基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地鐵盾構(gòu)隧道管片錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量的檢測與分析*

郭 飛 艾中亮 鮑 艷** 孔 恒 裴樂君

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,100045,北京;2.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100124,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

地鐵盾構(gòu)隧道(以下簡稱“盾構(gòu)隧道”)在竣工期往往會(huì)出現(xiàn)橢圓度超限、管片接縫處錯(cuò)臺(tái)及襯砌管片接縫張開量過大等病害,因此對(duì)竣工隧道管片拼裝質(zhì)量進(jìn)行檢測尤為重要[1]。根據(jù)盾構(gòu)隧道襯砌管片結(jié)構(gòu)安裝拼接的特點(diǎn),當(dāng)錯(cuò)臺(tái)過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)接縫處的張開量加大,甚至發(fā)生混凝土掉塊[2]等情況。隧道襯砌管片的防水性能也會(huì)隨著接縫張開量和錯(cuò)臺(tái)的增大而減小[3]。文獻(xiàn)[4-6]開展了現(xiàn)場檢測管片錯(cuò)臺(tái)具體發(fā)生位置、錯(cuò)臺(tái)控制技術(shù)、管片錯(cuò)臺(tái)原因及防治措施等方面的研究。文獻(xiàn)[7]則從數(shù)值模擬的角度分析了隧道管片接縫的應(yīng)力和變形狀態(tài)。

目前對(duì)于現(xiàn)場檢測管片接縫處張開量的相關(guān)研究甚少,大多數(shù)學(xué)者都是通過數(shù)值模擬的手段進(jìn)行盾構(gòu)隧道接縫張開量的分析?，F(xiàn)場檢測管片錯(cuò)臺(tái)的方法大多采用目測錯(cuò)臺(tái)發(fā)生的位置、運(yùn)用塞尺現(xiàn)場量測的方式,拱頂需借助于升降臺(tái)車方能檢測,管片接縫處張開量只能用游標(biāo)卡尺進(jìn)行抽檢或基于應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測量,其檢測的效率和覆蓋率均極低。為了高效檢測地鐵竣工隧道的管片拼裝質(zhì)量,本文提出基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開量的檢測方法,以期為盾構(gòu)隧道施工、竣工驗(yàn)收和運(yùn)營維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 管片錯(cuò)臺(tái)與管片接縫張開機(jī)理

管片錯(cuò)臺(tái)指盾構(gòu)隧道2個(gè)襯砌管片拼接處產(chǎn)生相對(duì)高差的現(xiàn)象。管片接縫張開量指2個(gè)襯砌管片拼接處產(chǎn)生的相對(duì)位移值。由于盾構(gòu)隧道管片拼接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),管片接縫張開量發(fā)生變化必定導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)。因此,可通過管片錯(cuò)臺(tái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)突變情況來判斷管片接縫張開位置,進(jìn)而判斷管片接縫張開量的大小。

2 管片環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)與接縫張開量分析

盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)及其接縫張開量主要基于同一環(huán)高密度的隧道斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)空間切割理論,將同一環(huán)內(nèi)的高密度斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取出來,利用極坐標(biāo)的方式將斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)在二維斷面上展開并進(jìn)行分析,根據(jù)斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的連續(xù)性來判斷隧道同一環(huán)相鄰管片是否有錯(cuò)臺(tái)情況,進(jìn)而判斷管片接縫寬度值的變化。本文將測量得到的管片接縫寬度值與設(shè)計(jì)值的差值作為管片接縫的張開量。

圖1為管片環(huán)內(nèi)斷面拼裝示意圖。如圖1所示:該環(huán)斷面由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)及5塊標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2、B3、B4、B5)拼裝而成。若L1型管片和F型管片間(點(diǎn)1處)發(fā)生了環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái),其最明顯的特征是L1型管片下邊緣末端的B點(diǎn)與斷面中點(diǎn)O的距離、F型管片上邊緣末端的A點(diǎn)與斷面中點(diǎn)O的距離間存在差值,其差值即為管片的錯(cuò)臺(tái)量。

圖1 管片環(huán)內(nèi)斷面拼裝示意圖

為提高檢測效率,本文首先計(jì)算管片斷面上所有點(diǎn)到斷面中心點(diǎn)O的距離D,再計(jì)算出D與斷面設(shè)計(jì)半徑值的差值Δ環(huán)內(nèi),Δ環(huán)內(nèi)即為錯(cuò)臺(tái)處管片接縫的張開量。根據(jù)每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的弧度值α及Δ環(huán)內(nèi),建立以α為橫軸、Δ環(huán)內(nèi)為縱軸的坐標(biāo)系,根據(jù)Δ環(huán)內(nèi)有無突變判斷環(huán)內(nèi)是否發(fā)生錯(cuò)臺(tái),其突變大小即為錯(cuò)臺(tái)量。最后在發(fā)生錯(cuò)臺(tái)處計(jì)算管片接縫的張開量Δ環(huán)內(nèi)。

3 管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)與接縫張開量分析

盾構(gòu)隧道的管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)及其環(huán)間接縫張開量主要基于隧道內(nèi)襯砌的縱向相鄰2個(gè)環(huán)數(shù)對(duì)應(yīng)的管片,對(duì)隧道相鄰2個(gè)環(huán)數(shù)對(duì)應(yīng)的軸向點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過提取相鄰2個(gè)環(huán)數(shù)軸向的點(diǎn)云數(shù)據(jù),檢驗(yàn)斷面內(nèi)各點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是否存在數(shù)據(jù)突變,根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的突變量來判斷管片環(huán)間的錯(cuò)臺(tái)情況,進(jìn)而計(jì)算錯(cuò)臺(tái)處接縫的張開量。

襯砌管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量的計(jì)算原理如圖2所示。若縱向相鄰的2個(gè)管片(N環(huán)及M環(huán))的連接處發(fā)生了管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái),此時(shí)最重要的特征是在N環(huán)尾部的P點(diǎn)與M環(huán)始部的Q點(diǎn)到某一條直線(圖2的虛線)的距離(分別為lPS、lQT)發(fā)生了突變,該突變量大小(lPS與lQT的差值)即為管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量。設(shè)N環(huán)和M環(huán)管片接縫處的縫寬為δ,將δ與管片環(huán)間拼接縫寬度設(shè)計(jì)值之差作為管片環(huán)間接縫的張開量Δ環(huán)間。

圖2 襯砌管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量原理圖

4 工程應(yīng)用案例

本文采用徠卡三維激光掃描儀(型號(hào)為徠卡P40)獲取盾構(gòu)隧道的點(diǎn)云數(shù)據(jù),以我國某城市地鐵新機(jī)場線某盾構(gòu)區(qū)間工程為工程應(yīng)用案例。該盾構(gòu)段采用平板型單層鋼筋混凝土管片襯砌,隧道盾構(gòu)段區(qū)間線路長度為13.566～19.375 m,隧道左、右線的水平凈距為4.766～10.575 m,覆土厚度為8.7～19. 0 m,最小坡度為3.5‰。

4.1 隧道橫斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

提取隧道橫斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù),用以作為對(duì)比襯砌橫斷面橫縱收斂值、計(jì)算橢圓度、檢驗(yàn)襯砌管片是否錯(cuò)臺(tái)及計(jì)算管片接縫張開量的基礎(chǔ),因此,對(duì)隧道斷面數(shù)據(jù)提取的效率、精度有較高的要求。通過對(duì)案例區(qū)段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理,并對(duì)橫斷面數(shù)據(jù)提取時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀距離(即點(diǎn)云抽稀處理后點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)的間距)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、有效點(diǎn)云數(shù)量、橫斷面點(diǎn)云數(shù)量及橫斷面數(shù)據(jù)提取時(shí)間等均呈指數(shù)關(guān)系,如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀距離與斷面數(shù)據(jù)提取相關(guān)參數(shù)的關(guān)系圖

由圖3可知,點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀距離與斷面數(shù)據(jù)提取相關(guān)的4個(gè)參數(shù)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量、有效點(diǎn)云數(shù)量、橫斷面點(diǎn)云數(shù)量及橫斷面數(shù)據(jù)提取時(shí)間)間的關(guān)系為:①抽稀距離為0～0.025 m時(shí),4個(gè)參數(shù)均呈指數(shù)型函數(shù)下降;②抽稀距離為0.025～0.200 m時(shí),4個(gè)參數(shù)下降幅度并不明顯;③抽稀距離大于等于0.200 m時(shí),4個(gè)參數(shù)均不能夠有效支持本算法,難以提取隧道橫斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中,點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀距離為0.025 m時(shí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量為11.3 MB,有效點(diǎn)云數(shù)量為17.9萬個(gè),橫斷面點(diǎn)云數(shù)量為505個(gè),橫斷面數(shù)據(jù)提取時(shí)間為2.4 s,該抽稀距離已是本算法能夠有效執(zhí)行的最小抽稀距離。

因此,利用三維激光掃描儀進(jìn)行隧道斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取時(shí),本文建議將獲取隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀距離設(shè)為0.025 m,這樣導(dǎo)出來的4個(gè)參數(shù)值均較為適宜,既能保證斷面數(shù)據(jù)提取的精度,也能保證斷面數(shù)據(jù)提取的效率。

4.2 隧道斷面橢圓度分析

為了提高檢測效率,將獲取的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀,提取橫斷面數(shù)據(jù),進(jìn)而分析隧道斷面橢圓度。該隧道的設(shè)計(jì)直徑為7.9 m,選取了0.010 m、0.008 m及0.004 m 3個(gè)斷面厚度(斷面的切面寬度),分析不同斷面厚度下抽稀距離與隧道斷面橢圓度的關(guān)系,其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知:①隨著抽稀距離的增加,隧道斷面橢圓度逐漸減小;②抽稀距離為0～0.025 m時(shí),不同斷面厚度對(duì)于隧道斷面橢圓度的影響可忽略?？紤]處理數(shù)據(jù)的效率,建議斷面厚度取0.008 m。

4.3 襯砌管片環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)與接縫張開量分析

本文選取隧道盾構(gòu)段區(qū)間某橫斷面中具有代表性的一段弧長,以管片展開后的數(shù)據(jù)處理結(jié)果為例進(jìn)行詳細(xì)說明,如圖5所示。該橫斷面采用了圖1的拼裝方式。將圖1和圖5二者結(jié)合,標(biāo)注出8個(gè)關(guān)鍵的測點(diǎn):1#點(diǎn)(8°附近)為F管片與L1管片拼接處;2#點(diǎn)(57°附近)為L1管片與B2管片拼接處;3#點(diǎn)(106°附近)為B1管片和B2管片拼接處;4#點(diǎn)(156°附近)為B2管片和B3管片拼接處;5#點(diǎn)(204°附近)為B3管片和B4管片拼接處;6#點(diǎn)處(253°附近)為B4管片和B5管片拼接處;7#點(diǎn)(302°附近)為B5管片和L2管片拼接處;8#點(diǎn)(351°附近)為L2管片和F管片拼接處。

圖5 某橫斷面管片半徑收斂值與管片展開長度的關(guān)系

由圖5可知:3#點(diǎn)、4#點(diǎn)及7#點(diǎn)處無明顯突變現(xiàn)象,可認(rèn)為這3個(gè)測點(diǎn)處管片拼接良好,無錯(cuò)臺(tái)和接縫張開的現(xiàn)象發(fā)生;其余5個(gè)測點(diǎn)處錯(cuò)臺(tái)量較大。將這5個(gè)位置的散點(diǎn)圖放大,并將散點(diǎn)數(shù)據(jù)分段進(jìn)行線性擬合,得到這5個(gè)測點(diǎn)的錯(cuò)臺(tái)量及接縫張開量放大圖,如圖6所示。

由圖6可得到管片環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)量及接縫張開量的大小,也可判斷出該環(huán)管片的變形趨勢。本案例工程中的管片環(huán)內(nèi)接縫設(shè)計(jì)寬度為23 mm,圖6中平行于橫軸的雙向箭頭線所標(biāo)注的即為管片環(huán)內(nèi)接縫寬度,平行于縱軸的雙向箭頭線即為環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)量。在圖6的5個(gè)明顯的突變位置中,8#點(diǎn)的突變量最大,其錯(cuò)臺(tái)量為5.5 mm。根據(jù)接縫張開量的定義,接縫張開量為管片的實(shí)測接縫寬度值與設(shè)計(jì)值(5.0 mm)之差,則可得到接縫張開量為0.5 mm,這說明L2管片與F管片間有向內(nèi)擴(kuò)張的變形趨勢;同理可得6#點(diǎn)處的接縫張開量為-0.5 mm,這說明B4管片與B5管片間有向內(nèi)壓縮的變形趨勢。

4.4 襯砌管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)與接縫張開量分析

檢測時(shí)可對(duì)極坐標(biāo)為0°～360°范圍內(nèi)任意角度的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量進(jìn)行提取。經(jīng)篩選,選取相鄰的3環(huán)管片,提取出極坐標(biāo)對(duì)應(yīng)角度為0°的軸向點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量分析。圖7為管片環(huán)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程,首先提取本案例盾構(gòu)區(qū)間段的軸向點(diǎn)云數(shù)據(jù);然后將空間中的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移,使盾構(gòu)隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的軸線平行于坐標(biāo)y軸,得到旋轉(zhuǎn)投影后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見圖7 b))。

基于圖7的點(diǎn)云數(shù)據(jù),得到管片環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量的計(jì)算結(jié)果,如圖8所示。圖8中,由于本研究取相對(duì)值,取第2環(huán)上測點(diǎn)沿隧道軸線往第3環(huán)方向的里程取為正。由圖8 a)可看出:第1環(huán)和第2環(huán)之間(K點(diǎn))、第2環(huán)和第3環(huán)之間(L點(diǎn))都發(fā)生了環(huán)間錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象;2個(gè)錯(cuò)臺(tái)發(fā)生位置相距1.6 m,與管片的寬度1.6 m一致;第1環(huán)內(nèi)部的J點(diǎn)處發(fā)生了突變,這是由于此處有螺栓孔,檢測時(shí)誤將此突變認(rèn)為是隧道病害。為了更加直觀地顯示K點(diǎn)及L點(diǎn)處的錯(cuò)臺(tái)量和接縫張開量,進(jìn)一步將這2處錯(cuò)臺(tái)發(fā)生位置進(jìn)行放大處理,并將散點(diǎn)數(shù)據(jù)分段進(jìn)行線性擬合,其結(jié)果如圖8 b)及圖8 c)所示。

本案例工程中的管片環(huán)間接縫設(shè)計(jì)寬度為24 mm,圖8中平行于橫軸的雙向箭頭線所標(biāo)注的即為管片環(huán)間接縫寬度,平行于縱軸的雙向箭頭線即為環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量。由圖8可知:K點(diǎn)處的管片錯(cuò)臺(tái)量為4 mm。根據(jù)接縫張開量的定義,接縫張開量是將測量得到的管片接縫寬度值與其設(shè)計(jì)值作差,由此可得到張開量為1 mm。同理可得L點(diǎn)處的管片錯(cuò)臺(tái)量為7 mm,張開量為-1 mm。計(jì)算結(jié)果表明:第1環(huán)管片與第2環(huán)管片有向內(nèi)擴(kuò)張的變形趨勢,第2環(huán)管片與第3環(huán)管片有向內(nèi)壓縮的趨勢。

5 結(jié)語

本文利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取了盾構(gòu)隧道襯砌管片環(huán)間和環(huán)內(nèi)錯(cuò)臺(tái)量與接縫張開量,實(shí)現(xiàn)了基于三維激光掃描技術(shù)提取盾構(gòu)隧道襯砌管片接縫張開量的快速檢測方法。該方法行之有效,但對(duì)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的設(shè)備性能要求較高。改進(jìn)算法以實(shí)現(xiàn)襯砌管片接縫張開量的檢測,是下一階段的研究重點(diǎn)工作。本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是竣工隧道點(diǎn)云,如將該方法應(yīng)用到已運(yùn)營的隧道線路中將具有更好的適用性,可為因列車振動(dòng)導(dǎo)致病害加劇的隧道提供有效的檢測方法。