回彈法及三維激光掃描技術(shù)在地鐵線路結(jié)構(gòu)健康檢測中的應用

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(天津市勘察院， 天津 300191)

運營地鐵線路結(jié)構(gòu)受各地區(qū)地質(zhì)、水文和氣候等因素的影響，可能會出現(xiàn)原因復雜的多種病害[1-2]。隨著基礎建設的快速發(fā)展，時常會有新建工程與城市已運營地鐵線路相鄰近的情況出現(xiàn)。對原有地鐵線路的健康狀況進行合理的檢測和評估，可以為鄰近新建工程的施工以及原有地鐵線路的安全運營提供參考[3-4]。

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

三維激光掃描技術(shù)利用激光測距的原理，記錄被掃描物體表面的三維點云數(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]通過對地鐵隧道變形監(jiān)測中三維激光掃描技術(shù)的應用，提出了基于激光點云的隧道斷面連續(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，對運營期的地鐵隧道斷面進行測量，總結(jié)了測量信息的提取方法。

某運營地鐵鄰近有一個即將新建的基坑工程，為了探究此已運營地鐵結(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)對其進行了檢測及調(diào)查，從而為地鐵的安全運營提供保障。

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)、車站設備區(qū)、車站渡線段4個部分，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位置關(guān)系示意

2 回彈法檢測混凝土強度

2.1 回彈法技術(shù)原理

回彈法是利用回彈儀對混凝土表面進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，用質(zhì)量分數(shù)為1%的酚酞酒精溶液和碳化深度尺對混凝土碳化深度進行測量，以得出混凝土強度的換算值，進而計算其強度推定值。作為無損檢測方法的一種，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 儀器設備

檢測儀器有：回彈儀、鋼筋探測儀、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陵市回彈儀廠生產(chǎn)的型號為ZC3-A的中型回彈儀，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 回彈儀主要技術(shù)參數(shù)表

2.3 檢測范圍及測區(qū)布設

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

2.4 檢測結(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度，分別對地鐵結(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的混凝土強度進行檢測。根據(jù)各測區(qū)測得的回彈值及碳化深度，可以根據(jù)規(guī)范JGJ/T 23-2011查得混凝土抗壓強度換算值，然后計算平均值和標準差，進而計算混凝土抗壓強度推定值。依據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，檢測結(jié)果見表3(fcu,e為混凝土強度推定值)。

表2 工程檢測范圍及測區(qū)布設

表3 各區(qū)段混凝土強度檢測結(jié)果

根據(jù)設計資料可知，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計標號均為250#，相當于原規(guī)范GB 50010-2002《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中的C23;站臺的混凝土設計標號為200#，相當于原規(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)、車站設備區(qū)、車站渡線段)側(cè)壁的混凝土強度推定值分別為28.6，27.5，29.2，28.7 MPa；道床的混凝土強度推定值分別為26.5，26.2，27.3，27.6 MPa；隔離柱的混凝土強度推定值分別為25.5，24.6，25.1，25.7 MPa；車站公共區(qū)站臺的混凝土強度推定值為22.2 MPa。混凝土強度符合原設計要求。由設計資料可知，此地鐵最初是按照人防工程的標準修建的，因而其修建時的施工質(zhì)量要求很高，在混凝土澆注、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)的施工把控很嚴，因而其混凝土強度較高。

在檢測過程中可以發(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)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行回彈檢測時，回彈值大小不一；② 混凝土表面存在骨料，當回彈儀撞針打到骨料處時，回彈值會有所提高；③ 現(xiàn)場人工操作存在一定的誤差。

在采用回彈法檢測混凝土強度時，應注意以下幾點：① 現(xiàn)場操作需規(guī)范，盡量做到回彈時用力均勻，且回彈儀應垂直于結(jié)構(gòu)表面；② 檢測前后需在鋼砧上校準回彈儀；③ 檢測前，認真處理結(jié)構(gòu)表面，需做到測試面清潔、平整、干燥，沒有蜂窩、麻面及凹陷、混有雜物等異常區(qū)域和部位；④ 測量碳化深度時，應在結(jié)構(gòu)表面形成“品”字形坑洞，直徑約為15 mm，深度應大于碳化深度。

3 三維激光掃描技術(shù)對結(jié)構(gòu)平面、斷面的測量

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量技術(shù)。當小車在軌道上行走時，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隧道表面進行全斷面掃描，獲取點云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過分析發(fā)射和接收到的激光信號(強度和相位差)，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距軌道中心線的距離，可進行表面病害檢測，限界檢測，隧道變形測量及橢圓度、橫徑收斂值、錯臺量的分析。IMS5000在GRP5000的基礎上增加了慣導模塊，該慣導模塊可在激光儀掃描的同時記錄線路線形軌跡，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。通過此掃描系統(tǒng)完成對隧道及車站結(jié)構(gòu)平面、斷面測量以及病害的調(diào)查工作。

3.2 儀器設備

涉及到的儀器設備主要為TGS 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、斷面測量

使用GRP5000 & IMS5000三維激光掃描系統(tǒng)對車站公共區(qū)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)進行三維掃描，每個掃描坐標點都有實地三維坐標與其相對應，其點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)三維掃描點云俯視圖及立體圖

從點云圖中導出適合高程位置的水平面切片數(shù)據(jù)，并以點云格式導入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，并從點云圖導出帶尺寸的正射影像圖，將正射影像圖導入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(見圖3)。

圖3 車站公共區(qū)(車站主體)結(jié)構(gòu)實測平面圖和剖面圖

3.4 區(qū)間、車站設備區(qū)、車站渡線段斷面測量

使用相同方法選取典型斷面對區(qū)間、車站設備區(qū)、車站渡線段的斷面進行測量，測量結(jié)果見圖4～6。

圖4 區(qū)間典型斷面圖

圖5 車站設備區(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、車站設備區(qū)、車站渡線段結(jié)構(gòu)使用現(xiàn)狀調(diào)查

對車站公共區(qū)采用三維激光掃描系統(tǒng)生成正射影像與人工調(diào)查核實相結(jié)合的方式，進行全面的病害調(diào)查和統(tǒng)計。由于區(qū)間、車站設備區(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，截面展開示意如圖7所示。

圖7 區(qū)間隧道的內(nèi)壁正射影像展開示意

區(qū)間、車站設備區(qū)、車站渡線段內(nèi)的病害以剝落、裂紋為主，個別位置有滲水，其總體統(tǒng)計結(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)計表

表7 病害分區(qū)統(tǒng)計表

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行現(xiàn)狀調(diào)查。由現(xiàn)場調(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) 利用回彈法對地鐵結(jié)構(gòu)混凝土強度進行檢測，由回彈值、碳化深度調(diào)查表計算得到混凝土的換算強度及推定強度，地鐵隧道里的同一結(jié)構(gòu)(側(cè)壁、道床、隔離柱)的混凝土強度相差不大，站臺的混凝土強度低于前者。

(2) 進行回彈檢測時，需嚴格按照規(guī)范進行操作，使用前校準、清理結(jié)構(gòu)表面，用力均勻，回彈儀垂直于結(jié)構(gòu)表面等因素均會直接影響檢測結(jié)果。

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

(4) 對地鐵結(jié)構(gòu)進行平面和斷面測量時，合適高程位置的水平面切片數(shù)據(jù)的導出與選擇很重要，這是生成平面圖的基礎。

(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)，此時若仍然只使用此方法進行病害調(diào)查，獲得的數(shù)據(jù)是不準確的，此時需要結(jié)合人工拍照，用激光掃描影像輔助的方法進行現(xiàn)狀調(diào)查。