價及運營性能評價。

依托結構監(jiān)測豎向位移及凈空收斂數據，找出異常值，明確異常區(qū)域；然后在安全性評估前對隧道做全面的現狀檢測，包括隧道結構的橢圓度、管片錯臺、管片滲漏水、裂縫、管片破損、道床裂縫等表觀病害信息，以及隧道壁后的空洞與道床脫空情況、收斂、限界等；再結合周邊環(huán)境調查（包括地形地貌、建構筑物）獲取運營期間隧道上部工況；最后建立模型評價隧道應力狀態(tài)，對隧道安全性做出評估。

2 工程實例

2.1 工程背景

某市地鐵區(qū)間隧道采用盾構法施工，設計起止里程為K15+120—K15+753，區(qū)間長度為633 m。該地區(qū)表層主要為第四系填土，下為沖洪積黏土（具有弱膨脹性），下伏第三系粉砂巖。地下水主要為上層滯水、孔隙裂隙水、基巖裂隙水，較為貧乏。隧道結構主要位于黏土層中。

依據隧道長期運營監(jiān)測數據顯示，該里程段豎向位移累計變量最大值達+30.9 mm，區(qū)間存在較大上浮情況。

依據CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》，隧道變形已超過控制值?，F場巡視發(fā)現區(qū)間隧道存在道床積水、排水溝開裂、道床脫空、管片結構破損、隧道結構滲漏水等病害。

2.2 隧道結構檢測

2.2.1 地質雷達掃描

針對隧道病害特征，采用地質雷達探測方法進行道床與底板剝離檢測。地質雷達工作原理如圖1所示。

圖1 地質雷達工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of geological radar

根據現場地鐵線路附屬設施的安裝情況在盾構隧道斷面設置4條雷達測線，測線位置如圖2所示。

圖2 測線布置斷面圖（紅點代表雷達測線）Fig.2 Cross-sectional view of survey line layout(red dots represent radar survey lines)

根據地質雷達探測成果，隧道區(qū)間道床和結構底板之間均未發(fā)現明顯剝離情況，在左線K15+586里程發(fā)現1處道床內部結構缺陷，長約0.8 m，深度0.35 m，詳見圖3。

圖3 雷達信號異常圖像Fig.3 Abnormal image of radar signal

2.2.2 三維激光掃描

1）隧道橢圓度測量

采用三維激光掃描全斷面測量，將掃描點云數據經里程糾正、正射投影、斷面解算及判讀識別等處理步驟后，獲得隧道的空間坐標、幾何尺寸、隧道影像、斷面變形、漫游視頻等豐富測量成果，實現對隧道結構的“實景復制”和“CT掃描”。

小額訴訟程序的這一性質界定，需要在立法上進行回應，而2012年8月剛通過了民訴法修正案，要想在短時間內再修改，恐怕是不切實際的。因此，替代的方法只能進行法解釋。鑒于小額訴訟解釋涉及小額訴訟程序的具體規(guī)范，筆者認為不宜由最高司法機關出臺司法解釋，而應當啟動最高立法機關的立法解釋，原因有二:其一，對小額訴訟的解釋，涉及對小額訴訟程序的再造，有類似立法的功效，由立法機關解釋可能有效地消除司法解釋可能突破法律規(guī)定的尷尬;其二，由最高立法機關解釋，可以有效調集多方法曹的智慧和熱情，使關于小額訴訟制度的解釋更具正當性和權威性，避免由最高司法機關解釋受到“法院本位”的指責。

該區(qū)間上行線共有盾構環(huán)409環(huán)，下行線共有盾構環(huán)412環(huán)。區(qū)間橢圓度統(tǒng)計結果見表1。

表1 區(qū)間橢圓度統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of interval ovality

2）管片錯臺測量

利用三維激光掃描點云量算獲取管片的環(huán)向、徑向錯臺量，輸出CAD斷面并在隧道內壁影像圖上標注環(huán)間錯臺量。其中：環(huán)向錯臺量選擇錯臺＞7 mm、連續(xù)弧長＞1 m位置處的平均錯臺量，徑向錯臺選擇指定里程位置處多個管片接縫之間的最大錯開量（不包含遮擋部分）。

經統(tǒng)計，共檢測得超限環(huán)間錯臺（≥15 mm）68處。部分統(tǒng)計信息如表2所示，其中環(huán)片寬度為1.5 m，隧道內徑為5.4 m，兩點間最大間隔為10 mm。

表2 環(huán)間錯臺超過15 mm統(tǒng)計表（部分）Tab.2 Statistical table for the misalignment between the rings exceeding 15 mm(part)

3）滲漏水調查

通過三維激光掃描影像和現場人工巡查方式相結合，巡檢隧道內壁、排水溝、旁通道等重點部位（含道床結構）。掃描影像見圖4。

圖4 區(qū)間滲漏水影像圖Fig.4 Image of section leakage

檢測范圍內共發(fā)現35處濕漬，其中上行19處滲漏水，14處管片破損，下行16處滲漏水，20處管片破損。均位于區(qū)間管片拼裝縫和螺栓孔處。

3 地鐵隧道安全性評估分析

3.1 模型概況

根據該區(qū)間出現上浮的影響范圍，建立三維有限元精細化模型（圖5），重點考慮既有上浮變形產生的結構附加應力。計算模型中周圍土體采用實體單元，頂面邊界條件為自由邊界，其他面均采取法向約束。僅考慮正常使用工況，且假定隧道結構為線彈性材料，結構與土體之間符合變形協(xié)調原則。各地層的計算參數取值主要依據工程經驗和工程地質勘察報告綜合分析確定。

圖5 三維隧道計算模型圖Fig.5 3D tunnel calculation model diagram

3.2 數值計算

選取5個不同上浮變形最大截面計算，如表3所示。

表3 典型不利截面Tab.3 Typical unfavorable cross sections

3.2.1 縱向模型計算

根據地鐵既有變形曲線，對整體模型施加縱向位移荷載，計算結構縱向應力值。施加位移荷載后，縱向應力結果云圖見圖6。

圖6 縱向應力云圖Fig.6 Longitudinal stress nephogram

計算結果顯示，在目前上浮變形條件下，地鐵隧道縱向應力大小變化較小，最大壓應力27 MPa，最大拉應力-0.74 MPa，依據GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》，隧道結構應力大小在混凝土允許應力范圍之內。

3.2.2 橫向模型計算

為了隧道結構受力，針對上浮段變形較大截面建立平面模型將強制位移施加在計算模型上，反算出隧道結構的內力，然后驗算結構裂縫寬度。隧道彎矩及軸力計算結果見圖7。

圖7 隧道彎矩及軸力計算結果云圖Fig.7 Cloud diagram of calculation results of tunnel bending moment and axial force

依據隧道結構內力計算結果，對施工變形穩(wěn)定后的裂縫寬度進行驗算，結果如表4所示。根據GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》及GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》，上浮變形影響范圍內隧道結構產生了一定的附加應力，斷面計算內力能夠滿足0.2 mm裂縫寬度要求。

表4 施工變形穩(wěn)定后裂縫寬度驗算結果匯總表Tab.4 Summary of crack width checking results after construction deformation is stabilized

4 結論

1）依據地質雷達及三維激光掃描成果顯示，該區(qū)間隧道初始總體技術狀況評定為4類；隧道縱向受力是安全的。上浮最大段的隧道結構橫向結構內力有一定增加，混凝土內力在允許值范圍之內，裂縫寬度能夠滿足要求，但在K15+350—K15+503段由于橫向內力增大，內力接近/達到限值。隧道結構安全評價為A類；結合施工期間隧道橢圓度和錯臺情況，當前行車影響評價等級調整為Ⅱ類。總體來說，隧道當前處于穩(wěn)定狀態(tài)。對上浮較大區(qū)段（K15+350—K15+503）結構與軌道的變形應持續(xù)監(jiān)測，直至變形穩(wěn)定。

2）本文引入三維激光掃描技術，對隧道全斷面進行了三維全景檢測，得到了點云數據，并以此獲取了隧道全景影像，為地鐵隧道監(jiān)測提供了快速、高效的解決方案，也為地鐵隧道結構安全性提供了數據支撐。

3）通過數值模擬技術，建立模型模擬隧道應力分布，進而反算出隧道結構的內力，并驗算結構裂縫寬度等技術指標，定量地對隧道結構穩(wěn)定性做出了評價。