田有良
(南京地鐵運營有限責(zé)任公司,江蘇 南京 211100)
在地下工程中,受到巖土層壓力及襯砌限制等因素的共同作用,隧道的斷面不再是標準的圓形,而是會發(fā)生微小形變的,隧道斷面的形狀更接近于離心率較小的橢圓。由于盾構(gòu)隧道的斷面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,盾構(gòu)隧道管壁在外力的作用下,出現(xiàn)裂縫、崩角、滲水、破損等病害,嚴重影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。因此,隧道段的地鐵保護監(jiān)測工作要能實現(xiàn)及時、準確地反饋數(shù)據(jù)信息,而針對隧道斷面橫向變形的收斂監(jiān)測是盾構(gòu)隧道段能安全運營的重要保障手段之一[1]。
現(xiàn)階段,收斂監(jiān)測的手段主要有手持激光測距儀監(jiān)測、全站儀監(jiān)測及移動三維激光掃描監(jiān)測。手持激光測距儀的監(jiān)測原理簡單,用于監(jiān)測隧道段的橫向變形,數(shù)據(jù)精度較高,但因人工監(jiān)測存在粗差、監(jiān)測人員激光指錯位置、激光測距儀底部未放到位等問題,嚴重影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性,此作業(yè)形式的效率較低,且因人為因素極易造成監(jiān)測斷面出現(xiàn)遺漏等。全站儀收斂監(jiān)測要人工進行架站,從而對隧道腰部位置進行點位數(shù)據(jù)采集,單一測站能監(jiān)測到的隧道斷面數(shù)據(jù)有限,要由監(jiān)測人員不停搬動監(jiān)測站,該方法效率較低。移動三維激光掃描技術(shù)是近年來興起的一項數(shù)據(jù)獲取技術(shù),移動掃描車在隧道內(nèi)進行點云數(shù)據(jù)的采集,將盾構(gòu)隧道段進行弧度劃分,并擬合出盾構(gòu)隧道的收斂橫向監(jiān)測的最優(yōu)監(jiān)測部位,最終得到準確的隧道橫向收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)[2]。
移動掃描車作為掃描儀器的載體,是獲取數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。由于盾構(gòu)隧道位于地下,信號受影響,因此移動掃描車要裝備里程計、角度傳感器等外部裝置,從而保證掃描儀能正常工作。盾構(gòu)隧道中的軌道設(shè)有計軸器,為了不影響運營地鐵列車的安全,掃描車經(jīng)過該區(qū)段不可觸碰到計軸器及其他傳感器。因此,移動搭載設(shè)備選取某單位定制研發(fā)的地鐵隧道移動掃描車,如圖1所示,可避免對運營隧道產(chǎn)生影響,從而保證自身數(shù)據(jù)的準確性。
圖1 隧道移動掃描車工作原理示意圖和實物圖
移動三維激光掃描現(xiàn)場作業(yè)根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗可分為三部分,即作業(yè)前準備、現(xiàn)場作業(yè)、作業(yè)結(jié)束整理。詳細的作業(yè)流程如圖2所示。
圖2 移動三維激光掃描作業(yè)流程示意圖
因為隧道內(nèi)的鐵軌帶電,而移動掃描車架設(shè)在兩側(cè)的鐵軌上,所以要保證掃描車輪絕緣,不能成為導(dǎo)電體。從而避免兩根鐵軌導(dǎo)電引起地鐵車控制報警,影響列車的安全運營。軌道車對盾構(gòu)隧道某個區(qū)間進行掃描時不能出現(xiàn)間斷,因此要保證軌道掃描車及掃描儀的電池電量能滿足作業(yè)需求。因掃描數(shù)據(jù)量較大,要保證儀器的自身存儲空間足夠,在進行掃描前要檢查儀器存儲空間的使用情況。
現(xiàn)場作業(yè)要安裝好電池和儀器平臺,檢查掃描儀基座與移動掃描車是否安裝牢固,在安裝完儀器后,對掃描模式、分辨率設(shè)置、現(xiàn)場掃描方向確認等進行設(shè)置。當(dāng)軌道掃描車移動到合適位置后,設(shè)置前進擋位,保證掃描車勻速前進,從而保證掃描儀數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。遇到障礙物后要停車,且在障礙物排空后,要將軌道掃描車后退至已掃描的最后一個斷面,繼續(xù)進行掃描。
在完成現(xiàn)場作業(yè)后,要及時關(guān)閉掃描儀,將關(guān)機后的掃描儀放于儀器箱中,掃描車拆解后放于儀器箱中,檢查作業(yè)現(xiàn)場,要做到工完料清,保證列車的運營環(huán)境安全,待撤離作業(yè)現(xiàn)場后,要及時將數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出保存,從而避免數(shù)據(jù)的丟失[3]。
隧道移動掃描數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示。先導(dǎo)入原始掃描數(shù)據(jù),利用現(xiàn)場掃描的環(huán)境數(shù)據(jù)及特征點云數(shù)據(jù)來生成定位文件,并進行成果結(jié)算。
圖3 隧道移動掃描數(shù)據(jù)處理流程示意圖
大盾構(gòu)直徑隧道因中隔墻的存在,要根據(jù)掃描數(shù)據(jù)進行弧左、弧右劃分,分別計算出左右水平橫徑,并加上隔墻厚度,即為大盾構(gòu)隧道水平直徑的收斂值。本研究分別使用全站儀及三維激光掃描對同區(qū)間的大盾構(gòu)隧道直徑收斂數(shù)據(jù)進行采集,并進行比對。
直徑量測采用全站儀極坐標法,左線瞄準直徑點H點和D點,一測回盤左坐標為(X Hl,YHl,ZHl)、(X Dl,Y Dl,ZD l),盤右坐標為(XH r,YH r,Z Hr)、(XD r,YDr,ZD r)。盤左、盤右分別計算H點和D點的空間直線距離,較差小于2 mm時,取兩者的平均值作為實測左線橫徑R。大盾構(gòu)收斂監(jiān)測示意,如圖4所示。
圖4 大盾構(gòu)收斂監(jiān)測示意圖(單位:mm)
相關(guān)計算公式見式(1)、式(2)。
式中:R L為全站儀盤左監(jiān)測的左線橫徑值;R R為全站儀盤右監(jiān)測的左線橫徑值。
計算出盤左和盤右兩組空間的直線距離,取其平均值,即為左線橫徑的實測值,見式(3)。
式中:R左線為大盾構(gòu)隧道左線橫徑值。
同理可得,在右線用全站儀無棱鏡極坐標法,左線瞄準直徑點H'點、D'點,分別計算出盤左盤右監(jiān)測的兩點之間的直徑R'L、R'R,取其平均值,即為右線橫徑實測值,見式(4)。
式中:R'L為全站儀盤左監(jiān)測的左線橫徑值;R'R為全站儀盤右監(jiān)測的左線橫徑值;R右線為大盾構(gòu)隧道右線橫徑值。
左線橫徑和右線橫徑相加,再加上隔墻厚度,即為水平直徑的實測值,見式(5)。
式中:R水平直徑為大盾構(gòu)隧道直徑的收斂值;R左線為大盾構(gòu)隧道左線的橫徑值;R右線為大盾構(gòu)隧道右線的橫徑值;D隔墻為大盾構(gòu)隧道隔墻的厚度。
利用大直徑盾構(gòu)隧道錯縫拼裝施工工藝,以掃描車前進方向及中隔墻為基準,將盾構(gòu)隧道劃分為弧左、弧右兩部分,弧左及弧右同環(huán)同斷面均劃分為4個弧段,進而擬合出各自的圓心,取極角為90°和270°兩個方向值為弧左及弧右的水平徑值,分別記為R L、R R,中隔墻厚度為R隔墻,則三維激光解算大盾構(gòu)水平直徑見式(6),大盾構(gòu)直徑解算示意,如圖5所示。
圖5 大盾構(gòu)直徑解算示意圖
3號線柳州東站-上元門站區(qū)間是大直徑的盾構(gòu)隧道,采用雙面楔形環(huán)錯縫拼裝,在進行曲線模擬和施工糾偏時分別旋轉(zhuǎn)32.727 6°、130.909 2°、229.090 8°、327.2724°,從而實現(xiàn)錯縫拼裝。此區(qū)段長為3.4 km,共布設(shè)224個監(jiān)測斷面,平均每隔20 m布設(shè)一個監(jiān)測斷面。
為了解該區(qū)段三維激光掃描解算水平直徑的精度,對使用人工手持激光測距儀、全站儀監(jiān)測方法三維激光掃描解算的水平直徑收斂值進行對比,得出的結(jié)果如圖6、圖7所示。
圖6 三種監(jiān)測方式數(shù)據(jù)對比圖
圖7 全站儀、三維激光掃描分別與激光測距儀收斂值對比圖
由圖6和圖7可知,三維移動激光掃描解算的水平直徑收斂與人工測距儀及全站儀監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合,監(jiān)測數(shù)據(jù)的差值分布在-2.5~2.5 mm,外符合精度為1.9 mm。
本研究通過介紹移動三維激光掃描技術(shù)在過江大盾構(gòu)隧道中的水平直徑解算,并將解算值與人工激光測距儀及全站儀采集到的數(shù)據(jù)進行對比,驗證結(jié)果與人工監(jiān)測到的水平直徑值吻合。其作業(yè)效率較傳統(tǒng)監(jiān)測方法有大幅度提升,具有一定的實用價值。