李鳳遠(yuǎn)，韓偉鋒，陳 橋

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001;2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009)

0 引言

隨著城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、地下管線隧道的增多，盾構(gòu)法作為隧道建設(shè)中最為重要的一種工法，已被廣泛應(yīng)用。由于在盾構(gòu)施工過程中內(nèi)部壓力比較大，為防止盾尾漏漿，盾尾的密封要求比較嚴(yán)格。盾尾密封最為重要的一個要求就是盾尾的圓度，如果偏差太大就容易漏漿［1-4］。目前國內(nèi)配套設(shè)備和關(guān)鍵件的設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)水平低，故生產(chǎn)出的盾尾，特別是舊盾尾再次使用前需要對其圓度進(jìn)行嚴(yán)格的檢測。

傳統(tǒng)的盾尾檢測方法是先人工拉線找中心，然后使用卷尺或全站儀檢測。新制造的盾尾可以使用走刀檢測、大型龍門三坐標(biāo)測量儀、柔性關(guān)節(jié)臂測量儀及激光跟蹤儀等。但各設(shè)備在大型工件測量領(lǐng)域有明顯的不足，而且大型龍門三坐標(biāo)測量儀、柔性關(guān)節(jié)臂測量儀和激光跟蹤儀等設(shè)備都需進(jìn)口，價格昂貴，成本很高，測量需要花費一天或幾天的時間，從技術(shù)和實用角度考慮，不便實現(xiàn)大型工件的測量。

3D攝影測量是利用光學(xué)成像原理，采用非接觸式測量，采集到物體表面點的空間位置形成點云［5-7］，然后利用Qualify軟件將點云與設(shè)計數(shù)模進(jìn)行比對［8-9］。通過點云和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模進(jìn)行比對，利用計算機計算出各點偏差值。3D攝影測量技術(shù)測量環(huán)境和測量范圍不受限制、操作簡單方便、測量精度高，無需搬運工件，也不需要對設(shè)備進(jìn)行繁瑣的位置調(diào)整和精度校正等操作，對于測量大型葉片、大型模具、大模型等約1 h就能完成，可以說是一個便攜式快速光學(xué)“三坐標(biāo)測量儀”。3D攝影測量技術(shù)在鋼鐵、汽車、模具、風(fēng)電等行業(yè)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

1 測量設(shè)備

3D攝影測量系統(tǒng)又稱照相測量定位系統(tǒng)或近景攝影測量系統(tǒng)，是利用照相機技術(shù)來獲取某些特征標(biāo)志點的三坐標(biāo)位置進(jìn)行的三維測量方法。利用Digimetric計算出貼在物體表面參考點的三維坐標(biāo)值，形成一個固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，再根據(jù)坐標(biāo)變換使測量的三維坐標(biāo)點對齊到大型工件的CAD數(shù)模上，進(jìn)行對比后得到對比結(jié)果。3D攝影測量設(shè)備見圖1。

圖1 3D攝影測量設(shè)備Fig.1 3D photogrammetry devices

2 測量原理

攝影測量是利用光學(xué)成像原理采集物體表面點空間位置坐標(biāo)，但圖像本身沒有空間具體位置的概念，且不同的點在不同的照片上空間的位置坐標(biāo)是不一樣的，需要有編碼點作為不同照片之間的連接橋梁。每個編碼點都有唯一的編號且已經(jīng)在相機中標(biāo)定，而任何一個標(biāo)志點相對于編碼點的空間位置都是唯一的，故通過編碼點可以把不同照片采集到的同一個標(biāo)志點識別為同一點，并且為每一個標(biāo)志點自動生成唯一代號。直接生成的空間點云不帶實際尺寸概念，在檢測前需要放置一般比例尺，比例尺上貼有編碼點，編碼點之間的距離為標(biāo)準(zhǔn)距離，并且已經(jīng)在相機中標(biāo)定。在計算過程中，系統(tǒng)會參照該比例尺對所有的編碼點進(jìn)行距離計算。利用標(biāo)志點取點，編碼點作為不同照片關(guān)聯(lián)的橋梁，帶編碼點的標(biāo)尺作為比例尺，系統(tǒng)生成的點云即是帶尺寸位置的空間點云。通過把點云與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模進(jìn)行比對可分析出盾尾各處的具體偏差值。各種定位工具如圖2所示。

3 貼編碼點與標(biāo)志點

粘貼編碼點和標(biāo)志點的數(shù)量適中即可，如果編碼點和標(biāo)點數(shù)量太多會增加計算機運算時間，如果點數(shù)太少容易影響測量精度。通過實際測量經(jīng)驗，6 m左右的大型構(gòu)件標(biāo)志點的間距保持在約6 cm即可，編碼點的數(shù)量能保證2張照片有8個以上的重合點即可。

圖2 定位工具Fig.2 Positioning tools

盾尾檢測不但需要檢測出最大偏差值，而且還需要確定具體是哪個位置為最大偏差點。由于盾尾是一個圓形構(gòu)件，基本沒有比較好辨認(rèn)的幾何特征，需要利用標(biāo)志點在盾尾一周間隔一定角度貼出不同數(shù)字，以方便確定具體位置的偏差值。進(jìn)行偏差比對時需將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模和點云對齊，由于盾尾為圓型構(gòu)件，對齊特征需要端面和軸心，端面需要找出一個相對垂直于柱面的平面貼點，利用該平面上的點擬合出基準(zhǔn)平面特征，利用圓柱面的點擬合出軸心。盾尾帶數(shù)字形狀編碼點和標(biāo)志點如圖3所示。

圖3 編碼點與標(biāo)志點粘貼示意圖Fig.3 Coded points and marking points

4 采集點云與創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模

完成了標(biāo)志點、編碼點和標(biāo)尺的定位后須進(jìn)行圖像拍攝。為保證能夠有效地采集到標(biāo)志點，每2張照片重合的編碼點應(yīng)當(dāng)大于8個，在拍攝過程中，保持相機距離標(biāo)志點約2 m，并且在采集過程中所有的點與標(biāo)尺不能夠移動。如果有點或者標(biāo)尺移動須重新采集，否則會出現(xiàn)相對位置錯亂，從而造成檢測失敗。標(biāo)志點采集位置如圖4所示。

圖4 標(biāo)志點采集位置示意圖(單位:mm)Fig.4 Positions of marking points(mm)

攝影測量系統(tǒng)是利用光學(xué)成像原理采集標(biāo)志點的圓心。由于設(shè)備上會有各種污漬，系統(tǒng)會把部分白色的污漬錯誤地識別為標(biāo)志點，對系統(tǒng)分析形成干擾，在進(jìn)行偏差比對前須清除所有采集到的干擾點，否則系統(tǒng)會把干擾點與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模進(jìn)行比較，造成檢測錯誤。處理后的標(biāo)志點云如圖5所示。

圖5 標(biāo)志點云Fig.5 Cloud of marking points

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模并不是傳統(tǒng)意義上的三維模型，質(zhì)量比對的數(shù)模只需建立檢測面模型即可，并且應(yīng)盡量簡化數(shù)模，否則會增加計算量。檢測盾尾圓度關(guān)鍵是檢測盾尾刷固定環(huán)的圓度，數(shù)?？梢灾话芪菜⒐潭ōh(huán)內(nèi)圓柱面。

5 應(yīng)用實例

某項目盾尾為二次使用，直徑6 280 mm，按照檢測要求使用攝影測量方法檢測盾尾刷固定環(huán)圓度。在被測盾尾上標(biāo)志出對齊基準(zhǔn)點，在需要測量處貼好標(biāo)志點，并布置編碼點和標(biāo)尺，使用標(biāo)定后的數(shù)字相機，從不同角度進(jìn)行拍攝，將拍攝所得圖像導(dǎo)入到計算機;使用Digimetric測量系統(tǒng)軟件對圖像自動進(jìn)行處理，去除明顯干擾點，形成有效三維坐標(biāo)點云，使用專業(yè)質(zhì)量比對軟件將點云擬合出中心軸與端面，導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模，同理擬合出中心軸和端面;將點云中心軸和端面與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模中心軸和端面對齊，則建立了質(zhì)量比對系統(tǒng)的相對坐標(biāo)系。盾尾標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模和點云如圖6所示。

圖6 盾尾標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模和點云Fig.6 Standard numerical model and point cloud of shield tail

采用專業(yè)質(zhì)量比對軟件對測量點云和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)模進(jìn)行坐標(biāo)比對，得出該項目盾尾檢測部位位置尺寸質(zhì)量偏差。圖7為各標(biāo)志點偏差云圖。從圖7中可以看出，該盾尾最大變形處位于 4號位置，偏差值為42.467 mm。圖8為各階段偏差所占的點比例。從圖8中可以看出，該盾尾有44.508%的點的偏差值為-5.530～5.530 mm，共有3.852%的點偏差大于36.31 mm。

圖7 各標(biāo)志點偏差云圖(單位:mm)Fig.7 Deviation cloud of marking points(mm)

圖8 各段偏差值所占標(biāo)志點比例Fig.8 Percentage of deviation points in total marking points

6 結(jié)論與討論

1)使用攝影測量對盾尾圓度檢測，可以準(zhǔn)確地判定出盾尾各處最大偏差值，進(jìn)而對盾尾偏差較大的位置進(jìn)行修復(fù)或者為安全起見重新制造盾尾，保證盾構(gòu)施工安全。

2)采用3D攝影方法可為超過6 m直徑的盾尾進(jìn)行測量，為盾構(gòu)工廠制造質(zhì)量檢測、用戶驗收質(zhì)量比對、現(xiàn)場組裝測量等提供了一種新方法。

3)檢測系統(tǒng)本身檢測精度能達(dá)到0.10 mm/4 000 mm，但由于檢測方法、檢測人員水平和檢測方案的限制，最終檢測精度還不是很高(約1 mm)，對于檢測方案還有待于進(jìn)一步研究。

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