盛方劍

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司）

1 引言

在南京地鐵土建施工完成以后，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道附近不可避免的會(huì)有改建商業(yè)街、修建道路等需要開(kāi)挖基坑的施工，在開(kāi)挖基坑的過(guò)程中加大了地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力，從而發(fā)生掉塊、開(kāi)裂、滲漏水等病害現(xiàn)象[1]。

盾構(gòu)隧道管片根據(jù)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求應(yīng)該是圓形，但是因?yàn)槎軜?gòu)隧道管片在生產(chǎn)加工、拼接安裝等過(guò)程里，會(huì)產(chǎn)生一定誤差，一般都是使用橢圓度這一參數(shù)來(lái)表示這種偏差，橢圓度過(guò)大時(shí)常伴有管片開(kāi)裂、掉塊、滲漏水等表觀病害現(xiàn)象，但無(wú)法判斷這些表觀病害現(xiàn)象的盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)具體的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)或者受力情況，這就加大了測(cè)試工作的困難程度。

本次研究分析里，詳細(xì)論述了自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描體系獲得隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原理以及地鐵盾構(gòu)隧道變形分析中常用來(lái)分析橢圓度的方法，又結(jié)合南京市實(shí)際地鐵安全保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)施普查項(xiàng)目，使用徠卡SiTrack：One自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描體系，針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用模式展開(kāi)了論證。最終結(jié)果說(shuō)明，相較于舊有傳統(tǒng)類(lèi)型的橢圓度測(cè)試模式，自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)隧道橢圓度的方法比傳統(tǒng)的橢圓度檢測(cè)方法更具高精度、高效率、人為干涉少的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)南京市地鐵的發(fā)展過(guò)程里，具備良好的使用發(fā)展前景。

2 移動(dòng)式三維激光掃描系統(tǒng)

移動(dòng)三維立體激光自動(dòng)掃描體系是以三維立體激光自動(dòng)掃描儀為感應(yīng)設(shè)備，和搭載應(yīng)用平臺(tái)、同步操控管理體系、準(zhǔn)確定位定姿體系集中在移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)上，給移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)持續(xù)供應(yīng)具體位置數(shù)據(jù)信息，與此同時(shí)獲得三維空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。本次研究分析運(yùn)用的是徠卡Si-Track：One自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描體系，這個(gè)體系通常包括：三維立體激光自動(dòng)掃描儀和軌檢小車(chē)兩大組成部分。軌檢小車(chē)上集中了里程數(shù)計(jì)、傾斜感應(yīng)設(shè)備、激光距離測(cè)量感應(yīng)設(shè)備及用于操作控制的電腦計(jì)算機(jī)。小車(chē)在運(yùn)行軌道上不斷前行的時(shí)候，掃描儀獲取隧道斷面的表觀形態(tài)與反射率；里程計(jì)連續(xù)記錄小車(chē)前進(jìn)里程；傾斜儀測(cè)量軌面超高；各傳感器同步采集各種測(cè)量參數(shù)，電腦計(jì)算機(jī)自動(dòng)接收保存由感應(yīng)設(shè)備自動(dòng)返回的數(shù)據(jù)信息，并且在這個(gè)體系上同步各感應(yīng)設(shè)備的有效時(shí)間。該系統(tǒng)內(nèi)部將高精度慣性導(dǎo)航單元與非接觸式激光里程計(jì)整合在一起，確保GNSS信號(hào)完全失鎖時(shí)，也可以持續(xù)獲取高精度的定位信息。

掃描軌檢小車(chē)前進(jìn)時(shí)，會(huì)發(fā)生車(chē)身姿態(tài)的變化，掃描儀與小車(chē)因?yàn)橄鄬?duì)位置固定，所以自動(dòng)掃描儀姿態(tài)隨著小車(chē)的姿態(tài)一起改變。由于自動(dòng)掃描儀的具體位置和姿態(tài)在迅速改變，因此自動(dòng)掃描儀分布坐標(biāo)系的分布坐標(biāo)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需把獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)交換到同一分布坐標(biāo)系里[2]，如圖1所示，也就是自動(dòng)掃描軌檢小車(chē)的分布坐標(biāo)系。

圖1 自動(dòng)掃描小車(chē)分布坐標(biāo)系

3 橢圓度檢測(cè)

隧道的管片按設(shè)計(jì)要求為圓形，但因管片在加工、輸運(yùn)、拼裝及使用過(guò)程中都會(huì)存在一定偏差，若偏差太大，則會(huì)嚴(yán)重阻礙管片的正常運(yùn)用，更有甚者會(huì)引起公共道路交通意外事故，因此，運(yùn)用橢圓度對(duì)管片的不圓程度進(jìn)行量化。該參數(shù)可以對(duì)地鐵盾構(gòu)管片的總體彎曲變形實(shí)際狀況，展開(kāi)定量研究分析。隧道盾構(gòu)法項(xiàng)目施工綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)、檢測(cè)驗(yàn)收的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)該參數(shù)也有具體規(guī)定。運(yùn)算這個(gè)系數(shù)的核心關(guān)鍵是運(yùn)算盾構(gòu)管片的橢圓長(zhǎng)半軸與短半軸，參考依據(jù)盾構(gòu)法施工與驗(yàn)收規(guī)范[3]，圓形隧道管片在襯砌安裝之后，隧道的最大有效直徑和最低有效直徑的有效差值，和隧道實(shí)際有效內(nèi)徑設(shè)計(jì)數(shù)值的比重，采用千分比代表，也就是：

式中：T為橢圓度；a為橢圓長(zhǎng)半軸；b為橢圓短半軸；D為隧道內(nèi)徑設(shè)計(jì)值。

全站儀斷面測(cè)量法、吊鉛錘法和激光斷面儀法是檢測(cè)隧道橢圓度常用方法。全站儀斷面測(cè)量法是指在隧道中線(xiàn)上架設(shè)整平全站儀，輸入棱鏡高、儀器高、測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)、后視點(diǎn)坐標(biāo)等信息，再進(jìn)行后視。之后，轉(zhuǎn)換全站儀的無(wú)棱鏡測(cè)量確定方式，促使全站儀根據(jù)設(shè)立應(yīng)用程序依次斷面自動(dòng)掃描測(cè)量確定[4]，再經(jīng)過(guò)斷面點(diǎn)分布坐標(biāo)運(yùn)算盾構(gòu)管片橢圓度。吊鉛錘法是指通過(guò)皮卷尺和吊鉛錘結(jié)合測(cè)得盾構(gòu)管片的長(zhǎng)短軸，再運(yùn)算盾構(gòu)管片橢圓度。激光斷面儀法是成立在激光距離測(cè)量專(zhuān)業(yè)技術(shù)和精密數(shù)據(jù)測(cè)角專(zhuān)業(yè)技術(shù)上，將極分布坐標(biāo)測(cè)量確定模式與電腦計(jì)算機(jī)視覺(jué)感官專(zhuān)業(yè)技術(shù)集合在一起，再結(jié)合有經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)操作控制與圖像全面處理操作應(yīng)用軟件，獲得盾構(gòu)管片的內(nèi)部輪廓線(xiàn)[5]，之后運(yùn)算隧道橢圓度。國(guó)內(nèi)各大型城市的地鐵運(yùn)行維護(hù)壓力，伴隨著地鐵建設(shè)發(fā)展速率的加快而愈發(fā)增大，舊有傳統(tǒng)類(lèi)型的橢圓度測(cè)試模式作業(yè)工作效率低，沒(méi)有辦法符合需要。經(jīng)過(guò)多年的專(zhuān)業(yè)技術(shù)發(fā)展進(jìn)步，移動(dòng)三維立體激光自動(dòng)掃描專(zhuān)業(yè)技術(shù)促使盾構(gòu)隧道管片的橢圓度測(cè)試工作，轉(zhuǎn)變得更為便捷、高效、可靠，是未來(lái)地鐵運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)保障專(zhuān)業(yè)技術(shù)的主流發(fā)展進(jìn)步朝向。

4 應(yīng)用案例

南京市某地鐵線(xiàn)運(yùn)營(yíng)管理時(shí)期，項(xiàng)目工程工作人員使用夜間地鐵停運(yùn)時(shí)間分布段對(duì)這個(gè)連接線(xiàn)路區(qū)間左線(xiàn)K17+238～K17+478里程段的盾構(gòu)隧道區(qū)間進(jìn)行了移動(dòng)式三維激光掃描，掃描軌檢小車(chē)前進(jìn)速度大約保持在1 m/s。獲得的隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，不僅能夠應(yīng)用在地鐵運(yùn)營(yíng)管理彎曲變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也能夠作為歷史數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存，應(yīng)用在后期新發(fā)地鐵安全保護(hù)區(qū)隧道變形監(jiān)測(cè)的初始對(duì)比數(shù)據(jù)。

該盾構(gòu)區(qū)間全長(zhǎng)240m，掃描作業(yè)里程段內(nèi)對(duì)應(yīng)管片865環(huán)～1065環(huán)，對(duì)該區(qū)段進(jìn)行橢圓度檢測(cè)。對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息展開(kāi)了預(yù)先處理、里程數(shù)匹配對(duì)應(yīng)、選取組成結(jié)構(gòu)中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)、選取斷面、自動(dòng)導(dǎo)出橢圓度表等處理。每隔1.2m提取一個(gè)斷面，每個(gè)斷面點(diǎn)云厚度為2m，共計(jì)提取200個(gè)斷面。

該區(qū)間采集的點(diǎn)云數(shù)量共2.7億。

把里程數(shù)作為橫分布坐標(biāo)，將橢圓度作為縱分布坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)分析這個(gè)作業(yè)分布區(qū)段橢圓度柱狀統(tǒng)計(jì)圖，如圖2所示。

圖2 橢圓度統(tǒng)計(jì)圖

依據(jù)規(guī)范，地鐵盾構(gòu)隧道驗(yàn)收時(shí)成型的襯砌結(jié)構(gòu)橢圓度應(yīng)≤6‰[3]。里程為K17+332.1m、K17+339.3m、K17+340.5、K17+341.7m、K17+342.9m的五個(gè)斷面橢圓度均大于6‰，分別為6.1‰、9.3‰、11.3‰、8.7‰、8.4‰。

通過(guò)運(yùn)算方法將每一個(gè)斷面模擬出橢圓度圖，在其中，K17+380.1里程數(shù)處斷面的橢圓度圖，如圖3所示。

圖3 某斷面的橢圓度分析

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)南京市實(shí)際地鐵安全保護(hù)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)施普查項(xiàng)目，應(yīng)用徠卡Si-Track One自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描體系獲得隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)操作應(yīng)用軟件，全面處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息測(cè)試橢圓度。最終結(jié)果說(shuō)明，自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描小車(chē)具備準(zhǔn)確度高、工作效率高等優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)地鐵迅速發(fā)展進(jìn)步的態(tài)勢(shì)下，具備很大的使用發(fā)展前景。本次研究分析里，僅僅探索討論了自由移動(dòng)型三維立體激光自動(dòng)掃描體系在盾構(gòu)隧道橢圓度測(cè)試中的檢測(cè)效率與檢測(cè)可行性，今后還須利用該方法對(duì)橢圓度檢測(cè)的精度進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證。