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        基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵隧道健康檢測(cè)與安全性評(píng)估應(yīng)用

        2022-12-12 12:41:48朱杭琦徐亮亮方秀友趙思仲
        城市地質(zhì) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:變形結(jié)構(gòu)

        朱杭琦,徐亮亮,方秀友,趙思仲

        (1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,北京 100101;2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)

        隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地鐵已成為人們出行的主要交通工具,因此,近年來(lái)全國(guó)地鐵建設(shè)蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2022年2月,共有51個(gè)城市開(kāi)通并運(yùn)營(yíng)272條地鐵線路,運(yùn)營(yíng)里程達(dá)8 819 km。面對(duì)如此龐大的地下交通網(wǎng)絡(luò),地鐵隧道結(jié)構(gòu)全生命運(yùn)營(yíng)周期的安全性顯得尤其重要。為了保障地鐵安全運(yùn)營(yíng),隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作必不可少。而傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段具有工作量大、周期長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境影響大、監(jiān)測(cè)成果單一等特點(diǎn),難以適應(yīng)日益增強(qiáng)的隧道監(jiān)測(cè)市場(chǎng)需求(陸培慶等,2020)。為了使隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)高效、準(zhǔn)確、便捷、經(jīng)濟(jì),三維激光掃描技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。Han等人(2013)提出一種利用地面三維激光掃描技術(shù)掃描隧道并提取橫斷面的方法,并使用全站儀在中線點(diǎn)上架站,對(duì)隧道斷面進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,與掃描測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明使用地面三維激光掃描技術(shù)獲取隧道斷面相比于全站儀測(cè)量大大縮短了外業(yè)測(cè)量時(shí)間,且測(cè)量精度不低于全站儀測(cè)量精度;魏小佳等(2015)等依托三維激光掃描技術(shù)獲取公路隧道點(diǎn)云影像特征,分析隧道變形;鄧洪亮等(2012)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高鐵隧道,分析隧道的凈空收斂和拱頂沉降等變化規(guī)律;李珵等(2013)將三維激光掃描技術(shù)與常規(guī)測(cè)量方法相結(jié)合,監(jiān)測(cè)隧道收斂及運(yùn)營(yíng)期變形情況,并進(jìn)行精度分析與驗(yàn)證。當(dāng)前,基于軌道小車的移動(dòng)式三維激光掃描作為一項(xiàng)技術(shù)革新,國(guó)內(nèi)地鐵隧道領(lǐng)域研究甚少(夏金周,2019)。因此,需要大量的實(shí)踐才能將其應(yīng)用于地鐵隧道的安全性評(píng)估中。

        本文以某市地鐵隧道上浮為例,在人工監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上,基于移動(dòng)式三維激光掃描技術(shù)和地質(zhì)雷達(dá)技術(shù),結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查,系統(tǒng)的獲取該隧道的結(jié)構(gòu)形態(tài)及病害情況,對(duì)當(dāng)前軌道軌距、水平的尺寸偏差是否滿足工務(wù)維修規(guī)則的要求做出評(píng)價(jià);通過(guò)Midas軟件建立模型計(jì)算承載力極限值,對(duì)該隧道進(jìn)行安全性評(píng)估。

        1 安全性評(píng)估方法

        根據(jù)GB/T 39559.3-2020《城市軌道交通設(shè)施運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)第3部分:隧道》,隧道運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)包括技術(shù)狀況評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)及運(yùn)營(yíng)性能評(píng)價(jià)。

        依托結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)豎向位移及凈空收斂數(shù)據(jù),找出異常值,明確異常區(qū)域;然后在安全性評(píng)估前對(duì)隧道做全面的現(xiàn)狀檢測(cè),包括隧道結(jié)構(gòu)的橢圓度、管片錯(cuò)臺(tái)、管片滲漏水、裂縫、管片破損、道床裂縫等表觀病害信息,以及隧道壁后的空洞與道床脫空情況、收斂、限界等;再結(jié)合周邊環(huán)境調(diào)查(包括地形地貌、建構(gòu)筑物)獲取運(yùn)營(yíng)期間隧道上部工況;最后建立模型評(píng)價(jià)隧道應(yīng)力狀態(tài),對(duì)隧道安全性做出評(píng)估。

        2 工程實(shí)例

        2.1 工程背景

        某市地鐵區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工,設(shè)計(jì)起止里程為K15+120—K15+753,區(qū)間長(zhǎng)度為633 m。該地區(qū)表層主要為第四系填土,下為沖洪積黏土(具有弱膨脹性),下伏第三系粉砂巖。地下水主要為上層滯水、孔隙裂隙水、基巖裂隙水,較為貧乏。隧道結(jié)構(gòu)主要位于黏土層中。

        依據(jù)隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,該里程段豎向位移累計(jì)變量最大值達(dá)+30.9 mm,區(qū)間存在較大上浮情況。

        依據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》,隧道變形已超過(guò)控制值。現(xiàn)場(chǎng)巡視發(fā)現(xiàn)區(qū)間隧道存在道床積水、排水溝開(kāi)裂、道床脫空、管片結(jié)構(gòu)破損、隧道結(jié)構(gòu)滲漏水等病害。

        2.2 隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)

        2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)掃描

        針對(duì)隧道病害特征,采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法進(jìn)行道床與底板剝離檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)工作原理如圖1所示。

        圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the working principle of geological radar

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地鐵線路附屬設(shè)施的安裝情況在盾構(gòu)隧道斷面設(shè)置4條雷達(dá)測(cè)線,測(cè)線位置如圖2所示。

        圖2 測(cè)線布置斷面圖(紅點(diǎn)代表雷達(dá)測(cè)線)Fig.2 Cross-sectional view of survey line layout(red dots represent radar survey lines)

        根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果,隧道區(qū)間道床和結(jié)構(gòu)底板之間均未發(fā)現(xiàn)明顯剝離情況,在左線K15+586里程發(fā)現(xiàn)1處道床內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷,長(zhǎng)約0.8 m,深度0.35 m,詳見(jiàn)圖3。

        圖3 雷達(dá)信號(hào)異常圖像Fig.3 Abnormal image of radar signal

        2.2.2 三維激光掃描

        1)隧道橢圓度測(cè)量

        采用三維激光掃描全斷面測(cè)量,將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)里程糾正、正射投影、斷面解算及判讀識(shí)別等處理步驟后,獲得隧道的空間坐標(biāo)、幾何尺寸、隧道影像、斷面變形、漫游視頻等豐富測(cè)量成果,實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的“實(shí)景復(fù)制”和“CT掃描”。

        小額訴訟程序的這一性質(zhì)界定,需要在立法上進(jìn)行回應(yīng),而2012年8月剛通過(guò)了民訴法修正案,要想在短時(shí)間內(nèi)再修改,恐怕是不切實(shí)際的。因此,替代的方法只能進(jìn)行法解釋。鑒于小額訴訟解釋涉及小額訴訟程序的具體規(guī)范,筆者認(rèn)為不宜由最高司法機(jī)關(guān)出臺(tái)司法解釋,而應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)最高立法機(jī)關(guān)的立法解釋,原因有二:其一,對(duì)小額訴訟的解釋,涉及對(duì)小額訴訟程序的再造,有類似立法的功效,由立法機(jī)關(guān)解釋可能有效地消除司法解釋可能突破法律規(guī)定的尷尬;其二,由最高立法機(jī)關(guān)解釋,可以有效調(diào)集多方法曹的智慧和熱情,使關(guān)于小額訴訟制度的解釋更具正當(dāng)性和權(quán)威性,避免由最高司法機(jī)關(guān)解釋受到“法院本位”的指責(zé)。

        該區(qū)間上行線共有盾構(gòu)環(huán)409環(huán),下行線共有盾構(gòu)環(huán)412環(huán)。區(qū)間橢圓度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 區(qū)間橢圓度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of interval ovality

        2)管片錯(cuò)臺(tái)測(cè)量

        利用三維激光掃描點(diǎn)云量算獲取管片的環(huán)向、徑向錯(cuò)臺(tái)量,輸出CAD斷面并在隧道內(nèi)壁影像圖上標(biāo)注環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量。其中:環(huán)向錯(cuò)臺(tái)量選擇錯(cuò)臺(tái)>7 mm、連續(xù)弧長(zhǎng)>1 m位置處的平均錯(cuò)臺(tái)量,徑向錯(cuò)臺(tái)選擇指定里程位置處多個(gè)管片接縫之間的最大錯(cuò)開(kāi)量(不包含遮擋部分)。

        經(jīng)統(tǒng)計(jì),共檢測(cè)得超限環(huán)間錯(cuò)臺(tái)(≥15 mm)68處。部分統(tǒng)計(jì)信息如表2所示,其中環(huán)片寬度為1.5 m,隧道內(nèi)徑為5.4 m,兩點(diǎn)間最大間隔為10 mm。

        表2 環(huán)間錯(cuò)臺(tái)超過(guò)15 mm統(tǒng)計(jì)表(部分)Tab.2 Statistical table for the misalignment between the rings exceeding 15 mm(part)

        3)滲漏水調(diào)查

        通過(guò)三維激光掃描影像和現(xiàn)場(chǎng)人工巡查方式相結(jié)合,巡檢隧道內(nèi)壁、排水溝、旁通道等重點(diǎn)部位(含道床結(jié)構(gòu))。掃描影像見(jiàn)圖4。

        圖4 區(qū)間滲漏水影像圖Fig.4 Image of section leakage

        檢測(cè)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)35處濕漬,其中上行19處滲漏水,14處管片破損,下行16處滲漏水,20處管片破損。均位于區(qū)間管片拼裝縫和螺栓孔處。

        3 地鐵隧道安全性評(píng)估分析

        3.1 模型概況

        根據(jù)該區(qū)間出現(xiàn)上浮的影響范圍,建立三維有限元精細(xì)化模型(圖5),重點(diǎn)考慮既有上浮變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力。計(jì)算模型中周圍土體采用實(shí)體單元,頂面邊界條件為自由邊界,其他面均采取法向約束。僅考慮正常使用工況,且假定隧道結(jié)構(gòu)為線彈性材料,結(jié)構(gòu)與土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。各地層的計(jì)算參數(shù)取值主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工程地質(zhì)勘察報(bào)告綜合分析確定。

        圖5 三維隧道計(jì)算模型圖Fig.5 3D tunnel calculation model diagram

        3.2 數(shù)值計(jì)算

        選取5個(gè)不同上浮變形最大截面計(jì)算,如表3所示。

        表3 典型不利截面Tab.3 Typical unfavorable cross sections

        3.2.1 縱向模型計(jì)算

        根據(jù)地鐵既有變形曲線,對(duì)整體模型施加縱向位移荷載,計(jì)算結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力值。施加位移荷載后,縱向應(yīng)力結(jié)果云圖見(jiàn)圖6。

        圖6 縱向應(yīng)力云圖Fig.6 Longitudinal stress nephogram

        計(jì)算結(jié)果顯示,在目前上浮變形條件下,地鐵隧道縱向應(yīng)力大小變化較小,最大壓應(yīng)力27 MPa,最大拉應(yīng)力-0.74 MPa,依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小在混凝土允許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

        3.2.2 橫向模型計(jì)算

        為了隧道結(jié)構(gòu)受力,針對(duì)上浮段變形較大截面建立平面模型將強(qiáng)制位移施加在計(jì)算模型上,反算出隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,然后驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度。隧道彎矩及軸力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

        圖7 隧道彎矩及軸力計(jì)算結(jié)果云圖Fig.7 Cloud diagram of calculation results of tunnel bending moment and axial force

        依據(jù)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果,對(duì)施工變形穩(wěn)定后的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算,結(jié)果如表4所示。根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,上浮變形影響范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的附加應(yīng)力,斷面計(jì)算內(nèi)力能夠滿足0.2 mm裂縫寬度要求。

        表4 施工變形穩(wěn)定后裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果匯總表Tab.4 Summary of crack width checking results after construction deformation is stabilized

        4 結(jié)論

        1)依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)及三維激光掃描成果顯示,該區(qū)間隧道初始總體技術(shù)狀況評(píng)定為4類;隧道縱向受力是安全的。上浮最大段的隧道結(jié)構(gòu)橫向結(jié)構(gòu)內(nèi)力有一定增加,混凝土內(nèi)力在允許值范圍之內(nèi),裂縫寬度能夠滿足要求,但在K15+350—K15+503段由于橫向內(nèi)力增大,內(nèi)力接近/達(dá)到限值。隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)為A類;結(jié)合施工期間隧道橢圓度和錯(cuò)臺(tái)情況,當(dāng)前行車影響評(píng)價(jià)等級(jí)調(diào)整為Ⅱ類??傮w來(lái)說(shuō),隧道當(dāng)前處于穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)上浮較大區(qū)段(K15+350—K15+503)結(jié)構(gòu)與軌道的變形應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè),直至變形穩(wěn)定。

        2)本文引入三維激光掃描技術(shù),對(duì)隧道全斷面進(jìn)行了三維全景檢測(cè),得到了點(diǎn)云數(shù)據(jù),并以此獲取了隧道全景影像,為地鐵隧道監(jiān)測(cè)提供了快速、高效的解決方案,也為地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

        3)通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù),建立模型模擬隧道應(yīng)力分布,進(jìn)而反算出隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,并驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度等技術(shù)指標(biāo),定量地對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià)。

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