基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道健康檢測與安全性評估應(yīng)用

朱杭琦，徐亮亮，方秀友，趙思仲

（1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)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(diǎn)實(shí)驗室，北京 100101）

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)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(shè)蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截至2022年2月，共有51個城市開通并運(yùn)營272條地鐵線路，運(yùn)營里程達(dá)8 819 km。面對如此龐大的地下交通網(wǎng)絡(luò)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)全生命運(yùn)營周期的安全性顯得尤其重要。為了保障地鐵安全運(yùn)營，隧道結(jié)構(gòu)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(diǎn)，難以適應(yīng)日益增強(qiáng)的隧道監(jiān)測市場需求（陸培慶等，2020）。為了使隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測高效、準(zhǔn)確、便捷、經(jīng)濟(jì)，三維激光掃描技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。Han等人（2013）提出一種利用地面三維激光掃描技術(shù)掃描隧道并提取橫斷面的方法，并使用全站儀在中線點(diǎn)上架站，對隧道斷面進(jìn)行實(shí)地測量，與掃描測量結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明使用地面三維激光掃描技術(shù)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(shù)獲取公路隧道點(diǎn)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(shù)應(yīng)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(shù)與常規(guī)測量方法相結(jié)合，監(jiān)測隧道收斂及運(yùn)營期變形情況，并進(jìn)行精度分析與驗證。當(dāng)前，基于軌道小車的移動式三維激光掃描作為一項技術(shù)革新，國內(nèi)地鐵隧道領(lǐng)域研究甚少（夏金周，2019）。因此，需要大量的實(shí)踐才能將其應(yīng)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(chǔ)上，基于移動式三維激光掃描技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查，系統(tǒng)的獲取該隧道的結(jié)構(gòu)形態(tài)及病害情況，對當(dāng)前軌道軌距、水平的尺寸偏差是否滿足工務(wù)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(jìn)行安全性評估。

1 安全性評估方法

根據(jù)GB/T 39559.3-2020《城市軌道交通設(shè)施運(yùn)營監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第3部分：隧道》，隧道運(yùn)營評價包括技術(shù)狀況評價、結(jié)構(gòu)安全評價及運(yùn)營性能評價。

依托結(jié)構(gòu)監(jiān)測豎向位移及凈空收斂數(shù)據(jù)，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(xiàn)狀檢測，包括隧道結(jié)構(gòu)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(jié)合周邊環(huán)境調(diào)查（包括地形地貌、建構(gòu)筑物）獲取運(yùn)營期間隧道上部工況；最后建立模型評價隧道應(yīng)力狀態(tài)，對隧道安全性做出評估。

2 工程實(shí)例

2.1 工程背景

某市地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，設(shè)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(jié)構(gòu)主要位于黏土層中。

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

依據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，隧道變形已超過控制值?，F(xiàn)場巡視發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道存在道床積水、排水溝開裂、道床脫空、管片結(jié)構(gòu)破損、隧道結(jié)構(gòu)滲漏水等病害。

2.2 隧道結(jié)構(gòu)檢測

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)掃描

針對隧道病害特征，采用地質(zhì)雷達(dá)探測方法進(jìn)行道床與底板剝離檢測。地質(zhì)雷達(dá)工作原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of geological radar

根據(jù)現(xiàn)場地鐵線路附屬設(shè)施的安裝情況在盾構(gòu)隧道斷面設(shè)置4條雷達(dá)測線，測線位置如圖2所示。

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

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測成果，隧道區(qū)間道床和結(jié)構(gòu)底板之間均未發(fā)現(xiàn)明顯剝離情況，在左線K15+586里程發(fā)現(xiàn)1處道床內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，長約0.8 m，深度0.35 m，詳見圖3。

圖3 雷達(dá)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(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)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(biāo)、幾何尺寸、隧道影像、斷面變形、漫游視頻等豐富測量成果，實(shí)現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的“實(shí)景復(fù)制”和“CT掃描”。

小額訴訟程序的這一性質(zhì)界定，需要在立法上進(jìn)行回應(yīng)，而2012年8月剛通過了民訴法修正案，要想在短時間內(nèi)再修改，恐怕是不切實(shí)際的。因此，替代的方法只能進(jìn)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(rèn)為不宜由最高司法機(jī)關(guān)出臺司法解釋，而應(yīng)當(dāng)啟動最高立法機(jī)關(guān)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(jī)關(guān)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(jī)關(guān)解釋，可以有效調(diào)集多方法曹的智慧和熱情，使關(guān)于小額訴訟制度的解釋更具正當(dāng)性和權(quán)威性，避免由最高司法機(jī)關(guān)解釋受到“法院本位”的指責(zé)。

該區(qū)間上行線共有盾構(gòu)環(huán)409環(huán)，下行線共有盾構(gòu)環(huán)412環(huán)。區(qū)間橢圓度統(tǒng)計結(jié)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(diǎn)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(nèi)壁影像圖上標(biāo)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(jīng)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(nèi)徑為5.4 m，兩點(diǎn)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(diào)查

通過三維激光掃描影像和現(xiàn)場人工巡查方式相結(jié)合，巡檢隧道內(nèi)壁、排水溝、旁通道等重點(diǎn)部位（含道床結(jié)構(gòu)）。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(nèi)共發(fā)現(xiàn)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(jù)該區(qū)間出現(xiàn)上浮的影響范圍，建立三維有限元精細(xì)化模型（圖5），重點(diǎn)考慮既有上浮變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。計算模型中周圍土體采用實(shí)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(jié)構(gòu)為線彈性材料，結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。各地層的計算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗和工程地質(zhì)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(shù)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(jù)地鐵既有變形曲線，對整體模型施加縱向位移荷載，計算結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力值。施加位移荷載后，縱向應(yīng)力結(jié)果云圖見圖6。

圖6 縱向應(yīng)力云圖Fig.6 Longitudinal stress nephogram

計算結(jié)果顯示，在目前上浮變形條件下，地鐵隧道縱向應(yīng)力大小變化較小，最大壓應(yīng)力27 MPa，最大拉應(yīng)力-0.74 MPa，依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小在混凝土允許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

3.2.2 橫向模型計算

為了隧道結(jié)構(gòu)受力，針對上浮段變形較大截面建立平面模型將強(qiáng)制位移施加在計算模型上，反算出隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，然后驗算結(jié)構(gòu)裂縫寬度。隧道彎矩及軸力計算結(jié)果見圖7。

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

依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果，對施工變形穩(wěn)定后的裂縫寬度進(jìn)行驗算，結(jié)果如表4所示。根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》及GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，上浮變形影響范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的附加應(yīng)力，斷面計算內(nèi)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(jié)果匯總表Tab.4 Summary of crack width checking results after construction deformation is stabilized

4 結(jié)論

1）依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)及三維激光掃描成果顯示，該區(qū)間隧道初始總體技術(shù)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(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定增加，混凝土內(nèi)力在允許值范圍之內(nèi)，裂縫寬度能夠滿足要求，但在K15+350—K15+503段由于橫向內(nèi)力增大，內(nèi)力接近/達(dá)到限值。隧道結(jié)構(gòu)安全評價為A類；結(jié)合施工期間隧道橢圓度和錯臺情況，當(dāng)前行車影響評價等級調(diào)整為Ⅱ類。總體來說，隧道當(dāng)前處于穩(wěn)定狀態(tài)。對上浮較大區(qū)段（K15+350—K15+503）結(jié)構(gòu)與軌道的變形應(yīng)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(shù)，對隧道全斷面進(jìn)行了三維全景檢測，得到了點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(jié)構(gòu)安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

3）通過數(shù)值模擬技術(shù)，建立模型模擬隧道應(yīng)力分布，進(jìn)而反算出隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并驗算結(jié)構(gòu)裂縫寬度等技術(shù)指標(biāo)，定量地對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出了評價。