沈 國(guó) 根

(揚(yáng)州市市政建設(shè)處，江蘇 揚(yáng)州 225002)

0 引言

因其對(duì)周邊環(huán)境影響小，隧道結(jié)構(gòu)是城市快速公路、地鐵等重要交通設(shè)施的重要結(jié)構(gòu)形式。但是由于地質(zhì)條件的影響，如長(zhǎng)江中下游地區(qū)的典型軟弱地基，容易造成隧道收斂變形，尤其是盾構(gòu)隧道，從而威脅隧道設(shè)施的運(yùn)營(yíng)安全[1]。針對(duì)收斂變形，學(xué)者提出了各種檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)，如自動(dòng)化近景攝影技術(shù)[2]、傾角儀[3]、智能收斂?jī)x[4]、三維激光掃描[5]和光纖傳感技術(shù)[6]等，在技術(shù)特征、成本等方面各項(xiàng)技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。

三維激光掃描技術(shù)具有掃描面積大、速度快、可與快速檢測(cè)車(chē)結(jié)合使用等優(yōu)點(diǎn)，在隧道收斂變形快速檢測(cè)中得到了相對(duì)廣泛的研究和應(yīng)用。本文在某地鐵隧道收斂變形檢測(cè)中，采用了三維激光掃描技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)了該技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀系統(tǒng)一般包括激光掃描和測(cè)距系統(tǒng)，在測(cè)量時(shí)將激光脈沖依次掃過(guò)待測(cè)區(qū)域，每個(gè)脈沖經(jīng)待測(cè)結(jié)構(gòu)表面反射并被相機(jī)捕獲，測(cè)量系統(tǒng)可以測(cè)量光路程大小以及反射角度，進(jìn)一步解析可獲得測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)(也稱(chēng)為點(diǎn)云)，如圖1所示，計(jì)算公式如式(1)所示。

x=rcosαcosθy=rcosαsinθz=rsinα

(1)

2 基于三維激光掃描的隧道收斂變形分析方法

2.1 橢圓擬合

根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道發(fā)生收斂變形后隧道截面有從圓形變化到橢圓形的趨勢(shì)，因此，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行橢圓形擬合是切合實(shí)際的。橢圓擬合是根據(jù)提取環(huán)片中間位置的點(diǎn)云進(jìn)行橢圓擬合，擬合模型采用二次曲線(xiàn)方程式(如式(2))進(jìn)行擬合。其中，A～F均為擬合系數(shù)；x和y分別為坐標(biāo)軸的橫、縱坐標(biāo)。

Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+F=0

(2)

擬合時(shí)引入抗差、平差估計(jì)方法，在粗差不可避免的情況下，使用選權(quán)迭代法，使參數(shù)的估值盡可能避免粗差的影響，得到正常模式下的最佳估值，如圖2所示。

2.2 收斂計(jì)算

根據(jù)點(diǎn)云擬合橢圓的長(zhǎng)軸、短軸分別與設(shè)計(jì)值直徑的差值為收斂初始值，其中長(zhǎng)軸一般代表水平向，短軸代表豎直向。

3 某地鐵隧道工程應(yīng)用研究

3.1 試驗(yàn)工程概況

試驗(yàn)工程為某地鐵線(xiàn)路的典型區(qū)間，在前期的人工巡檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了滲水、掉塊破損、裂縫道床分離病害等典型病害，同時(shí)考慮地質(zhì)情況，選取了左、右線(xiàn)里程分別為K39+650～K40+012和K39+600～K40+108的區(qū)間，左線(xiàn)所包含對(duì)應(yīng)的管片環(huán)號(hào)是L696～L1037環(huán)，右線(xiàn)所包含對(duì)應(yīng)的管片環(huán)號(hào)是R720～R1099環(huán)。

在試驗(yàn)中，為了比較檢測(cè)精度，還采用了高精度激光測(cè)距儀對(duì)隧道測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)行了測(cè)量?？紤]到豎向直徑測(cè)量一般需要搭設(shè)腳手架或采用升降機(jī)，本次試驗(yàn)中僅對(duì)若干點(diǎn)的水平直徑進(jìn)行了測(cè)量，并與三維掃描結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。同時(shí)，文章中也僅包含了水平向的收斂檢測(cè)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1收斂變形檢測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)在三維激光掃描后直接進(jìn)行橢圓擬合并識(shí)別長(zhǎng)、短軸的半徑長(zhǎng)度，典型結(jié)果如圖3所示。

此試驗(yàn)段標(biāo)準(zhǔn)圓設(shè)計(jì)內(nèi)直徑是5.5 m，利用識(shí)別的長(zhǎng)軸直徑計(jì)算水平收斂變形，左、右線(xiàn)的結(jié)果分別如圖4和圖5所示。從結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，收斂變形最大的位置比較集中，如左線(xiàn)收斂超過(guò)60 mm的管片均位于環(huán)號(hào)L951～L955，右線(xiàn)收斂超過(guò)40 mm的管片均位于環(huán)號(hào)R1021～R1085之間；左線(xiàn)的收斂變形顯著要比右線(xiàn)的大，具體原因有待進(jìn)一步調(diào)查、分析。

3.2.2收斂變形檢測(cè)誤差比較

本次對(duì)比驗(yàn)證，左線(xiàn)選擇L740,L820,L980和L1028共四環(huán)，右線(xiàn)選擇R720,R820和R1010共三環(huán)。對(duì)比測(cè)量采用高精度激光測(cè)距儀，其精度可達(dá)到0.1 mm。測(cè)量對(duì)比結(jié)果如表1所示，兩種方法在左線(xiàn)的測(cè)量差值為1 mm，右線(xiàn)的測(cè)量差值達(dá)到3 mm，造成左右測(cè)量誤差差異的原因不明，需進(jìn)一步考察。綜合考慮，目前所采用的三維激光掃描系統(tǒng)的收斂測(cè)量精度可達(dá)到5 mm。

表1 水平收斂測(cè)量誤差對(duì)比表

4 結(jié)語(yǔ)

收斂變形是表征隧道結(jié)構(gòu)健康、安全的重要指標(biāo)，本文采用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)某地鐵隧道試驗(yàn)區(qū)段開(kāi)展了收斂變形快速檢測(cè)的應(yīng)用研究，研究結(jié)果表明：

1)三維激光掃描技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地識(shí)別隧道結(jié)構(gòu)，并自動(dòng)識(shí)別隧道的內(nèi)部尺寸，通過(guò)橢圓擬合獲得水平和豎向直徑；

2)隧道水平收斂的檢測(cè)誤差在5 mm以?xún)?nèi)，若考慮更高精度的測(cè)量，需采取措施提高測(cè)量精度，如在關(guān)鍵區(qū)域采用多次測(cè)量降低誤差。

考慮三維激光掃描系統(tǒng)在隧道內(nèi)快速檢測(cè)的特點(diǎn)，可大幅降低檢測(cè)時(shí)間和人力成本，因此，本方法具有廣闊的應(yīng)用前景。