運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后較大空洞的精確檢測技術(shù)

龔 倫， 仇文革， 王立川,2， 王希元

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 成都鐵路局， 四川 成都 610082)

運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后較大空洞的精確檢測技術(shù)

龔 倫1， 仇文革1， 王立川1,2， 王希元1

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 成都鐵路局， 四川 成都 610082)

目前采用地質(zhì)雷達(dá)等無損檢測技術(shù)可快速、準(zhǔn)確檢測襯砌厚度和襯砌中鋼筋數(shù)量等參數(shù)，并可有效判識襯砌背后空洞等缺陷沿隧道縱向和環(huán)向長度，但對這類缺陷的徑向尺度因介電常數(shù)的差異、反射面的識別等原因而無法準(zhǔn)確判識。依托西南地區(qū)某運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后存在較大空洞的工程實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔調(diào)查和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測，首次運(yùn)用鉆孔三維激光掃描技術(shù)對運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后空洞進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)精確檢測，得到襯砌背后空洞的三維形態(tài)和具體尺寸，檢測成果可為隧道病害整治提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可設(shè)計(jì)出更具針對性和操作性的整治方案。提出的“物探+鉆孔三維激光掃描”技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)襯砌背后空洞“粗中有細(xì)”的全面檢測。

運(yùn)營鐵路隧道； 襯砌背后空洞； 鉆孔三維激光掃描； 三維形態(tài)； 精確檢測

0 引言

從1991年國際隧協(xié)開始研究隧道襯砌無損檢測技術(shù)開始[1]，地質(zhì)雷達(dá)無損檢測技術(shù)因其具有高效、快速、準(zhǔn)確，可對襯砌厚度、支護(hù)中鋼筋/鋼架等參數(shù)進(jìn)行快速檢測和準(zhǔn)確識別等優(yōu)點(diǎn)，在隧道施工質(zhì)量檢測中得到廣泛運(yùn)用。因襯砌背后空洞外側(cè)反射界面的不易識別和空洞內(nèi)空氣的電磁波速度與其狀態(tài)、含水量等有關(guān)而不易獲得，使得不能準(zhǔn)確判別空洞的徑向尺度，這是地質(zhì)雷達(dá)無法完美解決的難題之一。針對該問題學(xué)者們已進(jìn)行如下研究： 楊峰等[2]給出不同脫空量模型的波形雙峰極值點(diǎn)幅度變化規(guī)律；張鴻飛等[3]利用二維時(shí)域有限差分法對襯砌空洞雷達(dá)圖譜進(jìn)行正演模擬；劉新榮等[4]采用地質(zhì)雷達(dá)三維探測確定空洞大小、形態(tài)和位置。

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、精度高、掃描速度快、獲取數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，能采集到目標(biāo)體的高精度三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維可視化[5]。國內(nèi)已將三維激光掃描儀運(yùn)用于溶洞、采空區(qū)、罐車(箱)容積等探測，以及隧道/巷道和滑坡等變形監(jiān)測的領(lǐng)域[6-11]。

若將三維激光掃描儀用于襯砌背后空洞(隱蔽工程、復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和人不易到達(dá)場所)檢測，將會得到前所未有的成效，解決大量的工程實(shí)際問題。本文依托西南地區(qū)某運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后存在較大空洞的工程實(shí)際，結(jié)合現(xiàn)場鉆孔調(diào)查和地質(zhì)雷達(dá)無損檢測，首次運(yùn)用鉆孔三維激光掃描技術(shù)對運(yùn)營鐵路隧道襯砌背后空洞進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)精確檢測。

1 問題提出

1.1 依托工程情況

西南地區(qū)某運(yùn)營鐵路隧道洞身標(biāo)(此處及下文洞身標(biāo)均指距隧道進(jìn)口的距離，單位為m)1 242處襯砌拱頂有一進(jìn)料口(隧道新建時(shí)灌注混凝土的入口)，在進(jìn)行常規(guī)檢查的敲擊時(shí)有空響，破口后發(fā)現(xiàn)該處襯砌厚度很薄(約10 cm)且襯砌背后存在空洞。

1.2 提出問題

襯砌背后空洞較小時(shí)，采用回填灌漿措施即可；若空洞較大，可能會因回填灌漿破壞既有襯砌結(jié)構(gòu)，必須探明空洞的大小，以便采取更有針對性和操作性的措施，既可消除空洞上方掉塊砸壞襯砌的隱患，又可避免采取不當(dāng)措施造成既有襯砌的損壞，從而確保既有隧道結(jié)構(gòu)和行車安全。

2 鉆孔探測和無損檢測

2.1 鉆孔探測

在鐵路相關(guān)部門配合下，對空洞臨近段落進(jìn)行鉆孔探測，結(jié)果見表1。

表1 鉆孔探測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表1可知，鉆孔范圍內(nèi)拱頂處的空洞較高(192～264 cm)、沿縱向13 m長無明顯減小，且拱頂偏右1.6 m處仍存在較大空洞，故無法由鉆孔確定空洞的范圍和尺度，但得出了該空洞很大的結(jié)論。

2.2 無損檢測

為了探明該處空洞沿隧道縱向的長度，采用地質(zhì)雷達(dá)對洞身標(biāo)1 150～1 425段進(jìn)行了探測，1 240～1 250 段地質(zhì)雷達(dá)圖像見圖1，經(jīng)分析得本段襯砌厚度及背后空洞見表2。

紅線為襯砌與空洞界面，藍(lán)線為空腔與初期支護(hù)界面。

圖1 洞身標(biāo)1 240～1 250段地質(zhì)雷達(dá)圖像(單位： m)

Fig. 1 Ground penetrating radar image of tunnel section of 1 240-1 250 (m)

表2 地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

注： 襯砌背后空腔的波速近似為混凝土波速的(0.3/0.11)倍。

對比表1和表2數(shù)據(jù)，2種方法所得該段拱頂處空洞的徑向尺度基本吻合，但仍無法獲取該空洞的環(huán)向尺度，無法為后期隧道病害整治提供完整的數(shù)據(jù)。為此，引入鉆孔三維激光掃描技術(shù)對其再次進(jìn)行檢測。

3 鉆孔三維激光掃描檢測

C-ALS是一款在50 mm鉆孔中就可以深入地下進(jìn)行空區(qū)探測的三維激光掃描儀。掃描儀探頭直徑為50 mm，使得它可沿鉆孔深入到難以接近的空穴、地下空間以及空腔內(nèi)。

C-ALS 的馬達(dá)驅(qū)動雙軸掃描探頭(空腔尺度大于20 cm才能確保探頭的自由轉(zhuǎn)運(yùn))，可以保證儀器能作球形360°掃描(見圖2)以覆蓋整個(gè)空穴，最大掃描距離為150 m。探頭整合了傾斜和轉(zhuǎn)動傳感器，確保了激光掃描點(diǎn)云定向和定位的準(zhǔn)確性。

圖2 360°無盲區(qū)掃描

3.1 檢測原理

C-ALS三維激光自動掃描系統(tǒng)采用激光測距原理，掃描探桿前段內(nèi)置一個(gè)激光測距儀的掃描頭，掃描頭伸入采空區(qū)后，后臺軟件控制測距儀發(fā)射激光并進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)掃描，激光到達(dá)空區(qū)邊界壁后反射回來被測距儀接受，通過發(fā)射和接收的時(shí)間差，可計(jì)算出邊界到掃描頭的距離S，假定激光發(fā)射的水平角度為α、垂直掃描角度為θ，可得出每個(gè)空區(qū)側(cè)壁反射點(diǎn)的坐標(biāo)。C-ALS激光探測原理見圖3。每個(gè)空區(qū)側(cè)壁反射點(diǎn)坐標(biāo)見式(1)。

(1)

圖3 C-ALS激光探測原理

3.2 檢測準(zhǔn)備

1)準(zhǔn)備空壓機(jī)等鉆孔機(jī)具。

2)準(zhǔn)備軌道車、平板車等作業(yè)平臺。

3)鉆孔(鉆孔直徑大于50 mm，以不小于55～60 mm為宜，以便于掃描儀能順利通過鉆孔進(jìn)入空區(qū))。隧道拱頂處鉆孔見圖4。

3.3 檢測作業(yè)

1)安裝C-ALS硬件設(shè)備，打開控制軟件，將掃描儀與電腦進(jìn)行連接。

2)將掃描儀探頭利用延長桿伸入隧道頂部空區(qū)，由2名作業(yè)人員穩(wěn)定延長桿(見圖5)。

圖4 隧道拱頂處鉆孔

圖5 穩(wěn)定延長桿

3)設(shè)置軟件參數(shù)，進(jìn)行360°掃描(見圖6)，直至掃描結(jié)束。

圖6 現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)

4)待測量完成后，下放延長桿、取出探頭，并拆卸各個(gè)連接部件，回收設(shè)備。

3.4 檢測結(jié)果

3.4.1 激光掃描點(diǎn)云圖和三維視圖

激光掃描點(diǎn)云圖見圖7。三維視圖見圖8和圖9。

圖7 激光掃描點(diǎn)云圖

圖8 三維視圖-全局

圖9 空洞內(nèi)部三維視圖

3.4.2 橫剖面圖

沿隧道縱向每2 m作一個(gè)空洞橫剖面，各剖面尺寸見表3，典型橫剖面見圖10和圖11。

3.5 檢測結(jié)果對比

3種檢測方法在洞身標(biāo)1 242處結(jié)果對比見表4。

表3 掃描空洞各剖面尺寸統(tǒng)計(jì)表

Table 3 Scanned lengths and heights of hollows at different cross-sections m

圖10 洞身標(biāo)1 242處橫剖面圖(單位: m)

圖11 洞身標(biāo)1 248處橫剖面圖(單位: m)

檢測方法空洞高度/cm鉆孔257地質(zhì)雷達(dá)259鉆孔三維激光掃描252

由表4可知，3種方法所得襯砌背后空洞檢測結(jié)果基本一致，證明了方法的可行性和結(jié)果的正確性。

4 結(jié)論與討論

1)針對隧道襯砌背后的大體量空洞，采用鉆孔三維激光掃描技術(shù)得到了空洞的具體形態(tài)和尺寸，檢測成果為后續(xù)的隧道病害整治提供了可靠的數(shù)據(jù)。

2)首次提出并運(yùn)用了“地質(zhì)雷達(dá)+鉆孔+三維激光掃描技術(shù)”，對隧道襯砌背后較大空洞進(jìn)行精確探測，可為類似工程提供借鑒。

3)在實(shí)際工程中，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)等“物探+鉆孔三維激光掃描”技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對隧道襯砌背后空洞粗中有細(xì)的全面檢測。

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Accurate Detection Technologies for Larger Hollows Behind Linings of Operating Railway Tunnel

GONG Lun1, QIU Wenge1, WANG Lichuan1, 2, WANG Xiyuan1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education, School of Civil Engineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China; 2.ChengduRailwayBureau,Chengdu610082,Sichuan,China)

The parameters, i.e. lining thickness and reinforced rebar of lining, and the longitudinal and circumferential length of hollow behind lining can be detected rapidly and accurately by nondestructive ground penetrating radar detection technology nowadays. However, the radial dimension of the hollow behind lining can not be clearly identified due to the difference of dielectric constant and recognition of reflecting surface. The technology of three-dimensional laser scanning in borehole is adopted to detect the hollow behind lining of an operating railway tunnel in Southwest China for the first time. The three-dimensional shape and sizes of the hollow are obtained based on borehole drilling method and ground penetrating radar. The detection results can provide accurate data for tunnel disease treatment and reference for pertinent and feasible tunnel disease treating schemes. The technology of geophysical prospecting+three-dimensional laser scanning in borehole can detect the hollows behind tunnel lining accurately.

operating railway tunnel; hollow behind lining; three-dimensional laser scanning in borehole; three-dimensional shape; accurate detection

2016-09-02;

2016-11-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178399， 51478392)

龔倫(1974—)，男，重慶長壽人，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，博士，副教授，現(xiàn)主要從事隧道及地下工程近接施工影響及對策研究、既有隧道病害檢測及整治技術(shù)研究工作。E-mail: gonglun33@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.015

U 45

B

1672-741X(2016)12-1507-05