基于點云數據的地鐵盾構隧道管片錯臺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.北京市政建設集團有限責任公司,100045,北京;2.北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室,100124,北京∥第一作者,高級工程師)

地鐵盾構隧道(以下簡稱“盾構隧道”)在竣工期往往會出現橢圓度超限、管片接縫處錯臺及襯砌管片接縫張開量過大等病害,因此對竣工隧道管片拼裝質量進行檢測尤為重要[1]。根據盾構隧道襯砌管片結構安裝拼接的特點,當錯臺過大時,會導致相應接縫處的張開量加大,甚至發生混凝土掉塊[2]等情況。隧道襯砌管片的防水性能也會隨著接縫張開量和錯臺的增大而減小[3]。文獻[4-6]開展了現場檢測管片錯臺具體發生位置、錯臺控制技術、管片錯臺原因及防治措施等方面的研究。文獻[7]則從數值模擬的角度分析了隧道管片接縫的應力和變形狀態。

目前對于現場檢測管片接縫處張開量的相關研究甚少,大多數學者都是通過數值模擬的手段進行盾構隧道接縫張開量的分析?，F場檢測管片錯臺的方法大多采用目測錯臺發生的位置、運用塞尺現場量測的方式,拱頂需借助于升降臺車方能檢測,管片接縫處張開量只能用游標卡尺進行抽檢或基于應變計進行測量,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量,本文提出基于點云數據提取盾構隧道襯砌管片接縫張開量的檢測方法,以期為盾構隧道施工、竣工驗收和運營維護提供技術支撐。

1 管片錯臺與管片接縫張開機理

管片錯臺指盾構隧道2個襯砌管片拼接處產生相對高差的現象。管片接縫張開量指2個襯砌管片拼接處產生的相對位移值。由于盾構隧道管片拼接的結構特點,管片接縫張開量發生變化必定導致管片錯臺。因此,可通過管片錯臺的點云數據突變情況來判斷管片接縫張開位置,進而判斷管片接縫張開量的大小。

2 管片環內錯臺與接縫張開量分析

盾構隧道襯砌管片環內錯臺及其接縫張開量主要基于同一環高密度的隧道斷面點云數據進行分析。根據空間切割理論,將同一環內的高密度斷面點云數據提取出來,利用極坐標的方式將斷面點云數據在二維斷面上展開并進行分析,根據斷面點云數據的連續性來判斷隧道同一環相鄰管片是否有錯臺情況,進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計值的差值作為管片接縫的張開量。

圖1為管片環內斷面拼裝示意圖。如圖1所示:該環斷面由1塊封頂塊(F)、2塊鄰接塊(L1、L2)及5塊標準塊(B1、B2、B3、B4、B5)拼裝而成。若L1型管片和F型管片間(點1處)發生了環內錯臺,其最明顯的特征是L1型管片下邊緣末端的B點與斷面中點O的距離、F型管片上邊緣末端的A點與斷面中點O的距離間存在差值,其差值即為管片的錯臺量。

圖1 管片環內斷面拼裝示意圖

為提高檢測效率,本文首先計算管片斷面上所有點到斷面中心點O的距離D,再計算出D與斷面設計半徑值的差值Δ環內,Δ環內即為錯臺處管片接縫的張開量。根據每個點對應的弧度值α及Δ環內,建立以α為橫軸、Δ環內為縱軸的坐標系,根據Δ環內有無突變判斷環內是否發生錯臺,其突變大小即為錯臺量。最后在發生錯臺處計算管片接縫的張開量Δ環內。

3 管片環間錯臺與接縫張開量分析

盾構隧道的管片環間錯臺及其環間接縫張開量主要基于隧道內襯砌的縱向相鄰2個環數對應的管片,對隧道相鄰2個環數對應的軸向點云數據進行分析。通過提取相鄰2個環數軸向的點云數據,檢驗斷面內各點的點云數據是否存在數據突變,根據點云數據的突變量來判斷管片環間的錯臺情況,進而計算錯臺處接縫的張開量。

襯砌管片環間錯臺量與接縫張開量的計算原理如圖2所示。若縱向相鄰的2個管片(N環及M環)的連接處發生了管片環間錯臺,此時最重要的特征是在N環尾部的P點與M環始部的Q點到某一條直線(圖2的虛線)的距離(分別為lPS、lQT)發生了突變,該突變量大小(lPS與lQT的差值)即為管片環間錯臺量。設N環和M環管片接縫處的縫寬為δ,將δ與管片環間拼接縫寬度設計值之差作為管片環間接縫的張開量Δ環間。

圖2 襯砌管片環間錯臺量與接縫張開量原理圖

4 工程應用案例

本文采用徠卡三維激光掃描儀(型號為徠卡P40)獲取盾構隧道的點云數據,以我國某城市地鐵新機場線某盾構區間工程為工程應用案例。該盾構段采用平板型單層鋼筋混凝土管片襯砌,隧道盾構段區間線路長度為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 隧道橫斷面點云數據的處理

提取隧道橫斷面點云數據,用以作為對比襯砌橫斷面橫縱收斂值、計算橢圓度、檢驗襯砌管片是否錯臺及計算管片接縫張開量的基礎,因此,對隧道斷面數據提取的效率、精度有較高的要求。通過對案例區段的點云數據進行抽稀處理,并對橫斷面數據提取時間進行統計,發現點云數據抽稀距離(即點云抽稀處理后點云中點與點的間距)與數據存儲量、有效點云數量、橫斷面點云數量及橫斷面數據提取時間等均呈指數關系,如圖3所示。

圖3 點云數據抽稀距離與斷面數據提取相關參數的關系圖

由圖3可知,點云數據抽稀距離與斷面數據提取相關的4個參數(數據存儲量、有效點云數量、橫斷面點云數量及橫斷面數據提取時間)間的關系為:①抽稀距離為0～0.025 m時,4個參數均呈指數型函數下降;②抽稀距離為0.025～0.200 m時,4個參數下降幅度并不明顯;③抽稀距離大于等于0.200 m時,4個參數均不能夠有效支持本算法,難以提取隧道橫斷面點云數據。其中,點云數據抽稀距離為0.025 m時的數據存儲量為11.3 MB,有效點云數量為17.9萬個,橫斷面點云數量為505個,橫斷面數據提取時間為2.4 s,該抽稀距離已是本算法能夠有效執行的最小抽稀距離。

因此,利用三維激光掃描儀進行隧道斷面點云數據的提取時,本文建議將獲取隧道點云數據的抽稀距離設為0.025 m,這樣導出來的4個參數值均較為適宜,既能保證斷面數據提取的精度,也能保證斷面數據提取的效率。

4.2 隧道斷面橢圓度分析

為了提高檢測效率,將獲取的隧道點云數據進行抽稀,提取橫斷面數據,進而分析隧道斷面橢圓度。該隧道的設計直徑為7.9 m,選取了0.010 m、0.008 m及0.004 m 3個斷面厚度(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系,其計算結果如圖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,不同斷面厚度對于隧道斷面橢圓度的影響可忽略?？紤]處理數據的效率,建議斷面厚度取0.008 m。

4.3 襯砌管片環內錯臺與接縫張開量分析

本文選取隧道盾構段區間某橫斷面中具有代表性的一段弧長,以管片展開后的數據處理結果為例進行詳細說明,如圖5所示。該橫斷面采用了圖1的拼裝方式。將圖1和圖5二者結合,標注出8個關鍵的測點:1#點(8°附近)為F管片與L1管片拼接處;2#點(57°附近)為L1管片與B2管片拼接處;3#點(106°附近)為B1管片和B2管片拼接處;4#點(156°附近)為B2管片和B3管片拼接處;5#點(204°附近)為B3管片和B4管片拼接處;6#點處(253°附近)為B4管片和B5管片拼接處;7#點(302°附近)為B5管片和L2管片拼接處;8#點(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系

由圖5可知:3#點、4#點及7#點處無明顯突變現象,可認為這3個測點處管片拼接良好,無錯臺和接縫張開的現象發生;其余5個測點處錯臺量較大。將這5個位置的散點圖放大,并將散點數據分段進行線性擬合,得到這5個測點的錯臺量及接縫張開量放大圖,如圖6所示。

由圖6可得到管片環內錯臺量及接縫張開量的大小,也可判斷出該環管片的變形趨勢。本案例工程中的管片環內接縫設計寬度為23 mm,圖6中平行于橫軸的雙向箭頭線所標注的即為管片環內接縫寬度,平行于縱軸的雙向箭頭線即為環內錯臺量。在圖6的5個明顯的突變位置中,8#點的突變量最大,其錯臺量為5.5 mm。根據接縫張開量的定義,接縫張開量為管片的實測接縫寬度值與設計值(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管片間有向內擴張的變形趨勢;同理可得6#點處的接縫張開量為-0.5 mm,這說明B4管片與B5管片間有向內壓縮的變形趨勢。

4.4 襯砌管片環間錯臺與接縫張開量分析

檢測時可對極坐標為0°～360°范圍內任意角度的環間錯臺量與接縫張開量進行提取。經篩選,選取相鄰的3環管片,提取出極坐標對應角度為0°的軸向點云數據,進行管片環間錯臺量與接縫張開量分析。圖7為管片環間點云數據的處理過程,首先提取本案例盾構區間段的軸向點云數據;然后將空間中的隧道點云數據進行旋轉和平移,使盾構隧道點云數據的軸線平行于坐標y軸,得到旋轉投影后的點云數據(見圖7 b))。

基于圖7的點云數據,得到管片環間錯臺量與接縫張開量的計算結果,如圖8所示。圖8中,由于本研究取相對值,取第2環上測點沿隧道軸線往第3環方向的里程取為正。由圖8 a)可看出:第1環和第2環之間(K點)、第2環和第3環之間(L點)都發生了環間錯臺現象;2個錯臺發生位置相距1.6 m,與管片的寬度1.6 m一致;第1環內部的J點處發生了突變,這是由于此處有螺栓孔,檢測時誤將此突變認為是隧道病害。為了更加直觀地顯示K點及L點處的錯臺量和接縫張開量,進一步將這2處錯臺發生位置進行放大處理,并將散點數據分段進行線性擬合,其結果如圖8 b)及圖8 c)所示。

本案例工程中的管片環間接縫設計寬度為24 mm,圖8中平行于橫軸的雙向箭頭線所標注的即為管片環間接縫寬度,平行于縱軸的雙向箭頭線即為環間錯臺量。由圖8可知:K點處的管片錯臺量為4 mm。根據接縫張開量的定義,接縫張開量是將測量得到的管片接縫寬度值與其設計值作差,由此可得到張開量為1 mm。同理可得L點處的管片錯臺量為7 mm,張開量為-1 mm。計算結果表明:第1環管片與第2環管片有向內擴張的變形趨勢,第2環管片與第3環管片有向內壓縮的趨勢。

5 結語

本文利用點云數據提取了盾構隧道襯砌管片環間和環內錯臺量與接縫張開量,實現了基于三維激光掃描技術提取盾構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,但對獲取點云數據的設備性能要求較高。改進算法以實現襯砌管片接縫張開量的檢測,是下一階段的研究重點工作。本研究的試驗數據是竣工隧道點云,如將該方法應用到已運營的隧道線路中將具有更好的適用性,可為因列車振動導致病害加劇的隧道提供有效的檢測方法。