基于全站掃描技術的沉管端鋼殼檢測技術研究

吳旭東，王曉進，王崇明

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620；2.天津水運工程勘察設計院有限公司 天津市水運工程測繪 技術重點實驗室，天津 300456)

深中通道沉管采用鋼殼混凝土結構形式，鋼殼制作完成后內(nèi)部澆筑高流態(tài)自密實混凝土。端鋼殼位于沉管管節(jié)兩個端面，呈“口”字型環(huán)狀布置，是管節(jié)兩端的端頭，由焊接工字型鋼、面板和加筋板組成，與管節(jié)混凝土澆筑為整體。端鋼殼是由鋼板、型鋼焊接而形成的強度、剛度均較大的鋼構件，其端部安裝GINA止水帶，分為A型端鋼殼和B型端鋼殼，A型端鋼殼面板安裝GINA止水帶，B型端鋼殼面板與下一節(jié)沉管的A型端鋼殼面板對接[1-5]，安裝示意如圖1所示。

圖1 端鋼殼GINA止水帶安裝示意圖Fig.1 Installstion of GINA waterstop on end steel shell

表1 深中通道沉管澆筑后端鋼殼精度要求[6]Tab.1 Accuracy requirements of immersed tube end steel shell after pouringin Shenzhen-Zhongshan Link project

端鋼殼在安裝、焊接、澆筑等工序完成之后，GINA止水帶安裝之前，需要進行測量檢驗工作，以確定其主要幾何參數(shù)是否滿足設計限差的要求。主要包括端鋼殼面板不平整度、橫向垂直度和豎向垂直度3個關鍵參數(shù)，其精度要求如表1所示。

每節(jié)沉管在施工過程中都會建立一個管節(jié)坐標系，通常以非GINA端管底中心點為原點，建立右手直角坐標系，原點與GINA端管底中點連線為Y軸，X軸垂直于Y軸，Z軸向上。

為了實現(xiàn)隧道的彎曲變向和坡度調(diào)整，管節(jié)在設計建造中，存在橫向偏角和豎向偏角，如圖2-a、圖2-b所示。實際測量作業(yè)中，為便于數(shù)據(jù)比較，通常將橫向垂直度和豎向垂直度轉(zhuǎn)換成橫向偏角和豎向偏角的概念。橫向偏角是端鋼殼面板俯視投影與管節(jié)軸線的夾角(實現(xiàn)管節(jié)彎曲變向)，豎向偏角是端鋼殼面板側視投影與管節(jié)軸線的夾角(實現(xiàn)管節(jié)坡度調(diào)整)。

端鋼殼是管節(jié)預制過程中的關鍵性控制工程，常規(guī)的檢測方法是采用全站儀對端面板上粘貼的反射片進行三維坐標測量，這種測量方法需要提前準確粘貼大量反射片，且只是多個單點的檢測，無法形成整個面板的全覆蓋檢測。本文以全站掃描儀為端鋼殼數(shù)據(jù)采集的技術手段，并與常規(guī)的全站儀方法進行比對分析，為端鋼殼的檢測提供了一種新的思路。

1 全站儀法

圖3 端鋼殼特征點布設示意圖Fig.3 Layout of feature points on end steel shell

1.1 端鋼殼檢測點的布設

管節(jié)端鋼殼特征點，布設在管節(jié)兩端邊沿。主要用于標定管節(jié)軸線位置和定義管節(jié)坐標系。將反射片邊中心線與管節(jié)外邊沿對齊，從頂端按2.65 m間隔，依次往下貼，特征點分布如圖3所示。其中S代表A端(GINA端)，W代表B端(非GINA端)，管節(jié)每個端面10個特征點。

圖4 端面板檢測點布設示意圖Fig.4 Layout of survey points on end steel shell panel

端面板檢測點，布設在沉管兩個端鋼殼面板GINA止水帶理論壓接中心線上。主要用于檢測端面板平整度、橫向偏角和豎向偏角。在端面板四周，按照1 m間隔，粘貼反射片作為端面板檢測點，如圖4所示。

1.2 全站儀外業(yè)測量

圖5 預制控制網(wǎng)Fig.5 Prefabricated control network

預制現(xiàn)場建立的控制網(wǎng)如圖5所示。全站儀采用某品牌 TM50型號，外業(yè)觀測時在T1設站，T2作為后視，Y3作為檢核點，通過極坐標法和三角高程測量，采集沉管A端端鋼殼面板上各反射片的三維坐標。通過3次測量，計算平均值作為特征點坐標。同樣的觀測方法在T2設站，觀測沉管B端面板上的反射片三維坐標。

1.3 內(nèi)業(yè)處理

根據(jù)沉管兩個端鋼殼上的10個特征點坐標，通過求取平均值的方法得到端鋼殼中心點坐標，然后投影到管底，兩個端面投影點的連線為Y軸，即沉管的軸線。

端面板的平面方程表達式為

則有：z=a0×x+a1×y+a2

按照最小二乘算法進行測點數(shù)據(jù)的平面擬合，即使下式最小

將測量數(shù)據(jù)代入上式解算得到a0、a1、a2，即完成了平面方程的求解。將測量數(shù)據(jù)再次代入上式，計算得到每一點距離擬合平面的距離，即為端面板的不平整度。

端面板擬合平面的法線向量在XOY平面進行投影，與Y軸夾角即為該端的橫向偏角。法線向量在YOZ平面進行投影，與Z軸夾角即為該端的豎向偏角。

2 全站掃描儀法

全站掃描儀集成了全站儀和三維激光掃描儀的先進測量技術，是近年來一項重要的技術創(chuàng)新。相對于傳統(tǒng)掃描儀，雖然它采集點云的頻率較低，但擁有更高的精度。由于綜合了全站儀的測量模式，具有設站定向的功能，在點云數(shù)據(jù)拼接方面更高效，精度更高，具有廣泛的應用空間。

影響全站掃描儀測量精度的主要因素有儀器誤差和被測物體的表面特性兩方面，端鋼殼形狀規(guī)則、表面光滑，完全可以用全站掃描儀進行外輪廓和表面測量。目前市場上應用較多的全站掃描儀有3種，分別為Leica MS60、Trimble SX10和Topcon GTL-1000，50 m范圍內(nèi)掃描測量的點位誤差在1 mm以內(nèi)，完全可以滿足端鋼殼測量的要求[7-8]。

針對端鋼殼檢測精度要求比較高，采用MS60全站掃描儀進行外業(yè)觀測。綜合考慮精度和效率等問題，選擇1 kHz的模式進行數(shù)據(jù)采集，即每s采集1 000個測點。

全站掃描儀的設站方法同全站儀相同，分別在T1和T2設站觀測兩個端鋼殼。后視定向后設定掃描角度為-45°～﹢45°，每一站掃描時間約為3 min。

點云數(shù)據(jù)采集完成后，采用隨機商業(yè)軟件進行點云數(shù)據(jù)的處理，主要包括噪點去除、點云拼接等[9]。

2.1 輪廓線提取

由于沉管橫向偏角和豎向偏角都是端面板與Y軸的夾角，必須根據(jù)點云數(shù)據(jù)來得到沉管兩端管底中心的坐標，采用軟件Cyclone來實現(xiàn)。點云數(shù)據(jù)完成處理之后，將數(shù)據(jù)導入軟件中，會顯示出自動平面特征提取與自動提取面交接特征線兩種特征提取方式，此處用到的是特征線的提取。選擇該功能后，在兩個面上點擊鼠標就可以自動生成交界面的特征線。將端面板內(nèi)外兩側輪廓線提取出來，取兩個外側輪廓線的中心線，垂直投影到管底面，即可得到沉管Y軸的坐標點[10]。按照該方法在B端得到的點為沉管管節(jié)原點，在A端得到的為Y軸方向點，輪廓線提取如圖6所示。

2.2 端面板平面擬合

根據(jù)端面板的內(nèi)外輪廓線，刪除外部的點云數(shù)據(jù)，同時刪除內(nèi)部GINA止水帶安裝螺栓區(qū)域點云數(shù)據(jù)，這樣就提取出了GINA止水帶壓接區(qū)域的端面板的點云數(shù)據(jù)?；邳c云數(shù)據(jù)的端面板平面擬合方法同樣采用最小二乘法，此處不再贅述。

3 數(shù)據(jù)比對分析

以深中通道某節(jié)沉管的B端為例進行數(shù)據(jù)比對說明。

3.1 端面板不平整度

將全站掃描儀和全站儀的測量數(shù)據(jù)進行計算，得到每個點到端面板擬合面的垂距，進行繪圖展示，如圖7所示。

從圖7中可以看出，全站掃描儀和全站儀兩者測得的不平整度趨勢相同，前者可以全覆蓋式的反映端面板不平整度，而后者只能是通過離散點反映端面板局部的不平整度。對兩者測量結果數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如表2所示。全站掃描儀測量的端面板合格率98.3%，全站儀的結果是100%，兩者測得的平均差值均為0 mm，全站掃描儀中誤差為2.1 mm，全站儀中誤差為1.9 mm，測量中誤差基本一致，證明兩種設備的測量精度相當，但全站掃描儀的測量效率更勝一籌。由于全站掃描儀的全覆蓋測量，可以檢測出面板超限的地方，便于后期處理。

3.2 偏角

將全站掃描儀和全站儀測量數(shù)據(jù)進行處理，計算得到的橫向偏角和豎向偏角結果如表3所示。偏角限差根據(jù)沉管實際寬度和高度計算得到，分別為0.016°和0.003 7°。從表中可以看出，兩者測量的結果差值很小，將兩者分別同設計值做差，均未超限，證明全站掃描儀的方法可以進行橫向偏角和豎向偏角的測量。

表2 不平整度測量統(tǒng)計表Tab.2 Statistical of unevenness survey

表3 偏角測量結果Tab.3 Result of deflection angle survey

4 結論

全站掃描儀是一種先進的測量設備，將其應用到深中通道沉管的端鋼殼檢測中，通過與全站儀方法進行數(shù)據(jù)比對，證明其精度與全站儀相當，數(shù)據(jù)采集效率更高，在端面板不平整度檢測方面可以實現(xiàn)全覆蓋的面式掃描，具有明顯優(yōu)勢。但在數(shù)據(jù)處理方面，還未有成熟的針對沉管端鋼殼檢測需求的商業(yè)軟件，導致數(shù)據(jù)處理只能采用幾種商業(yè)軟件組合以及自編程序的計算和繪圖，這是今后需要努力的方向?？傮w而言，全站掃描儀在沉管隧道工程中具有廣闊的應用前景。