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(天津市勘察院， 天津 300191)

運(yùn)營(yíng)地鐵線路結(jié)構(gòu)受各地區(qū)地質(zhì)、水文和氣候等因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)原因復(fù)雜的多種病害[1-2]。隨著基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，時(shí)常會(huì)有新建工程與城市已運(yùn)營(yíng)地鐵線路相鄰近的情況出現(xiàn)。對(duì)原有地鐵線路的健康狀況進(jìn)行合理的檢測(cè)和評(píng)估，可以為鄰近新建工程的施工以及原有地鐵線路的安全運(yùn)營(yíng)提供參考[3-4]。

混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)主要包括無(wú)損檢測(cè)和局部破損檢測(cè)等方法[5]。檢測(cè)的內(nèi)容主要包括結(jié)構(gòu)損傷、裂縫等病害的檢測(cè)，以及強(qiáng)度檢測(cè)，其中強(qiáng)度檢測(cè)非常重要。通過(guò)混凝土表面硬度與強(qiáng)度的密切關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其強(qiáng)度的檢測(cè)，回彈法便是其中較常用的檢測(cè)方法。回彈法具有方便快捷、精度較高以及費(fèi)用較低等特點(diǎn)。魏連雨等[6]采用中型和高強(qiáng)型回彈儀對(duì)C50～C80混凝土試塊進(jìn)行回彈檢測(cè)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，分別建立了相應(yīng)的測(cè)強(qiáng)曲線并驗(yàn)證其適用性。張小瓊等[7]從混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和缺陷出發(fā)，綜合介紹了無(wú)損檢測(cè)混凝土的多種方法，其中也包括回彈法。劉淑娟[8]采用回彈法對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度試塊進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，建立了相應(yīng)的測(cè)強(qiáng)曲線，并對(duì)其所適用的強(qiáng)度段進(jìn)行了研究。

三維激光掃描技術(shù)利用激光測(cè)距的原理，記錄被掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而可以快速建立被掃描物體的三維模型以及線、面、體等圖像數(shù)據(jù)。李珵等[9]通過(guò)對(duì)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，提出了基于激光點(diǎn)云的隧道斷面連續(xù)提取方法。梅文勝等[10]將三維激光掃描儀與軌檢小車相結(jié)合，對(duì)運(yùn)營(yíng)期的地鐵隧道斷面進(jìn)行測(cè)量，總結(jié)了測(cè)量信息的提取方法。

某運(yùn)營(yíng)地鐵鄰近有一個(gè)即將新建的基坑工程，為了探究此已運(yùn)營(yíng)地鐵結(jié)構(gòu)鄰近基坑區(qū)段的現(xiàn)狀，筆者采用回彈法和三維激光掃描技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)及調(diào)查，從而為地鐵的安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

1 工程概況

該工程涉及既有地鐵里程范圍為AK14+950～AK15+325，涉及地鐵隧道區(qū)間及車站，并將此里程范圍分為區(qū)間、車站公共區(qū)、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段4個(gè)部分，其中區(qū)間和車站公共區(qū)為此新建工程的影響段，共210 m，車站設(shè)備區(qū)和車站渡線段為輔助段，共165 m，里程分段及其與新建基坑工程相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 某工程地鐵里程分段及其與新建基坑工程相對(duì)位置關(guān)系示意

2 回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度

2.1 回彈法技術(shù)原理

回彈法是利用回彈儀對(duì)混凝土表面進(jìn)行彈擊以獲取回彈值，回彈值的大小主要取決于與混凝土彈塑性性能有密切關(guān)系的回彈能量。同時(shí)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的酚酞酒精溶液和碳化深度尺對(duì)混凝土碳化深度進(jìn)行測(cè)量，以得出混凝土強(qiáng)度的換算值，進(jìn)而計(jì)算其強(qiáng)度推定值。作為無(wú)損檢測(cè)方法的一種，其獲取的數(shù)據(jù)樣本量大，能夠很好地反映出混凝土的均質(zhì)性和變異性。

2.2 儀器設(shè)備

檢測(cè)儀器有：回彈儀、鋼筋探測(cè)儀、1%酚酞酒精溶液、碳化深度尺、電鉆、吹球、鋼砧。

采用的回彈儀是山東省樂(lè)陵市回彈儀廠生產(chǎn)的型號(hào)為ZC3-A的中型回彈儀，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 回彈儀主要技術(shù)參數(shù)表

2.3 檢測(cè)范圍及測(cè)區(qū)布設(shè)

根據(jù)里程范圍及工程要求確定該工程的檢測(cè)范圍，按照相關(guān)規(guī)范JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》的要求進(jìn)行測(cè)區(qū)布設(shè)，具體見(jiàn)表2。

2.4 檢測(cè)結(jié)果

為了更加清晰地了解隧道和車站結(jié)構(gòu)各箱體(構(gòu)件)不同部位的混凝土強(qiáng)度，分別對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)里程范圍內(nèi)隧道和車站的側(cè)壁、道床、隔離柱以及車站站臺(tái)的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)各測(cè)區(qū)測(cè)得的回彈值及碳化深度，可以根據(jù)規(guī)范JGJ/T 23-2011查得混凝土抗壓強(qiáng)度換算值，然后計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度推定值。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3(fcu,e為混凝土強(qiáng)度推定值)。

表2 工程檢測(cè)范圍及測(cè)區(qū)布設(shè)

表3 各區(qū)段混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，此地鐵結(jié)構(gòu)車站及隧道的側(cè)壁、道床及隔離柱的混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)均為250#，相當(dāng)于原規(guī)范GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的C23;站臺(tái)的混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為200#，相當(dāng)于原規(guī)范GB 50010-2002中的C18。由表2可以看出，各里程范圍(區(qū)間、車站公共區(qū)、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段)側(cè)壁的混凝土強(qiáng)度推定值分別為28.6，27.5，29.2，28.7 MPa；道床的混凝土強(qiáng)度推定值分別為26.5，26.2，27.3，27.6 MPa；隔離柱的混凝土強(qiáng)度推定值分別為25.5，24.6，25.1，25.7 MPa；車站公共區(qū)站臺(tái)的混凝土強(qiáng)度推定值為22.2 MPa?；炷翉?qiáng)度符合原設(shè)計(jì)要求。由設(shè)計(jì)資料可知，此地鐵最初是按照人防工程的標(biāo)準(zhǔn)修建的，因而其修建時(shí)的施工質(zhì)量要求很高，在混凝土澆注、養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)的施工把控很嚴(yán)，因而其混凝土強(qiáng)度較高。

在檢測(cè)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，地鐵結(jié)構(gòu)各里程范圍同一結(jié)構(gòu)(側(cè)壁、道床、隔離柱以及站臺(tái))的混凝土表面回彈值有一定程度的變化，分析大致有以下幾方面的原因：① 混凝土表面碳化層的存在，且碳化深度不一，致使使用回彈儀在混凝土表面進(jìn)行回彈檢測(cè)時(shí)，回彈值大小不一；② 混凝土表面存在骨料，當(dāng)回彈儀撞針打到骨料處時(shí)，回彈值會(huì)有所提高；③ 現(xiàn)場(chǎng)人工操作存在一定的誤差。

在采用回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：① 現(xiàn)場(chǎng)操作需規(guī)范，盡量做到回彈時(shí)用力均勻，且回彈儀應(yīng)垂直于結(jié)構(gòu)表面；② 檢測(cè)前后需在鋼砧上校準(zhǔn)回彈儀；③ 檢測(cè)前，認(rèn)真處理結(jié)構(gòu)表面，需做到測(cè)試面清潔、平整、干燥，沒(méi)有蜂窩、麻面及凹陷、混有雜物等異常區(qū)域和部位；④ 測(cè)量碳化深度時(shí)，應(yīng)在結(jié)構(gòu)表面形成“品”字形坑洞，直徑約為15 mm，深度應(yīng)大于碳化深度。

3 三維激光掃描技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)平面、斷面的測(cè)量

3.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描工作是基于GRP5000 & IMS5000三維激光掃描系統(tǒng)完成的。其中，GRP5000集成了TGS FX手推式軌檢小車和高速激光掃描測(cè)量技術(shù)。當(dāng)小車在軌道上行走時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的激光掃描儀發(fā)射的激光以螺旋線的形式對(duì)隧道表面進(jìn)行全斷面掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過(guò)分析發(fā)射和接收到的激光信號(hào)(強(qiáng)度和相位差)，可以獲得隧道襯砌的內(nèi)表面影像圖以及隧道襯砌表面各點(diǎn)距軌道中心線的距離，可進(jìn)行表面病害檢測(cè)，限界檢測(cè)，隧道變形測(cè)量及橢圓度、橫徑收斂值、錯(cuò)臺(tái)量的分析。IMS5000在GRP5000的基礎(chǔ)上增加了慣導(dǎo)模塊，該慣導(dǎo)模塊可在激光儀掃描的同時(shí)記錄線路線形軌跡，可快速高效地完成軌道及軌道周圍建、構(gòu)筑物(相鄰軌道、隧道、接觸網(wǎng)等)信息的三維數(shù)據(jù)采集。通過(guò)此掃描系統(tǒng)完成對(duì)隧道及車站結(jié)構(gòu)平面、斷面測(cè)量以及病害的調(diào)查工作。

3.2 儀器設(shè)備

涉及到的儀器設(shè)備主要為T(mén)GS FX手推式軌檢小車、Amberg Profiler 6012高速相位式激光掃描儀，其主要技術(shù)參數(shù)如表4，5所示。

表4 TGS FX手推式軌檢小車主要技術(shù)參數(shù)

表5 Amberg Profiler 6012高速相位式激光掃描儀主要技術(shù)參數(shù)

3.3 車站公共區(qū)平面、斷面測(cè)量

使用GRP5000 & IMS5000三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)車站公共區(qū)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描，每個(gè)掃描坐標(biāo)點(diǎn)都有實(shí)地三維坐標(biāo)與其相對(duì)應(yīng)，其點(diǎn)云俯視圖及立體圖如圖2所示。

圖2 車站公共區(qū)(車站主體)三維掃描點(diǎn)云俯視圖及立體圖

從點(diǎn)云圖中導(dǎo)出適合高程位置的水平面切片數(shù)據(jù)，并以點(diǎn)云格式導(dǎo)入CAD作為底圖，以此生成平面圖；根據(jù)剖面要求首先定出建筑的方向，并從點(diǎn)云圖導(dǎo)出帶尺寸的正射影像圖，將正射影像圖導(dǎo)入CAD作為底圖，以此生成剖面圖。生成的車站主體部分的平面圖和剖面圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 車站公共區(qū)(車站主體)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)平面圖和剖面圖

3.4 區(qū)間、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段斷面測(cè)量

使用相同方法選取典型斷面對(duì)區(qū)間、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段的斷面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

圖4 區(qū)間典型斷面圖

圖5 車站設(shè)備區(qū)典型斷面圖

圖6 車站渡線段典型斷面圖

4 結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀調(diào)查

4.1 區(qū)間、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀調(diào)查

對(duì)車站公共區(qū)采用三維激光掃描系統(tǒng)生成正射影像與人工調(diào)查核實(shí)相結(jié)合的方式，進(jìn)行全面的病害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。由于區(qū)間、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段屬于矩形箱體結(jié)構(gòu)，故采用矩形截面展開(kāi)的方式，生成區(qū)間隧道的內(nèi)壁正射影像圖，為了便于病害影像讀圖，截面展開(kāi)示意如圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道的內(nèi)壁正射影像展開(kāi)示意

區(qū)間、車站設(shè)備區(qū)、車站渡線段內(nèi)的病害以剝落、裂紋為主，個(gè)別位置有滲水，其總體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6，7所示。典型病害影像如圖8所示。

表6 病害統(tǒng)計(jì)表

表7 病害分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

圖8 典型病害影像示例

4.2 車站公共區(qū)結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀調(diào)查

由于車站公共區(qū)站體橫截面為不規(guī)則變化的異形結(jié)構(gòu)，正射影像投影規(guī)則不適用于此，因此，車站公共區(qū)采用人工拍照調(diào)查為主、激光掃描影像為輔的方法進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，該區(qū)段內(nèi)的病害主要為結(jié)構(gòu)縫處表面破損開(kāi)裂，典型病害照片如圖9所示。

圖9 典型病害照片

5 結(jié)論

(1) 利用回彈法對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，由回彈值、碳化深度調(diào)查表計(jì)算得到混凝土的換算強(qiáng)度及推定強(qiáng)度，地鐵隧道里的同一結(jié)構(gòu)(側(cè)壁、道床、隔離柱)的混凝土強(qiáng)度相差不大，站臺(tái)的混凝土強(qiáng)度低于前者。

(2) 進(jìn)行回彈檢測(cè)時(shí)，需嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行操作，使用前校準(zhǔn)、清理結(jié)構(gòu)表面，用力均勻，回彈儀垂直于結(jié)構(gòu)表面等因素均會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。

(3) 測(cè)量碳化深度時(shí)，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)表面坑洞的直徑和深度，直徑約為15 mm，坑洞的深度應(yīng)大于混凝土的碳化深度，且應(yīng)“品”字形布置，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行測(cè)量取值。

(4) 對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面和斷面測(cè)量時(shí)，合適高程位置的水平面切片數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與選擇很重要，這是生成平面圖的基礎(chǔ)。

(5) 正射影像投影規(guī)則不適用于不規(guī)則變化的異形結(jié)構(gòu)，此時(shí)若仍然只使用此方法進(jìn)行病害調(diào)查，獲得的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，此時(shí)需要結(jié)合人工拍照，用激光掃描影像輔助的方法進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查。