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        基于三維激光掃描儀的隧洞表觀缺陷檢測(cè)研究

        2023-07-31 11:48:36楊保成
        河南水利與南水北調(diào) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:平段洞頂斜井

        楊保成

        新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司,新疆 烏魯木齊 830000

        1 引水隧洞缺陷檢測(cè)方法

        1.1 工程背景

        文中依托某水電站引水隧洞工程項(xiàng)目,該隧洞全長約520 m,中上段長度約為195.20 m,存在8%的下降坡度,洞徑為9 m。斜井段長度為85.20 m,與水平線夾角為55°。該隧洞的上平段底板高層為750 m,下平段高程為641 m,襯砌形式包含鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和鋼板襯砌結(jié)構(gòu)兩種類型。通過將三維激光掃描儀搭載于巡檢機(jī)器人中進(jìn)行襯砌的表觀巡檢,以獲取在隧洞運(yùn)行期間的表觀缺陷。

        1.2 三維激光掃描原理

        三維激光掃描儀主要包含兩部分,分別為激光測(cè)距儀和反射棱鏡。工作時(shí),激光測(cè)距儀發(fā)射激光,再根據(jù)接收到的反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)距,通過不同水平和垂直方向角的斜距測(cè)量配合,獲得掃描點(diǎn)的空間相對(duì)坐標(biāo)。

        1.3 缺陷檢測(cè)方法

        引水隧洞的水平段和斜井段缺陷檢測(cè)由巡檢機(jī)器人完成。該巡檢機(jī)器人的單元系統(tǒng)由多種檢測(cè)傳感器集成而成,地面控制單元對(duì)爬行器單元下傳控制命令,然后再將傳感器獲得的數(shù)據(jù)上傳。布設(shè)三維激光掃描測(cè)站,間距設(shè)為10 m,當(dāng)巡檢機(jī)器人移動(dòng)至測(cè)站后進(jìn)行停留,由三維激光掃描儀進(jìn)行掃描,掃描時(shí)間控制不超過10 min。此外,為保證巡檢機(jī)器人進(jìn)入測(cè)站后能保持靜止,在上平段靠近斜井段位置處安裝機(jī)器人牽引固定錨點(diǎn),通過錨點(diǎn)對(duì)安全繩進(jìn)行固定。

        2 檢測(cè)結(jié)果后處理

        2.1 數(shù)據(jù)處理

        為減小采集到的數(shù)據(jù)處理誤差,基于掃描到的圖像特征,通過三維重建方法和提取圖像序列的特定算法,結(jié)合點(diǎn)云網(wǎng)格化完成目標(biāo)三維模型的構(gòu)建。該方法的實(shí)現(xiàn)主要分為六步,第一步為建立工程文件,第二步為原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入,第三步為定位點(diǎn)云數(shù)據(jù),第四步為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接,第五步為處理成果圖像,第六步為缺陷標(biāo)識(shí)的檢測(cè)。

        根據(jù)特征點(diǎn)云完成圖像拼接是數(shù)據(jù)處理的核心。通過相同特征點(diǎn)云對(duì)相鄰兩站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接,并將基準(zhǔn)站設(shè)為第一站,逐次進(jìn)行每個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)拼接。最后,對(duì)每個(gè)站的數(shù)據(jù)精度進(jìn)行檢查,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢成果的真實(shí)反映。

        2.2 缺陷標(biāo)定與解析

        基于實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù),對(duì)隧洞實(shí)測(cè)中軸線進(jìn)行擬合,并對(duì)比以往的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),以對(duì)隧洞體型變化情況進(jìn)行分析。將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理后,該引水隧洞共發(fā)現(xiàn)108 處缺陷,包含裂縫、滲水等缺陷類型。其中,滲漏點(diǎn)為19 處,主要分布于下平段后段位置處,裂縫共89條,裂縫長度在0.45~9.72 m范圍區(qū)間內(nèi)。此外,觀察引水隧洞混凝土表面可以發(fā)現(xiàn),滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫,并存在鈣質(zhì)析出的情況出現(xiàn)。

        3 缺陷規(guī)律分析

        3.1 缺陷分布

        對(duì)引水隧洞缺陷在不同洞段的分布情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)收集和整理。結(jié)果顯示,存在43處缺陷于隧洞上平段,存在21處缺陷于隧洞斜井段,存在44處缺陷于隧洞下平段。此外,由于在中平段靠后位置處通過鋼板進(jìn)行了襯砌,因此未在該位置處發(fā)現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)缺陷。

        圖1為裂縫在沿隧道軸線方向的分布情況??梢钥闯觯芽p主要分布在上平段和下平段,斜井段裂縫數(shù)量較少。裂縫分布最密集區(qū)域位于下平段380~480 m范圍內(nèi),因此該區(qū)間內(nèi)的隧洞風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較高,在實(shí)際工程施工和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮必要的加固措施。在隧洞長度40~220 m范圍內(nèi),缺陷數(shù)量在5個(gè)以上,且分布較為穩(wěn)定。相對(duì)而言,斜井段即隧道軸線中部位置處裂縫數(shù)量相對(duì)較少,普遍未超過5個(gè)。

        圖1 沿軸線方向裂縫分布規(guī)律圖

        圖2 展示了缺陷在不同隧洞斷面的分布情況。從圖中可以看出,缺陷主要分布于洞頂位置處,而缺陷數(shù)量最少的為洞底位置處。上平段洞頂位置缺陷數(shù)量達(dá)到了35 個(gè),下平段洞頂位置達(dá)到了32 個(gè),斜井段洞頂位置缺陷數(shù)量達(dá)到了12 個(gè)。左洞腰、右洞腰和洞底位置處的缺陷數(shù)量均未超過5個(gè)。

        圖2 隧洞斷面缺陷分布規(guī)律圖

        圖3展示了不同缺陷類型在各洞段的分布情況。從圖3中可以看出,點(diǎn)滲漏缺陷類型主要分布于斜井段,數(shù)量達(dá)到了7個(gè)。裂縫缺陷類型主要分布于上平段和下平段,均超過了30處,相對(duì)來說于斜井段分布較少,數(shù)量為16個(gè)。結(jié)構(gòu)縫滲水缺陷類型主要分布于上平段,數(shù)量達(dá)到了10個(gè),而斜井段結(jié)構(gòu)縫滲水缺陷最少,數(shù)量為2 個(gè)??傮w來說,各洞段的主要缺陷類型為裂縫缺陷。出現(xiàn)這種現(xiàn)象,可能與引水隧洞的施工過程有關(guān),在施工時(shí)通常由洞頂施工,最后施工洞底,在洞頂與洞腰間由于混凝土的收縮會(huì)形成類似施工縫的“反縫”,因而在后期導(dǎo)致裂縫增多。

        圖3 不同缺陷類型在各洞段的分布規(guī)律圖

        3.2 裂縫特征

        圖4 展示了隧洞內(nèi)不同長度裂縫的分布情況。從圖中可以看出,上平段內(nèi)主要為中、長裂縫,超過5 m的裂縫數(shù)量達(dá)到了37條,無小于2 m的裂縫出現(xiàn)。斜井段三種裂縫類型分布較為均勻,數(shù)量均在5條左右。下平段裂縫分布規(guī)律與上平段類似,無長度小于2 m的裂縫分布,中、長裂縫數(shù)量基本相當(dāng)。

        圖4 隧洞內(nèi)不同長度裂縫分布規(guī)律圖

        圖5展示了隧洞內(nèi)各斷面不同裂縫的分布情況。從圖中可以看出,超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處,而洞底裂縫數(shù)量較少,主要為小于2 m的裂縫,左、右洞腰裂縫數(shù)量基本相當(dāng)。

        圖5 隧洞各斷面不同長度裂縫分布情況圖

        3.3 缺陷原理分析

        由于受到隧洞上覆巖層的影響,引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的荷載作用。若引水隧洞的埋深較淺,則在計(jì)算時(shí)往往不需要考慮地層的構(gòu)造作用,因此其圍巖應(yīng)力特點(diǎn)與彈性理論應(yīng)力狀態(tài)較為接近,其應(yīng)力可以通過下式確定:

        式中:σz表示垂直方向的主應(yīng)力。σx和σy分別表示兩個(gè)水平方向的主應(yīng)力。γ表示土體容重。K0表示靜止土壓力系數(shù),通常取0.25~0.4。μ表示泊松比,通常在0.2~0.3 之間。從上式可以看出,圍巖垂直方向的主應(yīng)力通常大于水平方向主應(yīng)力。

        由于引水隧洞頂部的垂直壓力荷載相較于洞腰的水平荷載更大,使得襯砌結(jié)構(gòu)洞頂內(nèi)側(cè)存在較大的拉引力,故而導(dǎo)致在洞頂位置處出現(xiàn)較長的受拉裂縫。此外,由于水平段內(nèi)受圍巖自重的影響程度遠(yuǎn)大于斜井段,因此也導(dǎo)致了斜井段缺陷數(shù)量相較于水平段較少。

        4 結(jié)論

        為檢測(cè)引水隧洞的表觀缺陷,文中基于三維激光掃描儀和點(diǎn)云成像技術(shù),提出了一種完整的隧洞表觀缺陷檢測(cè)方案,對(duì)隧洞缺陷分布特點(diǎn)進(jìn)行研究。得到如下結(jié)論:引水隧洞共發(fā)現(xiàn)108處缺陷,包含裂縫、滲水等缺陷類型。滲漏點(diǎn)為19處,主要分布于下平段后段位置處;裂縫共89 條,裂縫長度在0.45~9.72 m范圍內(nèi)。滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫,存在鈣質(zhì)析出的情況。隧洞上平段有43處缺陷,隧洞斜井段有21處缺陷,隧洞下平段有44 處缺陷。裂縫分布最密集區(qū)域位于下平段380~480 m 范圍內(nèi),工程施工和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮必要的加固措施。超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處,洞底裂縫數(shù)量較少,主要為小于2 m的裂縫,左、右洞腰裂縫數(shù)量基本相當(dāng)。

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