三維激光掃描技術(shù)在隧道管片加載試驗(yàn)中的應(yīng)用

張培培

(上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072)

目前城市盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害研究主要集中在隧道管片的滲漏水、開裂等局部損傷上[1]，針對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的接縫張開、管片錯(cuò)臺(tái)、管片變形等整體變形問題的研究相對(duì)較少，針對(duì)后期整環(huán)加固的研究則更少[2]。近年來，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)提出復(fù)合腔體隧道加固技術(shù)，即將復(fù)合材料構(gòu)件與隧道管片混凝土內(nèi)壁通過特殊工藝粘合形成一種復(fù)合材料疊合襯砌結(jié)構(gòu)的加固方法。但由于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特定的力學(xué)行為和破壞機(jī)制，復(fù)合腔體加固后盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和承載性能尚不清晰[3]。

為了研究復(fù)合材料疊合襯砌結(jié)構(gòu)在整環(huán)加固條件下的力學(xué)特性和破壞過程，以復(fù)合腔體加固后的1∶1水平襯砌管片環(huán)為試驗(yàn)對(duì)象，模擬隧道上覆土層不斷增加的過程開展極限承載能力試驗(yàn)，通過全面觀察、監(jiān)測(cè)并分析試驗(yàn)過程中疊合襯砌結(jié)構(gòu)的受力與變形過程以評(píng)價(jià)該加固方法的有效性。針對(duì)地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)的研究，除了傳統(tǒng)的人工測(cè)量外，主流的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有靜力水準(zhǔn)儀、測(cè)量機(jī)器人、巴塞特收斂系統(tǒng)、光纖光柵技術(shù)等[4-6]。傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)測(cè)量模式無法滿足本試驗(yàn)對(duì)整環(huán)變形觀測(cè)的要求，而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)一般需要在被測(cè)對(duì)象上分布式安裝傳感器，這會(huì)破壞復(fù)合腔體表面碳纖維，從而影響結(jié)構(gòu)的受力結(jié)果。因此，在對(duì)管片和加固結(jié)構(gòu)不造成任何破壞影響的情況下，本文利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)極限試驗(yàn)中不同階段的管片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，全面監(jiān)測(cè)分析管片加固前后整體變形、外表面混凝土裂縫、接縫等情況，描述并驗(yàn)證復(fù)合腔體加固方法不同關(guān)鍵受力點(diǎn)下的管片荷載位移關(guān)系，為復(fù)合材料疊合襯砌設(shè)計(jì)計(jì)算理論提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)介紹

本試驗(yàn)采用襯砌管片1∶1水平半環(huán)極限承載力試驗(yàn)的方法，將試驗(yàn)單環(huán)管片加載至收斂變形120 mm時(shí)(加固臨界點(diǎn))，對(duì)已變形管片用復(fù)合腔體進(jìn)行二次加固，繼續(xù)加載直至疊合結(jié)構(gòu)黏結(jié)失效。利用三維激光掃描技術(shù)記錄分析試驗(yàn)過程中管片各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形過程，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)復(fù)合構(gòu)件加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.1 試件介紹

本次試驗(yàn)所采用的管片外徑為6.2 m、內(nèi)徑為5.5 m、管片厚0.35 m、環(huán)寬1.2 m。全環(huán)分為6塊，包括1個(gè)封頂塊(F塊)、2個(gè)鄰接塊(L1、L2塊)、2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊(B1、B2塊)和1個(gè)拱底塊(D塊)，管片結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

加固采用復(fù)合腔體構(gòu)件，根據(jù)達(dá)到加固點(diǎn)的管片內(nèi)壁精確尺寸預(yù)制加工而成。頂部位置選用6根復(fù)合腔體構(gòu)件加固，腰部位置選用4根復(fù)合腔體構(gòu)件加固，復(fù)合腔體構(gòu)件與管片之間用結(jié)構(gòu)膠粘接。整環(huán)加固結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 復(fù)合腔體構(gòu)件加固管片試驗(yàn)圖

1.2 試驗(yàn)階段

通過上海軌道交通盾構(gòu)隧道整環(huán)足尺試驗(yàn)可知，當(dāng)盾構(gòu)隧道收斂變形值達(dá)到120 mm 時(shí)，管片結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生變形[7]，定義此時(shí)為試驗(yàn)加固臨界點(diǎn)。據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)分為未加固和加固兩個(gè)階段。在未加固階段，將原型承載管片加載至加固點(diǎn)后通過保載裝置鎖死變形；在加固階段，在前一階段基礎(chǔ)上對(duì)原型承載管片進(jìn)行復(fù)合腔體構(gòu)件加固施工，并對(duì)加固后的承載管片持續(xù)加載直至結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞狀態(tài)，對(duì)比分析復(fù)合腔體對(duì)管片結(jié)構(gòu)的加固效果。

1.3 掃描內(nèi)容

本次試驗(yàn)對(duì)管片加固前后關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行整體掃描，以管片整體變形、內(nèi)外表面混凝土裂縫、接縫內(nèi)外側(cè)張開變化等破壞過程為量測(cè)內(nèi)容，分析這些變形數(shù)據(jù)與加載值的關(guān)系，以評(píng)價(jià)加固方法對(duì)管片的加固效果。

2 試驗(yàn)管片數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 掃描設(shè)站方案

由于試驗(yàn)對(duì)象體量較小，且最終成果不涉及與國(guó)家坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系的聯(lián)系，因此無須布設(shè)掃描控制網(wǎng)，僅利用靶標(biāo)作為不同掃描站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的依據(jù)。根據(jù)管片對(duì)象的大小、形狀確定掃描站點(diǎn)的分布方案，再根據(jù)成果精度要求設(shè)置掃描分辨率、掃描質(zhì)量等參數(shù)?？紤]到管片正中心位置處有圓柱形保載立柱遮擋，本試驗(yàn)每次作業(yè)分2站掃描，布設(shè)4個(gè)靶標(biāo)球呈四邊形，現(xiàn)場(chǎng)掃描布置情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)掃描布置示意圖

2.2 掃描數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次試驗(yàn)共有2站掃描數(shù)據(jù)，需對(duì)掃描點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、修補(bǔ)等預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程如下。

① 坐標(biāo)系的定義。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的空間位置信息是以儀器坐標(biāo)系統(tǒng)作為基準(zhǔn)，原點(diǎn)位于激光束發(fā)射處，Z軸位于儀器豎向掃描面內(nèi)，豎直向上為正；X軸、Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)。

② 點(diǎn)云配準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為內(nèi)徑5.5 m的水平管片環(huán)，作業(yè)范圍小，為提高拼接效率和精度，掃描試驗(yàn)全程采用基于靶標(biāo)拼接的方式進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)。

③ 點(diǎn)云去噪。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含不屬于管片的點(diǎn)，如管片上的連接螺栓孔、注漿孔、試驗(yàn)應(yīng)力計(jì)、管線等附屬設(shè)備。為保證數(shù)據(jù)分析時(shí)參與計(jì)算的點(diǎn)目標(biāo)都盡可能落在管片內(nèi)壁上，在變形分析前，需要降低或消除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中除管片外的冗余點(diǎn)和噪聲點(diǎn)。采用基于橢圓柱面擬合的濾波方法，即根據(jù)管片形態(tài)特點(diǎn)將其橫截面視為橢圓，通過對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行橢圓柱面擬合及平差模型的結(jié)算，實(shí)現(xiàn)管片點(diǎn)云的濾波[8]。

2.3 斷面離散點(diǎn)集提取及斷面構(gòu)建

沿點(diǎn)云Z軸方向，用目標(biāo)點(diǎn)Pi處的水平面切割點(diǎn)云，在目標(biāo)點(diǎn)Pi處對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片，獲取一個(gè)間距2 cm的離散點(diǎn)集Gp，然后投影點(diǎn)集Gp到法平面l上，即可生成點(diǎn)Pi處由序列點(diǎn)組成的斷面[9]，切片結(jié)果如圖3(a)所示。

使用雙向最近點(diǎn)搜索法[10-11]取代掃描法對(duì)亂序的各平面點(diǎn)云Gp進(jìn)行排序，生成各點(diǎn)云切片散點(diǎn)外輪廓邊界。關(guān)鍵步驟是在切片點(diǎn)云中選擇任一點(diǎn)Ps作為起點(diǎn)，以其最近點(diǎn)Pe為終點(diǎn)生成多邊線，在剩余點(diǎn)中尋找距Ps(Pe)最近的P，分別計(jì)算P到Ps和Pe的距離ds、de，若ds

圖3 管片頂、底點(diǎn)云切片及斷面構(gòu)建

3 管片變形分析

本次試驗(yàn)共獲取了管片3種狀態(tài)下的掃描數(shù)據(jù)，即原型管片、加固臨界點(diǎn)的管片及復(fù)合腔體與管片黏結(jié)失效時(shí)的管片。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，拋棄了傳統(tǒng)的基于變形點(diǎn)以點(diǎn)代面的分析方式，選擇基于整體監(jiān)測(cè)對(duì)象模型的方式進(jìn)行對(duì)比分析。通過分析這3個(gè)時(shí)期下的模型變形情況，為試驗(yàn)數(shù)值模擬提供支撐。

3.1 掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

對(duì)獲取的3次管片點(diǎn)云進(jìn)行疊加對(duì)比分析，需要將這3次點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一坐標(biāo)系下?？紤]到保載裝置的對(duì)稱穩(wěn)定性，以保載裝置的中心反力裝置、24個(gè)方向的鋼拉力桿為特征完成坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。

3.2 管片變形分析

為進(jìn)一步分析管片整體變形情況，分別以上一期的掃描數(shù)據(jù)為參考做對(duì)比分析，可獲得未加固階段和加固階段下管片的整體變形信息，即管片變形3D色譜圖，如圖4、圖5所示。圖中暖色代表管片外張變形區(qū)域，綠色代表變形微小區(qū)域，冷色代表管片內(nèi)壓變形區(qū)域，顏色越深變形幅度越大。通過管片變形3D色譜圖能夠直觀地獲取管片整體的變形趨勢(shì)，進(jìn)而有針對(duì)性地制定下一步試驗(yàn)方案。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，管片寬度方向上，各處變形趨勢(shì)和大小一致；管片環(huán)向上，頂部藍(lán)色區(qū)域、腰部紅色區(qū)域變形最為嚴(yán)重。為進(jìn)一步分析管片重點(diǎn)變形區(qū)域的變形情況，將從管片變形、管片裂縫和接縫張開[12]這3個(gè)角度對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的整體變形進(jìn)行討論分析。

圖4 未加固階段管片3D比較偏差色譜圖

圖5 加固階段管片3D比較偏差色譜圖

3.2.1 管片變形

對(duì)比3次掃描數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)各階段結(jié)構(gòu)整體變形情況不一。在管片Z=0.5 m處，取斷面厚度20 mm，將Z=[0.49 m,0.51 m]范圍內(nèi)的離散點(diǎn)全部投影至Z=0.5 m的水平面上，構(gòu)建斷面輪廓線進(jìn)行斷面變形定量分析。圖6、圖7分別為原型管片、加固臨界點(diǎn)的管片和黏結(jié)失效時(shí)Z=0.5 m處的管斷面變形圖。

圖6 未加固階段管片的整體變形圖

圖7 加固階段管片的整體變形圖

如圖8(a)所示，未加固階段，管片在荷載作用下(P=454.8 kN)頂部與底部向管片中心變形，腰部向管片外部變形，整體變形呈“橫鴨蛋”狀，頂?shù)孜灰七_(dá)120 mm；加固階段至加固鋼板與管片黏結(jié)破壞時(shí)(P=560.0 kN)，與加固臨界點(diǎn)相比管片整體變形相對(duì)變小。

為進(jìn)一步定量分析管片的形變情況，采用極坐標(biāo)法對(duì)不同時(shí)期同一位置斷面疊加后進(jìn)行變形分析，計(jì)算方位角α上各點(diǎn)的位移變化，形變結(jié)果如圖8和表1所示。

圖8 加固試驗(yàn)荷載-位移曲線

表1 兩個(gè)階段同一位置斷面各個(gè)方位的形變情況單位：mm

圖8(a)為根據(jù)點(diǎn)云切片法提取三期斷面的形變曲線，對(duì)應(yīng)表1數(shù)據(jù)可以看出，加固階段相對(duì)于未加固階段，其變形幅度明顯變小，各階段變形最大值均位于水平方向或豎直方向。圖 8(b)為管片位移傳感器數(shù)據(jù)繪制的0°～180°頂?shù)追较蚪Y(jié)構(gòu)荷載與累計(jì)位移關(guān)系曲線，由圖可見，未加固階段，隨著荷載的增加結(jié)構(gòu)頂?shù)鬃冃窝杆贁U(kuò)大；加固階段至黏結(jié)失效前，隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)變形緩慢發(fā)展，且變形幅度明顯收窄。對(duì)比圖8(a)和圖8(b)可知，位移計(jì)繪制的頂?shù)桌塾?jì)位移曲線與3次掃描切片數(shù)據(jù)的整體變形趨勢(shì)及情況吻合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維激光掃描技術(shù)及切片法進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果證明加固階段鋼板與混凝土管片黏結(jié)效果良好，隧道的整體結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)于未加固階段有顯著提高。

3.2.2 管片裂縫

觀察帶有圖像信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第2次掃描時(shí)(加固臨界點(diǎn))，管片內(nèi)外均已出現(xiàn)裂縫：外弧面裂縫主要分布在標(biāo)準(zhǔn)塊B1、B2和封頂塊F上，且裂縫沿管片寬度方向發(fā)展，封頂塊附近裂縫寬度大于2 mm，其他位置裂縫寬度均在0.1～0.2 mm范圍內(nèi)；內(nèi)弧面裂縫主要分部在拱底塊D，同樣沿管片寬度方向發(fā)展，寬度均在0.1～0.2 mm范圍內(nèi)。

根據(jù)第3次掃描數(shù)據(jù)(黏結(jié)失效)發(fā)現(xiàn)，在荷載的作用下原有裂縫沿管片寬度方向延伸，并有新的裂縫出現(xiàn)。外弧面上新增裂縫主要分部在標(biāo)準(zhǔn)塊B1、B2與拱底塊D，沿管片寬度方向發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)塊上裂縫寬度大多在0.1～0.2 mm范圍內(nèi)；內(nèi)弧面上拱底塊D沿寬度方向出現(xiàn)貫通裂縫，寬度約為0.2 mm。

3.2.3 接縫張開

對(duì)比第1次掃描數(shù)據(jù)和第2次掃描數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，加固試驗(yàn)初期，各接縫張開量均無明顯變化，也沒有明顯破壞現(xiàn)象發(fā)生。第3次掃描數(shù)據(jù)顯示，352°接縫張開量出現(xiàn)明顯變化，內(nèi)側(cè)張開外側(cè)壓緊，接縫外側(cè)受壓區(qū)混凝土開始大面積脫落，8°接縫外側(cè)混凝土也已酥化，如圖9所示；73°與287°接縫張開量與之前也發(fā)生明顯變化，內(nèi)側(cè)因壓緊已導(dǎo)致弧面嚴(yán)重破碎伴隨外側(cè)弧面大幅度張開；138°接縫張開量明顯變化，接縫外側(cè)受壓區(qū)混凝土壓碎，如圖10所示。222°接縫在整個(gè)加固過程中張開量無明顯變化，也未出現(xiàn)明顯破壞的現(xiàn)象。

圖9 封頂塊接縫處外側(cè)混凝土壓碎

圖10 138°接縫外側(cè)混凝土壓碎

4 結(jié)束語

以模擬盾構(gòu)隧道在上部堆載作用下的1∶1單環(huán)襯砌管片為研究對(duì)象，針對(duì)加固前后管片變形分析進(jìn)行研究。考慮到焊接應(yīng)變計(jì)對(duì)復(fù)合腔體表面碳釬維的破壞會(huì)影響結(jié)構(gòu)的受力結(jié)果，在對(duì)管片及加固結(jié)構(gòu)不造成任何破壞影響的情況下，利用三維激光掃描技術(shù)高效精準(zhǔn)地完成了試驗(yàn)管片的數(shù)據(jù)采集，通過對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)管片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析，從管片整體變形、裂縫、接縫等角度分析管片加固前后變形的趨勢(shì)和范圍。結(jié)合變形數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)荷載值綜合分析，試驗(yàn)表明復(fù)合腔體加固方法可提高加隧道結(jié)構(gòu)的極限承載力，并可有效提高結(jié)構(gòu)的剛度，從而有效遏制未加固隧道的變形，是一種針對(duì)盾構(gòu)隧道的有效的加固方法。