超大直徑盾構管片激光跟蹤三維測量關鍵技術

李 磊

中交隧道工程局有限公司北京盾構工程分公司，北京 100020

近年來，盾構法隧道施工在我國飛速發展，其應用范圍不僅局限于城市地鐵建設，還包括過江、過海隧道工程等，向著應用多元化、直徑超大化發展。尤其針對盾構穿越長江這類型大直徑隧道，管片埋深較大、水頭壓力高，管片模具的精度會直接影響管片尺寸的生產精度，容易造成盾構隧道管片破損、開裂及滲水等現象，給隧道帶來很大的安全隱患。

激光跟蹤三維測量技術通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個點（x、y、z）的坐標等信息，由這些大量、密集的點信息可快速復建出1∶1的三維模型。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。南京和燕路過江通道項目部將三維激光掃描技術引入管片模具的檢測當中，成功地克服了現有模具檢測中存在的點位過少、精度低等缺點，確保了管片幾何尺寸。文章將管片模具三維檢測和管片成品三維檢測數據進行對比，并將計算機模擬水平拼裝跟人工水平拼裝進行對比，通過施工現場管片拼裝實際情況對三維激光掃描測量結果進行復核，得出相關結論。

1 工程概況

南京市和燕路過江通道南段工程隧道盾構段土建施工項目A3標段單線長2976m，盾構由八卦洲工作井始發，下穿長江，主要穿越地層為粉細砂、角礫巖、角礫狀灰巖層，并存在巖溶區域和多條斷裂帶區域，地質條件復雜，隧道底承受的最大水壓達到790kPa，施工難度較高。隧道開挖直徑為15.02m，管片外徑為14.5m，內徑為13.3m，環寬2000mm，厚度為600mm，每環由10塊組成，分別為標準塊7 塊（B1～ B7）、鄰接塊 2 塊（L1、L2）、封頂塊 1 塊（F）[1]。

該管片采用雙面楔形，楔形量48mm，封頂塊（F）外弧面為環寬最小處，寬度為1976mm，標準塊（B4）外弧面為環寬最大處，寬度為2024mm。該管片取消了常用管片采用的剪力銷，采用凹凸榫結構形式，此結構形式可以大幅度提高環間管片抗剪切能力，抑制錯臺變形，但是凹凸榫之間只有2mm設計間隙，對管片預制精度要求非常嚴格，稍有不慎就會導致應力集中開裂，造成管片滲漏。管片的基本參數如表1所示。

表1 管片的基本參數

2 三維激光掃描相關技術

2.1 工作原理

三維激光掃描技術又稱為實景復制技術，是測繪領域繼GNSS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維激光掃描儀是無合作目標激光測距儀與角度測量系統組合的自動化快速測量系統，在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強度，自動存儲并計算，獲得點云數據。點云數據經過計算機處理后，結合CAD等軟件可快速重構出被測物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數據。

地面三維激光掃描系統主要由三部分組成：掃描儀、控制器和電源供應系統。激光掃描儀自身主要包括激光測距系統和激光掃描系統，同時集成CCD與儀器內部控制和校正系統等。在儀器內通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉，將激光脈沖發射體發出的窄束激光脈沖依次掃過被測區域，測量每個激光脈沖從發出經被測物表面再返回儀器所經過的時間（或者相位差）來計算距離，同時內置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，確定點P的三維坐標。

2.2 設備介紹

三維激光掃描方式包括很多類型，主要分為反射球測量方案、手持式探測方案、手持式掃描方案、自動化方案，管片模具尺寸較大，最大弧長約5m，寬度為2m，因此采用反射球測量方案，反射球允許在直徑160m范圍內進行高速的動態測量，精度為±3μm，主機為徠卡AT960，技術參數如表2所示，該設備具有動態六自由度（6DoF）功能。

表2 徠卡AT960技術參數

2.3 模型的建立

檢測模具時，需要將每次掃描的三維模型同基準模型進行對比，其偏差值為模具的變形值，因而首先要按照模具設計圖紙建立管片模型[2]。

2.4 管片模具參數及管片成品參數對比

管片模具及管片成品測量的重要參數為寬度和弧長，文章將以B7-2管片模具為例，將B7-2管片模具與B7-2生產的管片進行對比，得出相關結論。管片模具參數與管片成品參數對比如表3所示。

表3 管片模具參數與管片成品參數對比表 單位：mm

通過表3可以得出以下結論：（1）管片模具與其生產的管片三維激光掃描數據對比，寬度最大差值為0.1mm，弧長最大差值為0.1mm，說明模具的誤差與其生產的管片的誤差基本相同；（2）通過矢量圖對比可知，管片模具變形趨勢與管片變形趨勢較為相似，管片模具的測量結果基本代表管片成品的測量結果。

2.5 模擬三環拼裝與實際三環拼裝值對比

按照現行規范《預制混凝土襯砌管片》（GB/T 22082—2017）要求，每生產200環管片需要對管片成品進行水平拼裝試驗，主要目的是檢測管片模具在使用過程中是否發生變形，管片精度是否滿足要求。

針對大直徑盾構管片，每塊管片的重量約15t，在實際拼裝過程中，很容易受到吊裝設備和人員操作的影響，影響最終的拼裝數據。如果采用現代人工智能手段，借助三維激光掃描測量結果以及計算機輔助系統進行模擬水平拼裝，將是工程界的一大重要革新，解決了人工和設備誤差，使結果更加地精準，提高了產品質量[3]。

此次南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標將采用計算機模擬水平拼裝，將計算機數據與實際人工水平拼裝數據進行對比。首先，將2套模具生產的成品管片進行三維激光掃描測量，采集相關數據；其次，選擇熟練的三環拼裝人員，采集相關數據。經過相關對比試驗，可得出以下結論：（1）根據三維激光掃描測量管片成品得出的數據進行電腦模擬水平拼裝，得出的數據更加精準；（2）采用人工水平拼裝，環縫、縱縫檢測值相比于模擬水平拼裝都偏大，說明人工拼裝存在誤差，若三維模擬數據為規范極限值，人工拼裝相應值就可能超出規范要求，結果較不規范。

2.6 施工拼裝現場實際拼裝情況

目前南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標已經掘進950環，在950環施工過程中隧道管片無破損、開裂以及滲水等現象，且現場拼裝各項指標都符合規范和設計要求，說明管片的尺寸符合規范和設計要求，全過程三維激光掃描技術在管片預制過程中起到了關鍵性作用。

3 結束語

大直徑盾構都是穿江穿海等大型工程，施工過程中難度大，地下水壓高，為保證隧道無開裂滲漏，對管片的精度要求非常高。該項目管片預制過程中采用三維激光掃描技術進行過程控制，起到了關鍵性的作用，減少了人工誤差，保證了施工質量，為之后類似工程提供了寶貴的參考建議。