基于三维激光扫描技术的地铁隧道健康检测与安全性评估应用

朱杭琦，徐亮亮，方秀友，赵思仲

（1.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101；2.城市轨道交通深基坑岩土工程北京市重点实验室，北京 100101）

随着城市规模的不断扩大，地铁已成为人们出行的主要交通工具，因此，近年来全国地铁建设蓬勃发展。据统计，截至2022年2月，共有51个城市开通并运营272条地铁线路，运营里程达8 819 km。面对如此庞大的地下交通网络，地铁隧道结构全生命运营周期的安全性显得尤其重要。为了保障地铁安全运营，隧道结构监测工作必不可少。而传统的监测手段具有工作量大、周期长、对环境影响大、监测成果单一等特点，难以适应日益增强的隧道监测市场需求（陆培庆等，2020）。为了使隧道结构监测高效、准确、便捷、经济，三维激光扫描技术得到广泛应用。Han等人（2013）提出一种利用地面三维激光扫描技术扫描隧道并提取横断面的方法，并使用全站仪在中线点上架站，对隧道断面进行实地测量，与扫描测量结果进行对比，结果表明使用地面三维激光扫描技术获取隧道断面相比于全站仪测量大大缩短了外业测量时间，且测量精度不低于全站仪测量精度；魏小佳等（2015）等依托三维激光扫描技术获取公路隧道点云影像特征，分析隧道变形；邓洪亮等（2012）将三维激光扫描技术应用于高铁隧道，分析隧道的净空收敛和拱顶沉降等变化规律；李珵等（2013）将三维激光扫描技术与常规测量方法相结合，监测隧道收敛及运营期变形情况，并进行精度分析与验证。当前，基于轨道小车的移动式三维激光扫描作为一项技术革新，国内地铁隧道领域研究甚少（夏金周，2019）。因此，需要大量的实践才能将其应用于地铁隧道的安全性评估中。

本文以某市地铁隧道上浮为例，在人工监测的基础上，基于移动式三维激光扫描技术和地质雷达技术，结合现状调查，系统的获取该隧道的结构形态及病害情况，对当前轨道轨距、水平的尺寸偏差是否满足工务维修规则的要求做出评价；通过Midas软件建立模型计算承载力极限值，对该隧道进行安全性评估。

1 安全性评估方法

根据GB/T 39559.3-2020《城市轨道交通设施运营监测技术标准第3部分：隧道》，隧道运营评价包括技术状况评价、结构安全评价及运营性能评价。

依托结构监测竖向位移及净空收敛数据，找出异常值，明确异常区域；然后在安全性评估前对隧道做全面的现状检测，包括隧道结构的椭圆度、管片错台、管片渗漏水、裂缝、管片破损、道床裂缝等表观病害信息，以及隧道壁后的空洞与道床脱空情况、收敛、限界等；再结合周边环境调查（包括地形地貌、建构筑物）获取运营期间隧道上部工况；最后建立模型评价隧道应力状态，对隧道安全性做出评估。

2 工程实例

2.1 工程背景

某市地铁区间隧道采用盾构法施工，设计起止里程为K15+120—K15+753，区间长度为633 m。该地区表层主要为第四系填土，下为冲洪积黏土（具有弱膨胀性），下伏第三系粉砂岩。地下水主要为上层滞水、孔隙裂隙水、基岩裂隙水，较为贫乏。隧道结构主要位于黏土层中。

依据隧道长期运营监测数据显示，该里程段竖向位移累计变量最大值达+30.9 mm，区间存在较大上浮情况。

依据CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，隧道变形已超过控制值。现场巡视发现区间隧道存在道床积水、排水沟开裂、道床脱空、管片结构破损、隧道结构渗漏水等病害。

2.2 隧道结构检测

2.2.1 地质雷达扫描

针对隧道病害特征，采用地质雷达探测方法进行道床与底板剥离检测。地质雷达工作原理如图1所示。

图1 地质雷达工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the working principle of geological radar

根据现场地铁线路附属设施的安装情况在盾构隧道断面设置4条雷达测线，测线位置如图2所示。

图2 测线布置断面图（红点代表雷达测线）Fig.2 Cross-sectional view of survey line layout(red dots represent radar survey lines)

根据地质雷达探测成果，隧道区间道床和结构底板之间均未发现明显剥离情况，在左线K15+586里程发现1处道床内部结构缺陷，长约0.8 m，深度0.35 m，详见图3。

图3 雷达信号异常图像Fig.3 Abnormal image of radar signal

2.2.2 三维激光扫描

1）隧道椭圆度测量

采用三维激光扫描全断面测量，将扫描点云数据经里程纠正、正射投影、断面解算及判读识别等处理步骤后，获得隧道的空间坐标、几何尺寸、隧道影像、断面变形、漫游视频等丰富测量成果，实现对隧道结构的“实景复制”和“CT扫描”。

小额诉讼程序的这一性质界定，需要在立法上进行回应，而2012年8月刚通过了民诉法修正案，要想在短时间内再修改，恐怕是不切实际的。因此，替代的方法只能进行法解释。鉴于小额诉讼解释涉及小额诉讼程序的具体规范，笔者认为不宜由最高司法机关出台司法解释，而应当启动最高立法机关的立法解释，原因有二:其一，对小额诉讼的解释，涉及对小额诉讼程序的再造，有类似立法的功效，由立法机关解释可能有效地消除司法解释可能突破法律规定的尴尬;其二，由最高立法机关解释，可以有效调集多方法曹的智慧和热情，使关于小额诉讼制度的解释更具正当性和权威性，避免由最高司法机关解释受到“法院本位”的指责。

该区间上行线共有盾构环409环，下行线共有盾构环412环。区间椭圆度统计结果见表1。

表1 区间椭圆度统计表Tab.1 Statistical table of interval ovality

2）管片错台测量

利用三维激光扫描点云量算获取管片的环向、径向错台量，输出CAD断面并在隧道内壁影像图上标注环间错台量。其中：环向错台量选择错台＞7 mm、连续弧长＞1 m位置处的平均错台量，径向错台选择指定里程位置处多个管片接缝之间的最大错开量（不包含遮挡部分）。

经统计，共检测得超限环间错台（≥15 mm）68处。部分统计信息如表2所示，其中环片宽度为1.5 m，隧道内径为5.4 m，两点间最大间隔为10 mm。

表2 环间错台超过15 mm统计表（部分）Tab.2 Statistical table for the misalignment between the rings exceeding 15 mm(part)

3）渗漏水调查

通过三维激光扫描影像和现场人工巡查方式相结合，巡检隧道内壁、排水沟、旁通道等重点部位（含道床结构）。扫描影像见图4。

图4 区间渗漏水影像图Fig.4 Image of section leakage

检测范围内共发现35处湿渍，其中上行19处渗漏水，14处管片破损，下行16处渗漏水，20处管片破损。均位于区间管片拼装缝和螺栓孔处。

3 地铁隧道安全性评估分析

3.1 模型概况

根据该区间出现上浮的影响范围，建立三维有限元精细化模型（图5），重点考虑既有上浮变形产生的结构附加应力。计算模型中周围土体采用实体单元，顶面边界条件为自由边界，其他面均采取法向约束。仅考虑正常使用工况，且假定隧道结构为线弹性材料，结构与土体之间符合变形协调原则。各地层的计算参数取值主要依据工程经验和工程地质勘察报告综合分析确定。

图5 三维隧道计算模型图Fig.5 3D tunnel calculation model diagram

3.2 数值计算

选取5个不同上浮变形最大截面计算，如表3所示。

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

3.2.1 纵向模型计算

根据地铁既有变形曲线，对整体模型施加纵向位移荷载，计算结构纵向应力值。施加位移荷载后，纵向应力结果云图见图6。

图6 纵向应力云图Fig.6 Longitudinal stress nephogram

计算结果显示，在目前上浮变形条件下，地铁隧道纵向应力大小变化较小，最大压应力27 MPa，最大拉应力-0.74 MPa，依据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》，隧道结构应力大小在混凝土允许应力范围之内。

3.2.2 横向模型计算

为了隧道结构受力，针对上浮段变形较大截面建立平面模型将强制位移施加在计算模型上，反算出隧道结构的内力，然后验算结构裂缝宽度。隧道弯矩及轴力计算结果见图7。

图7 隧道弯矩及轴力计算结果云图Fig.7 Cloud diagram of calculation results of tunnel bending moment and axial force

依据隧道结构内力计算结果，对施工变形稳定后的裂缝宽度进行验算，结果如表4所示。根据GB 50157-2013《地铁设计规范》及GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》，上浮变形影响范围内隧道结构产生了一定的附加应力，断面计算内力能够满足0.2 mm裂缝宽度要求。

表4 施工变形稳定后裂缝宽度验算结果汇总表Tab.4 Summary of crack width checking results after construction deformation is stabilized

4 结论

1）依据地质雷达及三维激光扫描成果显示，该区间隧道初始总体技术状况评定为4类；隧道纵向受力是安全的。上浮最大段的隧道结构横向结构内力有一定增加，混凝土内力在允许值范围之内，裂缝宽度能够满足要求，但在K15+350—K15+503段由于横向内力增大，内力接近/达到限值。隧道结构安全评价为A类；结合施工期间隧道椭圆度和错台情况，当前行车影响评价等级调整为Ⅱ类。总体来说，隧道当前处于稳定状态。对上浮较大区段（K15+350—K15+503）结构与轨道的变形应持续监测，直至变形稳定。

2）本文引入三维激光扫描技术，对隧道全断面进行了三维全景检测，得到了点云数据，并以此获取了隧道全景影像，为地铁隧道监测提供了快速、高效的解决方案，也为地铁隧道结构安全性提供了数据支撑。

3）通过数值模拟技术，建立模型模拟隧道应力分布，进而反算出隧道结构的内力，并验算结构裂缝宽度等技术指标，定量地对隧道结构稳定性做出了评价。