基于點云的地鐵盾構隧道環(huán)內管片錯臺量與 接縫張開量檢測方法*

鮑 艷 KIM IL BOM 李文海 張東亮 高利業(yè)

(北京工業(yè)大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室, 100124, 北京∥第一作者, 副教授)

0 引言

盾構法施工對地面交通和建筑物的影響小,施工速度快,安全性高,已成為地鐵隧道施工的主要方法,在地鐵建設中的使用占比已超過85%[1-3]。管片是盾構隧道主要裝配構件和主要承載結構。地鐵盾構隧道施工及運營中管片錯臺與張開是常見的現(xiàn)象。

許多學者通過有限元數(shù)值模擬或現(xiàn)場試驗進行了盾構隧道管片錯臺量與張開量發(fā)生原因、變化規(guī)律及防止措施等研究[4-7],但針對現(xiàn)場檢測方法的研究甚少。目前管片縱縫錯臺量與接縫張開量的檢測手段主要是人工巡檢,首先通過目測尋找錯臺和張開發(fā)生的位置,然后采用卡尺、塞尺等工具進行測量。由于隧道內光線條件差或發(fā)生位置在頂部,極易出現(xiàn)漏檢,因而現(xiàn)有檢測法存在檢測精度和檢測效率較低的問題。

三維激光掃描技術利用激光測距原理,快速獲取密集點云的三維坐標和反射率等信息,在地形測量、建筑結構、道路、管道、滑坡、隧道檢測等諸多領域中得到了廣泛應用[8]。盾構隧道環(huán)內管片錯臺量檢測研究中,有學者基于軌道的移動三維激光掃描系統(tǒng)獲取強度信息灰度圖,確定管片拼裝位置,進行管片錯臺量的檢測[9-10];有學者基于運營期移動三維激光掃描點云提取斷面,在斷面上進行錯臺量分析[11]。但目前移動式掃描系統(tǒng)僅在有軌的環(huán)境下進行作業(yè),不能檢測施工或竣工隧道管片錯臺量及張開量。有學者通過架站式三維激光掃描儀獲取鋪軌前竣工盾構隧道點云,實現(xiàn)隧道斷面連續(xù)提取,在斷面上檢測環(huán)內錯臺量及張開量[12-13],但由于同一環(huán)內斷面提取位置不同而錯臺量及張開量檢測值也會不同,不能夠全面反映管片拼裝實際情況。

為了快速準確地實現(xiàn)任意盾構隧道環(huán)內管片錯臺量與張開量的檢測,本文基于架站式掃描儀掃描盾構隧道獲取點云,提出了提取中軸線的旋轉投影法,根據(jù)精度較高的中軸線獲取隧道管片三維展開點云與環(huán)內管片拼裝接縫處點云,進而實現(xiàn)環(huán)內管片錯臺量與張開量的全面檢測及拼裝實際情況的分析。

1 提取中軸線旋轉投影法

中軸線是表示隧道走向的空間曲線,目前提取中軸線方法較簡單,大多采用的是雙向投影法[14-15]。但該方法由于只利用隧道上下左右4個位置的邊界點云,易受噪點的影響,中軸線提取精度不高。因此本文提出了采用旋轉投影法提取中軸線,該方法首先將隧道點云進行坐標旋轉變換,提取不同旋轉坐標系下的隧道上下左右位置的邊界點云,通過旋轉投影邊界點計算中心點,采用最小二乘法和RANSAC算法擬合出高精度隧道中軸線。該方法具體步驟如下:

步驟1:隧道點云在原始坐標系下分別投影至xoy和yoz平面上,將投影點云沿y軸方向(隧道前進方向)進行分割,每段點云的切割厚度為Δε。對于每段分割段點云,在xoy投影面上搜索x最大值和最小值的兩個左右邊界點,同樣在yoz投影面上搜索z最大值和最小值的兩個上下邊界點。邊界點提取示意圖如圖1所示。

通過邊界點坐標計算每段的中心點的坐標:

(1)

式中:

xi,center——每段分割點云中心點x軸坐標值;

zi,center——每段分割點云中心點z軸坐標值。

步驟2:將點云以y軸為旋轉中心軸進行旋轉,旋轉角度為α,轉換后的隧道點云坐標(x′,y′,z′)為:

(2)

旋轉坐標系下采用步驟1的方法獲取邊界點及中心點坐標,該邊界點是斷面上與雙向投影邊界點不同位置的點,如圖2所示。

注:下標center表示中心點;max表示最大值;min表示最小值。

原始坐標系上的中心點的坐標為:

(3)

步驟3:0到π/2之間選擇不同旋轉角度,以提取隧道表面不同位置邊界點云,通過步驟2的原理進行幾次坐標旋轉并獲取相應的邊界點云及中心點坐標。

步驟4:將原始坐標系與多個旋轉坐標系下獲取的中心點采用最小二乘法和RANSAC算法擬合出中軸線相應的方程:

(4)

式中:

xk、zk——通過k次坐標旋轉投影x軸和z軸坐標值;

akj、bkj——通過k次坐標旋轉投影中軸線j次項的參數(shù)。

通過多個旋轉投影中軸線方程參數(shù)求得隧道中軸線方程的參數(shù):

(5)

式中:

aj、bj——中軸線方程的j次項參數(shù);

n——坐標旋轉變換總數(shù)。

最終中軸線方程為:

(6)

2 環(huán)內管片錯臺量與張開量檢測原理

2.1 點云三維展開

由于隧道襯砌表面與半徑處垂直,錯臺量是接縫處兩個管片點云到中軸線距離差值,張開量是接縫處的周長與設計值差。為了計算方便,通過極坐標轉換獲取隧道三維展開點云。

根據(jù)隧道中軸線空間關系,將隧道原始點云進行轉正,轉正后隧道中軸線與y軸是平行關系,轉換后坐標為:

(7)

式中:

α1——xoy投影面上中軸線與y軸的斜角;

α2——yoz投影面上中軸線與y軸的斜角。

圖3為隧道點云三維展開原理圖。如圖3所示,x軸對應隧道的周長,y軸對應管片寬度,z軸對應隧道點云到中軸線距離與設計半徑差值(徑向偏差)。將隧道點云三維展開,展開點云坐標為:

注:L為弧長。

(8)

式中:

R——隧道設計半徑值。

2.2 環(huán)內管片錯臺量及張開量檢測

2.2.1 錯臺量檢測原理

圖4為管片錯臺量檢測原理圖。如圖4所示,將拼裝接縫處附近兩個管片展開點云投影至yoz平面上,在投影平面上沿y軸方向將拼裝處點云進行分割,厚度為δ,在每段分割點云中搜索z最大值的邊界點。利用最小二乘法和邊界點云擬合出管片邊界線,擬合邊界線之間z軸方向間距為錯臺量。

a) 管片邊界點云

2.2.2 張開量檢測原理

圖5為管片張開量檢測原理圖。如圖5所示,將兩個管片接縫處展開點云投影至xoy平面上,在投影平面上沿y軸方向進行分割,厚度為δ,在每段分割點云中搜索第一個管片x最大值的點和第二個管片x最小值的點。對于兩個管片邊界點云,采用最小二乘法擬合出相應的邊界線,兩邊界線之間x軸方向間距D與管片嵌縫設計值D0差值為管片張開量Δ,即Δ=D-D0。

a) 管片邊界點云

3 工程應用

3.1 工程概況

依托北京地鐵某工程盾構段,利用徠卡P40架站式掃描儀獲取竣工盾構隧道某一段掃描點云。該盾構隧道拼裝采用方法為錯縫拼接,管片內徑為7.9 m,寬度為1.6 m,每環(huán)8個管片。從楔形管片F(xiàn)塊開始,其他7個管片逆時針依次記為L1、B1、B2、B3、B4、B5、L2,其中F塊對應的角度為16°21′49″,B1、B2、B3、B4、B5五個標準塊和L1、L2兩個鄰接塊對應的角度為49°5′27″,如圖6所示。

圖6 管片拼裝示意圖

管片接縫寬度設計值為23 mm,如圖7所示。

圖7 管片接縫寬度設計圖

3.2 隧道中軸線提取

按照本文旋轉投影法提取中軸線。選擇不同旋轉角度,提取隧道表面不同位置邊界點云,結果如表1所示。利用旋轉投影邊界點云擬合出中軸線,結果如圖8所示。

表1 坐標旋轉次數(shù)、旋轉角度及中軸線計算時間

a) 原始點云

(9)

式中:

N——掃描點云數(shù)。

表2為不同旋轉投影次數(shù)的中軸線偏差對比表。如表2所示,采用雙向投影法提取的中軸線與隧道點云之間距離偏差為15.7 mm;隨著旋轉投影次數(shù)的增加中軸線擬合偏差變小,旋轉投影次數(shù)達到3次時偏差最小,為7.5 mm;旋轉投影次數(shù)大于3次,該偏差變化不明顯,為8.0 mm左右。說明旋轉投影法與雙向投影法相比其中軸線擬合精度更高,旋轉次數(shù)為3次時提取的中軸線與點云的擬合精度最高,該中軸線為隧道的最終中軸線。

表2 不同旋轉投影次數(shù)的中軸線偏差對比

3.3 管片錯臺量和張開量分析

本文以北京地鐵某工程盾構隧道襯砌一環(huán)管片點云為例進行錯臺量和張開量的分析。

按照前文方法,根據(jù)中軸線獲取環(huán)內三維展開點云,如圖9 a)所示。展開點云中提取y軸方向厚度為3 mm的展開點云,通過點云間距變化與管片拼裝設計值尋找管片拼裝接縫處位置,如圖9 b)所示。根據(jù)拼裝接縫位置,提取接縫處兩個管片展開點云,每環(huán)隧道由8塊管片拼裝而成,環(huán)內存在8處拼裝接縫。

a) 管片展開點云

以B3-B4管片接縫處為例,進行環(huán)內管片接縫處錯臺量與張開量檢測及分析。圖10為B3-B4管片接縫處點云。徠卡P40掃描儀可掃描到接縫空隙處B3管片內側,接縫處B3管片垂直方向點云厚度較厚。將B3-B4管片接縫處點云投影至xoy、yoz投影面上提取邊界點云,通過兩個管片邊界線計算錯臺量與張開量。

圖10 B3-B4管片接縫處附近展開點云

圖11為B3-B4管片拼裝處錯臺量與張開量分析圖。從圖11 a)可以看出,在yoz投影面上,B3管片對B4管片的相對錯臺量為-5.6～2.1 mm,接縫始處B3管片比B4管片凹陷了5.6 mm,但接縫尾處B3管片比B4管片突出了2.1 mm,平均錯臺量為-1.7 mm,這說明接縫處B3管片比B4管片平均凹陷1.7 mm。

a) yoz投影面下邊界點與邊界線

從圖11 b)可以看出,在xoy投影面上,B3管片與B4管片間距為19.5～18.1 mm(管片接縫寬度設計值為23.0 mm),張開量為-4.9～3.5 mm,平均張開量為-4.2 mm,沿著y軸(管片寬度)接縫張開量逐漸變小。

通過每個接縫處點云計算錯臺量與張開量范圍及平均值,結果如表3所示。由表3可見:B1-B2、B2-B3、B4-B5、B5-L2、L2-F五處接縫張開量均大于0,說明這五處管片接縫有向外擴張的趨勢;B3-B4、F-L1、L1-B1三處接縫張開量小于0,說明這三處管片接縫有向內壓縮的趨勢。錯臺量是接縫處兩個管片之間的相對位移,錯臺量大于0表示接縫處第一個管片比第二個管片突出,錯臺量小于0表示第二個管片比第一個管個片凹陷。從表3中可以看出:L1-B1接縫處錯臺量最大,為4.5 mm,說明L1管片比B1管片平均突出了4.5 mm;B5-L2接縫處錯臺最小,為-2.1 mm,說明B5管片比L2管片平均凹陷了2.1 mm。8個接縫處錯臺量都小于8 mm,滿足規(guī)范規(guī)定成型隧道驗收的允許偏差。如表3所示,根據(jù)本文方法檢測的錯臺量與張開量平均值與現(xiàn)場卡尺、塞尺檢測值對比,錯臺量最大誤差為1.5 mm,平均誤差為0.75 mm,張開量最大誤差為1.4 mm,平均誤差為0.55 mm,滿足檢測要求。

表3 環(huán)內管片錯臺量與張開量檢測表

4 結語

以北京某地鐵盾構隧道為研究對象,基于三維激光掃描點云研究了檢測隧道環(huán)內錯臺量及張開量的檢測原理。首先采用本文所提出的旋轉投影法提取中軸線,擬合出精度較高的中軸線,保證隧道檢測后續(xù)數(shù)據(jù)處理精度;根據(jù)中軸線獲取管片展開點云及拼裝接縫處管片點云,通過接縫處兩個管片擬合邊界線的空間關系,實現(xiàn)快速而準確的盾構隧道管片拼裝錯臺量與張開量的檢測,并以實際工程為案例進行了分析。

旋轉投影法與雙向投影法相比,中軸線擬合精度更高;隨著旋轉投影次數(shù)的增加,中軸線擬合精度也越高,計算時間也越長。投影次數(shù)3次以上后提取中軸線擬合精度變化不明顯,點云與擬合中軸線的偏差為7.5 mm,考慮計算時間建議最合適的投影次數(shù)為3次。檢測出環(huán)內管片錯臺量與接縫張開量的變化及平均值,進而分析管片拼裝實際情況,為施工、竣工及運營隧道檢測提供參考。

本文的檢測方法在隧道中軸線提取、錯臺量與張開量檢測上達到了較高精度,但管片拼裝接縫處噪點較多時對檢測精度的影響較大,需針對性改進算法。

致謝:北京市政建設集團有限責任公司在本文的數(shù)據(jù)上給予了大力支持,在此特別感謝!