基于三维激光扫描仪的隧洞表观缺陷检测研究

杨保成

新疆水利发展投资（集团）有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000

1 引水隧洞缺陷检测方法

1.1 工程背景

文中依托某水电站引水隧洞工程项目，该隧洞全长约520 m，中上段长度约为195.20 m，存在8%的下降坡度，洞径为9 m。斜井段长度为85.20 m，与水平线夹角为55°。该隧洞的上平段底板高层为750 m，下平段高程为641 m，衬砌形式包含钢筋混凝土衬砌结构和钢板衬砌结构两种类型。通过将三维激光扫描仪搭载于巡检机器人中进行衬砌的表观巡检，以获取在隧洞运行期间的表观缺陷。

1.2 三维激光扫描原理

三维激光扫描仪主要包含两部分，分别为激光测距仪和反射棱镜。工作时，激光测距仪发射激光，再根据接收到的反射信号进行测距，通过不同水平和垂直方向角的斜距测量配合，获得扫描点的空间相对坐标。

1.3 缺陷检测方法

引水隧洞的水平段和斜井段缺陷检测由巡检机器人完成。该巡检机器人的单元系统由多种检测传感器集成而成，地面控制单元对爬行器单元下传控制命令，然后再将传感器获得的数据上传。布设三维激光扫描测站，间距设为10 m，当巡检机器人移动至测站后进行停留，由三维激光扫描仪进行扫描，扫描时间控制不超过10 min。此外，为保证巡检机器人进入测站后能保持静止，在上平段靠近斜井段位置处安装机器人牵引固定锚点，通过锚点对安全绳进行固定。

2 检测结果后处理

2.1 数据处理

为减小采集到的数据处理误差，基于扫描到的图像特征，通过三维重建方法和提取图像序列的特定算法，结合点云网格化完成目标三维模型的构建。该方法的实现主要分为六步，第一步为建立工程文件，第二步为原始数据的导入，第三步为定位点云数据，第四步为点云数据的拼接，第五步为处理成果图像，第六步为缺陷标识的检测。

根据特征点云完成图像拼接是数据处理的核心。通过相同特征点云对相邻两站数据进行拼接，并将基准站设为第一站，逐次进行每个测站的数据拼接。最后，对每个站的数据精度进行检查，从而实现对巡检成果的真实反映。

2.2 缺陷标定与解析

基于实测点云数据，对隧洞实测中轴线进行拟合，并对比以往的实测数据，以对隧洞体型变化情况进行分析。将检测数据进行收集和整理后，该引水隧洞共发现108 处缺陷，包含裂缝、渗水等缺陷类型。其中，渗漏点为19 处，主要分布于下平段后段位置处，裂缝共89条，裂缝长度在0.45～9.72 m范围区间内。此外，观察引水隧洞混凝土表面可以发现，渗水裂缝主要为线状微渗水裂缝，并存在钙质析出的情况出现。

3 缺陷规律分析

3.1 缺陷分布

对引水隧洞缺陷在不同洞段的分布情况进行了数据收集和整理。结果显示，存在43处缺陷于隧洞上平段，存在21处缺陷于隧洞斜井段，存在44处缺陷于隧洞下平段。此外，由于在中平段靠后位置处通过钢板进行了衬砌，因此未在该位置处发现存在结构缺陷。

图1为裂缝在沿隧道轴线方向的分布情况。可以看出，裂缝主要分布在上平段和下平段，斜井段裂缝数量较少。裂缝分布最密集区域位于下平段380～480 m范围内，因此该区间内的隧洞风险系数较高，在实际工程施工和设计时应考虑必要的加固措施。在隧洞长度40～220 m范围内，缺陷数量在5个以上，且分布较为稳定。相对而言，斜井段即隧道轴线中部位置处裂缝数量相对较少，普遍未超过5个。

图1 沿轴线方向裂缝分布规律图

图2 展示了缺陷在不同隧洞断面的分布情况。从图中可以看出，缺陷主要分布于洞顶位置处，而缺陷数量最少的为洞底位置处。上平段洞顶位置缺陷数量达到了35 个，下平段洞顶位置达到了32 个，斜井段洞顶位置缺陷数量达到了12 个。左洞腰、右洞腰和洞底位置处的缺陷数量均未超过5个。

图2 隧洞断面缺陷分布规律图

图3展示了不同缺陷类型在各洞段的分布情况。从图3中可以看出，点渗漏缺陷类型主要分布于斜井段，数量达到了7个。裂缝缺陷类型主要分布于上平段和下平段，均超过了30处，相对来说于斜井段分布较少，数量为16个。结构缝渗水缺陷类型主要分布于上平段，数量达到了10个，而斜井段结构缝渗水缺陷最少，数量为2 个。总体来说，各洞段的主要缺陷类型为裂缝缺陷。出现这种现象，可能与引水隧洞的施工过程有关，在施工时通常由洞顶施工，最后施工洞底，在洞顶与洞腰间由于混凝土的收缩会形成类似施工缝的“反缝”，因而在后期导致裂缝增多。

图3 不同缺陷类型在各洞段的分布规律图

3.2 裂缝特征

图4 展示了隧洞内不同长度裂缝的分布情况。从图中可以看出，上平段内主要为中、长裂缝，超过5 m的裂缝数量达到了37条，无小于2 m的裂缝出现。斜井段三种裂缝类型分布较为均匀，数量均在5条左右。下平段裂缝分布规律与上平段类似，无长度小于2 m的裂缝分布，中、长裂缝数量基本相当。

图4 隧洞内不同长度裂缝分布规律图

图5展示了隧洞内各断面不同裂缝的分布情况。从图中可以看出，超过5 m的裂缝主要分布于洞顶位置处，而洞底裂缝数量较少，主要为小于2 m的裂缝，左、右洞腰裂缝数量基本相当。

图5 隧洞各断面不同长度裂缝分布情况图

3.3 缺陷原理分析

由于受到隧洞上覆岩层的影响，引水隧洞衬砌结构主要受到水平应力和垂直应力的荷载作用。若引水隧洞的埋深较浅，则在计算时往往不需要考虑地层的构造作用，因此其围岩应力特点与弹性理论应力状态较为接近，其应力可以通过下式确定：

式中：σz表示垂直方向的主应力。σx和σy分别表示两个水平方向的主应力。γ表示土体容重。K0表示静止土压力系数，通常取0.25～0.4。μ表示泊松比，通常在0.2～0.3 之间。从上式可以看出，围岩垂直方向的主应力通常大于水平方向主应力。

由于引水隧洞顶部的垂直压力荷载相较于洞腰的水平荷载更大，使得衬砌结构洞顶内侧存在较大的拉引力，故而导致在洞顶位置处出现较长的受拉裂缝。此外，由于水平段内受围岩自重的影响程度远大于斜井段，因此也导致了斜井段缺陷数量相较于水平段较少。

4 结论

为检测引水隧洞的表观缺陷，文中基于三维激光扫描仪和点云成像技术，提出了一种完整的隧洞表观缺陷检测方案，对隧洞缺陷分布特点进行研究。得到如下结论：引水隧洞共发现108处缺陷，包含裂缝、渗水等缺陷类型。渗漏点为19处，主要分布于下平段后段位置处；裂缝共89 条，裂缝长度在0.45～9.72 m范围内。渗水裂缝主要为线状微渗水裂缝，存在钙质析出的情况。隧洞上平段有43处缺陷，隧洞斜井段有21处缺陷，隧洞下平段有44 处缺陷。裂缝分布最密集区域位于下平段380～480 m 范围内，工程施工和设计时应考虑必要的加固措施。超过5 m的裂缝主要分布于洞顶位置处，洞底裂缝数量较少，主要为小于2 m的裂缝，左、右洞腰裂缝数量基本相当。