基于点云数据的地铁盾构隧道管片错台量与接缝张开量的检测与分析*

郭 飞 艾中亮 鲍 艳** 孔 恒 裴乐君

(1.北京市政建设集团有限责任公司,100045,北京;2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,100124,北京∥第一作者,高级工程师)

地铁盾构隧道(以下简称“盾构隧道”)在竣工期往往会出现椭圆度超限、管片接缝处错台及衬砌管片接缝张开量过大等病害,因此对竣工隧道管片拼装质量进行检测尤为重要[1]。根据盾构隧道衬砌管片结构安装拼接的特点,当错台过大时,会导致相应接缝处的张开量加大,甚至发生混凝土掉块[2]等情况。隧道衬砌管片的防水性能也会随着接缝张开量和错台的增大而减小[3]。文献[4-6]开展了现场检测管片错台具体发生位置、错台控制技术、管片错台原因及防治措施等方面的研究。文献[7]则从数值模拟的角度分析了隧道管片接缝的应力和变形状态。

目前对于现场检测管片接缝处张开量的相关研究甚少,大多数学者都是通过数值模拟的手段进行盾构隧道接缝张开量的分析。现场检测管片错台的方法大多采用目测错台发生的位置、运用塞尺现场量测的方式,拱顶需借助于升降台车方能检测,管片接缝处张开量只能用游标卡尺进行抽检或基于应变计进行测量,其检测的效率和覆盖率均极低。为了高效检测地铁竣工隧道的管片拼装质量,本文提出基于点云数据提取盾构隧道衬砌管片接缝张开量的检测方法,以期为盾构隧道施工、竣工验收和运营维护提供技术支撑。

1 管片错台与管片接缝张开机理

管片错台指盾构隧道2个衬砌管片拼接处产生相对高差的现象。管片接缝张开量指2个衬砌管片拼接处产生的相对位移值。由于盾构隧道管片拼接的结构特点,管片接缝张开量发生变化必定导致管片错台。因此,可通过管片错台的点云数据突变情况来判断管片接缝张开位置,进而判断管片接缝张开量的大小。

2 管片环内错台与接缝张开量分析

盾构隧道衬砌管片环内错台及其接缝张开量主要基于同一环高密度的隧道断面点云数据进行分析。根据空间切割理论,将同一环内的高密度断面点云数据提取出来,利用极坐标的方式将断面点云数据在二维断面上展开并进行分析,根据断面点云数据的连续性来判断隧道同一环相邻管片是否有错台情况,进而判断管片接缝宽度值的变化。本文将测量得到的管片接缝宽度值与设计值的差值作为管片接缝的张开量。

图1为管片环内断面拼装示意图。如图1所示:该环断面由1块封顶块(F)、2块邻接块(L1、L2)及5块标准块(B1、B2、B3、B4、B5)拼装而成。若L1型管片和F型管片间(点1处)发生了环内错台,其最明显的特征是L1型管片下边缘末端的B点与断面中点O的距离、F型管片上边缘末端的A点与断面中点O的距离间存在差值,其差值即为管片的错台量。

图1 管片环内断面拼装示意图

为提高检测效率,本文首先计算管片断面上所有点到断面中心点O的距离D,再计算出D与断面设计半径值的差值Δ环内,Δ环内即为错台处管片接缝的张开量。根据每个点对应的弧度值α及Δ环内,建立以α为横轴、Δ环内为纵轴的坐标系,根据Δ环内有无突变判断环内是否发生错台,其突变大小即为错台量。最后在发生错台处计算管片接缝的张开量Δ环内。

3 管片环间错台与接缝张开量分析

盾构隧道的管片环间错台及其环间接缝张开量主要基于隧道内衬砌的纵向相邻2个环数对应的管片,对隧道相邻2个环数对应的轴向点云数据进行分析。通过提取相邻2个环数轴向的点云数据,检验断面内各点的点云数据是否存在数据突变,根据点云数据的突变量来判断管片环间的错台情况,进而计算错台处接缝的张开量。

衬砌管片环间错台量与接缝张开量的计算原理如图2所示。若纵向相邻的2个管片(N环及M环)的连接处发生了管片环间错台,此时最重要的特征是在N环尾部的P点与M环始部的Q点到某一条直线(图2的虚线)的距离(分别为lPS、lQT)发生了突变,该突变量大小(lPS与lQT的差值)即为管片环间错台量。设N环和M环管片接缝处的缝宽为δ,将δ与管片环间拼接缝宽度设计值之差作为管片环间接缝的张开量Δ环间。

图2 衬砌管片环间错台量与接缝张开量原理图

4 工程应用案例

本文采用徕卡三维激光扫描仪(型号为徕卡P40)获取盾构隧道的点云数据,以我国某城市地铁新机场线某盾构区间工程为工程应用案例。该盾构段采用平板型单层钢筋混凝土管片衬砌,隧道盾构段区间线路长度为13.566～19.375 m,隧道左、右线的水平净距为4.766～10.575 m,覆土厚度为8.7～19. 0 m,最小坡度为3.5‰。

4.1 隧道横断面点云数据的处理

提取隧道横断面点云数据,用以作为对比衬砌横断面横纵收敛值、计算椭圆度、检验衬砌管片是否错台及计算管片接缝张开量的基础,因此,对隧道断面数据提取的效率、精度有较高的要求。通过对案例区段的点云数据进行抽稀处理,并对横断面数据提取时间进行统计,发现点云数据抽稀距离(即点云抽稀处理后点云中点与点的间距)与数据存储量、有效点云数量、横断面点云数量及横断面数据提取时间等均呈指数关系,如图3所示。

图3 点云数据抽稀距离与断面数据提取相关参数的关系图

由图3可知,点云数据抽稀距离与断面数据提取相关的4个参数(数据存储量、有效点云数量、横断面点云数量及横断面数据提取时间)间的关系为:①抽稀距离为0～0.025 m时,4个参数均呈指数型函数下降;②抽稀距离为0.025～0.200 m时,4个参数下降幅度并不明显;③抽稀距离大于等于0.200 m时,4个参数均不能够有效支持本算法,难以提取隧道横断面点云数据。其中,点云数据抽稀距离为0.025 m时的数据存储量为11.3 MB,有效点云数量为17.9万个,横断面点云数量为505个,横断面数据提取时间为2.4 s,该抽稀距离已是本算法能够有效执行的最小抽稀距离。

因此,利用三维激光扫描仪进行隧道断面点云数据的提取时,本文建议将获取隧道点云数据的抽稀距离设为0.025 m,这样导出来的4个参数值均较为适宜,既能保证断面数据提取的精度,也能保证断面数据提取的效率。

4.2 隧道断面椭圆度分析

为了提高检测效率,将获取的隧道点云数据进行抽稀,提取横断面数据,进而分析隧道断面椭圆度。该隧道的设计直径为7.9 m,选取了0.010 m、0.008 m及0.004 m 3个断面厚度(断面的切面宽度),分析不同断面厚度下抽稀距离与隧道断面椭圆度的关系,其计算结果如图4所示。

由图4可知:①随着抽稀距离的增加,隧道断面椭圆度逐渐减小;②抽稀距离为0～0.025 m时,不同断面厚度对于隧道断面椭圆度的影响可忽略。考虑处理数据的效率,建议断面厚度取0.008 m。

4.3 衬砌管片环内错台与接缝张开量分析

本文选取隧道盾构段区间某横断面中具有代表性的一段弧长,以管片展开后的数据处理结果为例进行详细说明,如图5所示。该横断面采用了图1的拼装方式。将图1和图5二者结合,标注出8个关键的测点:1#点(8°附近)为F管片与L1管片拼接处;2#点(57°附近)为L1管片与B2管片拼接处;3#点(106°附近)为B1管片和B2管片拼接处;4#点(156°附近)为B2管片和B3管片拼接处;5#点(204°附近)为B3管片和B4管片拼接处;6#点处(253°附近)为B4管片和B5管片拼接处;7#点(302°附近)为B5管片和L2管片拼接处;8#点(351°附近)为L2管片和F管片拼接处。

图5 某横断面管片半径收敛值与管片展开长度的关系

由图5可知:3#点、4#点及7#点处无明显突变现象,可认为这3个测点处管片拼接良好,无错台和接缝张开的现象发生;其余5个测点处错台量较大。将这5个位置的散点图放大,并将散点数据分段进行线性拟合,得到这5个测点的错台量及接缝张开量放大图,如图6所示。

由图6可得到管片环内错台量及接缝张开量的大小,也可判断出该环管片的变形趋势。本案例工程中的管片环内接缝设计宽度为23 mm,图6中平行于横轴的双向箭头线所标注的即为管片环内接缝宽度,平行于纵轴的双向箭头线即为环内错台量。在图6的5个明显的突变位置中,8#点的突变量最大,其错台量为5.5 mm。根据接缝张开量的定义,接缝张开量为管片的实测接缝宽度值与设计值(5.0 mm)之差,则可得到接缝张开量为0.5 mm,这说明L2管片与F管片间有向内扩张的变形趋势;同理可得6#点处的接缝张开量为-0.5 mm,这说明B4管片与B5管片间有向内压缩的变形趋势。

4.4 衬砌管片环间错台与接缝张开量分析

检测时可对极坐标为0°～360°范围内任意角度的环间错台量与接缝张开量进行提取。经筛选,选取相邻的3环管片,提取出极坐标对应角度为0°的轴向点云数据,进行管片环间错台量与接缝张开量分析。图7为管片环间点云数据的处理过程,首先提取本案例盾构区间段的轴向点云数据;然后将空间中的隧道点云数据进行旋转和平移,使盾构隧道点云数据的轴线平行于坐标y轴,得到旋转投影后的点云数据(见图7 b))。

基于图7的点云数据,得到管片环间错台量与接缝张开量的计算结果,如图8所示。图8中,由于本研究取相对值,取第2环上测点沿隧道轴线往第3环方向的里程取为正。由图8 a)可看出:第1环和第2环之间(K点)、第2环和第3环之间(L点)都发生了环间错台现象;2个错台发生位置相距1.6 m,与管片的宽度1.6 m一致;第1环内部的J点处发生了突变,这是由于此处有螺栓孔,检测时误将此突变认为是隧道病害。为了更加直观地显示K点及L点处的错台量和接缝张开量,进一步将这2处错台发生位置进行放大处理,并将散点数据分段进行线性拟合,其结果如图8 b)及图8 c)所示。

本案例工程中的管片环间接缝设计宽度为24 mm,图8中平行于横轴的双向箭头线所标注的即为管片环间接缝宽度,平行于纵轴的双向箭头线即为环间错台量。由图8可知:K点处的管片错台量为4 mm。根据接缝张开量的定义,接缝张开量是将测量得到的管片接缝宽度值与其设计值作差,由此可得到张开量为1 mm。同理可得L点处的管片错台量为7 mm,张开量为-1 mm。计算结果表明:第1环管片与第2环管片有向内扩张的变形趋势,第2环管片与第3环管片有向内压缩的趋势。

5 结语

本文利用点云数据提取了盾构隧道衬砌管片环间和环内错台量与接缝张开量,实现了基于三维激光扫描技术提取盾构隧道衬砌管片接缝张开量的快速检测方法。该方法行之有效,但对获取点云数据的设备性能要求较高。改进算法以实现衬砌管片接缝张开量的检测,是下一阶段的研究重点工作。本研究的试验数据是竣工隧道点云,如将该方法应用到已运营的隧道线路中将具有更好的适用性,可为因列车振动导致病害加剧的隧道提供有效的检测方法。