0 引言

目前我國的地鐵建設正處于大規(guī)模建設時期，越來越多的地鐵線路投入運營。隨著地鐵的持續(xù)運營，隧道逐漸暴露出許多問題。地鐵隧道的主要建造方法是盾構法，危害盾構隧道健康狀態(tài)的病害主要有滲漏水、結構損傷、管片錯臺、地下結構變形和不均勻沉降等。其中，滲漏水是最為常見的一種隧道結構病害。在軟土地區(qū)，盾構隧道的滲漏水的情況則更為常見。由于滲漏水對地鐵安全運營的危害最大，會導致襯砌風化、腐蝕剝落，對隧道襯砌結構造成破壞；同時還會使圍巖軟化，引起其發(fā)生形變。地鐵運營過程中對防水要求很高，一般要求車站達到一級防水、區(qū)間達到二級防水要求。然而當前的地鐵施工技術尚未能一次性達到設計及規(guī)范防水要求，仍必須待結構強度滿足要求后，進行滲漏水治理。因此，高效精準地檢測地鐵隧道滲漏水病害，并針對滲漏情況分析其成因和治理方法，是維護地鐵隧道安全運行的關鍵。

地鐵隧道歷程長，檢修窗時間短，傳統(tǒng)人工視覺檢測無法滿足效率和精度的要求。近年來，移動三維激光掃描因其高效測量、海量點云數(shù)據(jù)、全隧道重構等優(yōu)點，已廣泛用于地鐵隧道襯砌表觀病害的檢測中。本文結合深圳地鐵2號線大劇院-湖貝隧道區(qū)間，運用三維激光掃描技術完成該區(qū)間內(nèi)的滲漏水檢測，并結合該隧道區(qū)間的施工工藝和施工材料做分析，提出可能產(chǎn)生滲漏水的原因。

1 工程概況

本次工程為大劇院至湖貝上行，均為地下線和地下站，無高架。深圳市軌道交通2號線線路平面圖見圖1。

圖1 深圳地鐵2號線平面圖

深圳地鐵2號線工程環(huán)境條件復雜，沿線工程地質(zhì)巖層起伏較大、地層軟硬不均，既穿越了淤泥軟弱地層，也穿越了微風化花崗巖層，穿越填海區(qū)長度達7km以上，8次下穿既有運營地鐵的線路。其中大劇院至湖貝區(qū)間穿越了既有運營地鐵（1號線），區(qū)間長度為上行2km，采用盾構法施工。本區(qū)間在二次襯砌與初期支護之間設全包防水層，施工縫采用雙條緩膨脹性止水條，區(qū)間防水等級為二級。本測量區(qū)間地質(zhì)水文條件如表1。

表1 大劇院—湖貝（上行）地質(zhì)水文條件

2 地鐵隧道滲漏水檢測方法

2.1 檢測工作設計

2.1.1 三維激光掃描檢測技術

本文采用三維激光掃描小車搭載高清相機的監(jiān)測方式完成掃描，測量工具如圖2所示。采用三維激光掃描技術和全景相機相結合的方式，在檢測設備上同時配備三維激光掃描儀和全景相機，將最終的檢測結果進行校核，既提高了檢測的精度和準確性，也減少了人工核對的工作量。同時經(jīng)過后期處理，可以將圖像中的可見光譜信息（RGB）賦予到點云之中，能夠在后期的點云建模工作中高度還原隧道內(nèi)部襯砌的真實形態(tài)。軌檢小車利用rMMS鐵路移動測量系統(tǒng)以2-5km/h的速度采集隧道數(shù)據(jù)。

圖2 三維激光掃描軌檢小車示意圖

三維激光掃描技術的基本原理是利用激光測距，即根據(jù)激光往返的時間，結合激光的速度和角度來判斷測量點與被測量點之間的距離。在工作時激光發(fā)射器通過高速旋轉的方式來快速測量隧道內(nèi)部的場景信息，并將信息存儲在點云中，在點云數(shù)據(jù)中不僅僅包括隧道內(nèi)部的坐標信息，還包括點云強度等信息。在隧道出現(xiàn)滲漏水的區(qū)域，其點云的強度信息會明顯低于周圍區(qū)域，以強度為特征可以做到對滲漏水的識別，結合點云的坐標信息實現(xiàn)對隧道內(nèi)滲漏水區(qū)域的定位。

2.1.2 點云數(shù)據(jù)處理步驟

隧道的檢測內(nèi)容包括管片點云擬合精度統(tǒng)計、隧道水平直徑檢測、隧道管片錯臺檢測、隧道滲漏水位置檢測。其中管片點云擬合精度統(tǒng)計來計算該斷面擬合橢圓的標準差判斷擬合橢圓的精度，從而確定該隧道各位置的點云坐標；通過測量隧道逐環(huán)管片的水平直徑數(shù)值與規(guī)范要求的隧道水平直徑進行比對，確定是否符合隧道養(yǎng)護規(guī)范要求；通過對隧道環(huán)片進行快速精確檢測，獲得隧道內(nèi)部環(huán)片的錯臺分析成果，來分析各管片連接處接縫狀況；最后通過對三維點云數(shù)據(jù)逐環(huán)片精確檢測，獲得隧道內(nèi)部環(huán)片的滲透水檢測成果，確定各出現(xiàn)滲漏水位置坐標和滲漏面積。其中點云數(shù)據(jù)處理步驟如下：

①基于點云的隧道斷面提取。提取地鐵隧道斷面是點云投影處理的數(shù)學基礎，本文采用橢圓擬合法，具體方法見本文2.2節(jié)。

②點云投影。將隧道斷面擬合出的圓心與對應幀點云按照其兩者的夾角展開，并根據(jù)兩幀點云對應的灰度值中間值插入差值，完成正投影。

③圖像灰度化。由于灰度圖可充分反應圖像的特征信息，且噪音干擾少，圖像易辨識，為方便后續(xù)滲漏水識別，因此將點云投影圖轉化為灰度圖。具體步驟可將原點云投影圖RGB進行加權計算均值，加權計算公式如下，并將加權后的均值作為灰度化結果。

④點云圖像的滲漏水識別。物體反射入射光的強度由其反射率決定，使用三維激光掃描時，反射率高的物體可接受更多的發(fā)射信號。由于在隧道中滲漏水區(qū)域的反射率大，因此比非泄漏區(qū)可吸收更多的激光信號，并且掃描儀的激光波長通常在近紅外波段，該波段的發(fā)射光可以被水有效吸收，因此滲漏區(qū)的強度值常常明顯小于非滲漏區(qū)。

2.2 檢測成果

2.2.1 隧道管片點云擬合精度統(tǒng)計

利用rMMS鐵路移動測量系統(tǒng)以2-5km/h的速度采集隧道數(shù)據(jù)，通過逐環(huán)管片斷面上點云數(shù)據(jù)，計算該斷面擬合橢圓的標準差，判斷擬合橢圓的精度。標準差計算公式如下

其中：

①V（i）=D1-D2

橢圓圓心為（X，Y），某斷面點云上任意點為（X，Y），橢圓圓心與點云上任意點連線與橢圓的焦點為（X，Y）

③N為該斷面上點云點的個數(shù)。

由圖3可知擬合橢圓標準差分布為最大標準差6.5mm，最小1.7mm，平均2.43mm，符合隧道管片點云擬合精度要求。

圖3 大劇院—湖貝（上行）環(huán)片擬合標準差統(tǒng)計圖

2.2.2 隧道水平直徑測量結果

利用rMMS鐵路移動測量系統(tǒng)以2-5km/h的速度采集隧道數(shù)據(jù)，通過逐環(huán)管片統(tǒng)計隧道直徑，隧道逐環(huán)直徑測量成果報表輸出。本次測量中，大劇院-湖貝（上行）共計1078環(huán)。各管片水平直徑統(tǒng)計情況見圖4。

圖4 大劇院—湖貝（上行）環(huán)片水平直徑統(tǒng)計圖

由圖4可知共計1078環(huán)，其中水平直徑與設計直徑（5.4m）較差達到7cm以上（含7cm）的共有0環(huán)；水平直徑與設計直徑較差在5-7cm（含5cm）的共有0環(huán)，最大直徑為5.4373m，環(huán)號第344環(huán)；水平直徑與設計直徑較差在0-5cm的共有1078環(huán)。水平直徑收斂。

2.2.3 滲漏水檢測結果

通過對三維點云數(shù)據(jù)逐環(huán)片進行快速精確檢測，獲得隧道內(nèi)部環(huán)片的滲透水檢測結果，并通過對隧道環(huán)片進行快速精確檢測，獲得隧道內(nèi)部環(huán)片的錯臺分析結果。根據(jù)上述結果按照對應環(huán)號坐標繪制結果如圖5。

圖5 大劇院—湖貝（上行）環(huán)片擬合標準差統(tǒng)計圖

經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)該區(qū)間共計169處滲水表中，69處出現(xiàn)錯臺，最大滲水面積為4.543m，平均滲水面積為0.70m。經(jīng)現(xiàn)場對應里程發(fā)現(xiàn)滲水區(qū)多為管片接縫處與管片出現(xiàn)裂縫處。滲漏表現(xiàn)形式如圖6所示。

圖6 隧道管片各部位滲水狀況范例圖

3 滲漏水成因分析

滲漏水病害的位置和程度映射了主要的致災因子，經(jīng)現(xiàn)場對應里程發(fā)現(xiàn)滲水區(qū)多為管片接縫處與管片出現(xiàn)裂縫處。（圖7）

圖7 測量區(qū)間內(nèi)各位置滲漏水占比

根據(jù)滲漏水位置占比并結合各部分滲漏程度以及現(xiàn)場勘查的隧道狀況，本文做出以下成因分析：

3.1 管片接縫、裂縫滲漏水原因分析

3.1.1 管片破損

在施工階段管片在運輸或拼裝中受到外力擠壓、碰撞導致部分結構有所損壞，而在后期拼接、安裝的過程中又未對已破損的管片予以處理，以致管片自身防水不合格而導致出現(xiàn)滲漏水。

3.1.2 管片拼裝錯位

由于管片拼接時相互擠壓，容易導致封頂塊止水條發(fā)生變形脫落，進而導致拼縫處形成滲漏水通道。此外，管片拼裝時沒有對齊出現(xiàn)錯臺，導致盾尾刷沒有緊密包裹住管片，易產(chǎn)生滲漏水。在檢測統(tǒng)計時發(fā)現(xiàn)滲水面積較大的區(qū)域其管片的錯臺量都較大。

3.1.3 管片止水帶失效

在地鐵進行運營后，由于隧道受周邊施工及土體本身的浮力影響，從而發(fā)生不均勻沉降，進而導致管片接縫處的止水帶失效。

3.2 管片螺栓處滲漏水原因分析

3.2.1 螺栓孔施工缺陷

盾構管片的螺栓孔、手孔等孔洞閉孔滲水。主要是螺栓孔、手孔等薄弱部位的混凝土存在缺陷或者施工質(zhì)量不達標，從而導致螺栓孔未加防水密封墊圈或灌漿不密實，引發(fā)滲漏水。

3.2.2 防水材料選擇不當

由于地鐵隧道常產(chǎn)生不均勻沉降，而所選用的防水材料不能適應隧道的沉降和變形，從而使得防水材料產(chǎn)生開裂和脫落，引發(fā)滲水。

3.3 其他原因分析

3.3.1 隧道的不均勻沉降

由于地鐵運營導致的循環(huán)荷載使得隧道所處的粘土層發(fā)生長期變形以及砂性土層的水土流失等原因，從而導致隧道產(chǎn)生不均勻沉降，進而擴大管片接縫的張開量從而引發(fā)滲漏水。

3.3.2 其他施工原因

在靠近該隧道區(qū)間一定范圍內(nèi)進行大量的加卸載活動，例如深基坑工程、地面堆載及大口徑隧道上下穿越施工等，使得該隧道區(qū)間產(chǎn)生橫向、縱向變形。此外由于壁后注漿質(zhì)量不高，導致其充填不密實，從而造成受力不均，導致局部形變過大，使得防水層失去作用而引起滲漏水。

4 結語

本文通過深圳地鐵2號線大劇院-湖貝一個盾構隧道區(qū)間的滲漏水病害檢測，根據(jù)滲漏水出現(xiàn)的位置和程度提出該區(qū)間滲漏水病害的致害因子為管片滲漏，并結合該隧道區(qū)間的施工工藝、施工材料以及致災因子分析提出了產(chǎn)生滲漏水的多項原因。由于隧道滲漏水不僅會加大地鐵在建設過程中的施工難度，而且還會使得附近區(qū)域的水土過量流失，以致隧道內(nèi)部沉降形變過度，嚴重危及后期運營的地鐵列車行車安全。因此，全面分析導致地鐵隧道滲漏水出現(xiàn)的主要成因，提出針對性的防控、治理措施是十分必要的，從而達到地鐵隧道滲漏水的根治，來保障前期施工以及后期運營行車的安全。