李 磊
中交隧道工程局有限公司北京盾構(gòu)工程分公司,北京 100020
近年來,盾構(gòu)法隧道施工在我國飛速發(fā)展,其應(yīng)用范圍不僅局限于城市地鐵建設(shè),還包括過江、過海隧道工程等,向著應(yīng)用多元化、直徑超大化發(fā)展。尤其針對(duì)盾構(gòu)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(huì)直接影響管片尺寸的生產(chǎn)精度,容易造成盾構(gòu)隧道管片破損、開裂及滲水等現(xiàn)象,給隧道帶來很大的安全隱患。
激光跟蹤三維測(cè)量技術(shù)通過高速激光掃描測(cè)量的方法,大面積、高分辨率地快速獲取物體表面各個(gè)點(diǎn)(x、y、z)的坐標(biāo)等信息,由這些大量、密集的點(diǎn)信息可快速復(fù)建出1∶1的三維模型。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。南京和燕路過江通道項(xiàng)目部將三維激光掃描技術(shù)引入管片模具的檢測(cè)當(dāng)中,成功地克服了現(xiàn)有模具檢測(cè)中存在的點(diǎn)位過少、精度低等缺點(diǎn),確保了管片幾何尺寸。文章將管片模具三維檢測(cè)和管片成品三維檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,并將計(jì)算機(jī)模擬水平拼裝跟人工水平拼裝進(jìn)行對(duì)比,通過施工現(xiàn)場(chǎng)管片拼裝實(shí)際情況對(duì)三維激光掃描測(cè)量結(jié)果進(jìn)行復(fù)核,得出相關(guān)結(jié)論。
南京市和燕路過江通道南段工程隧道盾構(gòu)段土建施工項(xiàng)目A3標(biāo)段單線長2976m,盾構(gòu)由八卦洲工作井始發(fā),下穿長江,主要穿越地層為粉細(xì)砂、角礫巖、角礫狀灰?guī)r層,并存在巖溶區(qū)域和多條斷裂帶區(qū)域,地質(zhì)條件復(fù)雜,隧道底承受的最大水壓達(dá)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(nèi)徑為13.3m,環(huán)寬2000mm,厚度為600mm,每環(huán)由10塊組成,分別為標(biāo)準(zhǔn)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(huán)寬最小處,寬度為1976mm,標(biāo)準(zhǔn)塊(B4)外弧面為環(huán)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(jié)構(gòu)形式,此結(jié)構(gòu)形式可以大幅度提高環(huán)間管片抗剪切能力,抑制錯(cuò)臺(tái)變形,但是凹凸榫之間只有2mm設(shè)計(jì)間隙,對(duì)管片預(yù)制精度要求非常嚴(yán)格,稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中開裂,造成管片滲漏。管片的基本參數(shù)如表1所示。
表1 管片的基本參數(shù)
三維激光掃描技術(shù)又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù),是測(cè)繪領(lǐng)域繼GNSS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng),在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量,直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度,自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算,獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后,結(jié)合CAD等軟件可快速重構(gòu)出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。
地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由三部分組成:掃描儀、控制器和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀自身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時(shí)集成CCD與儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi)通過兩個(gè)同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn),將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測(cè)區(qū)域,測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表面再返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間(或者相位差)來計(jì)算距離,同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器,同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ,確定點(diǎn)P的三維坐標(biāo)。
三維激光掃描方式包括很多類型,主要分為反射球測(cè)量方案、手持式探測(cè)方案、手持式掃描方案、自動(dòng)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(cè)量方案,反射球允許在直徑160m范圍內(nèi)進(jìn)行高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量,精度為±3μm,主機(jī)為徠卡AT960,技術(shù)參數(shù)如表2所示,該設(shè)備具有動(dòng)態(tài)六自由度(6DoF)功能。
表2 徠卡AT960技術(shù)參數(shù)
檢測(cè)模具時(shí),需要將每次掃描的三維模型同基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比,其偏差值為模具的變形值,因而首先要按照模具設(shè)計(jì)圖紙建立管片模型[2]。
管片模具及管片成品測(cè)量的重要參數(shù)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(chǎn)的管片進(jìn)行對(duì)比,得出相關(guān)結(jié)論。管片模具參數(shù)與管片成品參數(shù)對(duì)比如表3所示。
表3 管片模具參數(shù)與管片成品參數(shù)對(duì)比表 單位:mm
通過表3可以得出以下結(jié)論:(1)管片模具與其生產(chǎn)的管片三維激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)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(chǎn)的管片的誤差基本相同;(2)通過矢量圖對(duì)比可知,管片模具變形趨勢(shì)與管片變形趨勢(shì)較為相似,管片模具的測(cè)量結(jié)果基本代表管片成品的測(cè)量結(jié)果。
按照現(xiàn)行規(guī)范《預(yù)制混凝土襯砌管片》(GB/T 22082—2017)要求,每生產(chǎn)200環(huán)管片需要對(duì)管片成品進(jìn)行水平拼裝試驗(yàn),主要目的是檢測(cè)管片模具在使用過程中是否發(fā)生變形,管片精度是否滿足要求。
針對(duì)大直徑盾構(gòu)管片,每塊管片的重量約15t,在實(shí)際拼裝過程中,很容易受到吊裝設(shè)備和人員操作的影響,影響最終的拼裝數(shù)據(jù)。如果采用現(xiàn)代人工智能手段,借助三維激光掃描測(cè)量結(jié)果以及計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)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(shè)備誤差,使結(jié)果更加地精準(zhǔn),提高了產(chǎn)品質(zhì)量[3]。
此次南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標(biāo)將采用計(jì)算機(jī)模擬水平拼裝,將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)與實(shí)際人工水平拼裝數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。首先,將2套模具生產(chǎn)的成品管片進(jìn)行三維激光掃描測(cè)量,采集相關(guān)數(shù)據(jù);其次,選擇熟練的三環(huán)拼裝人員,采集相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過相關(guān)對(duì)比試驗(yàn),可得出以下結(jié)論:(1)根據(jù)三維激光掃描測(cè)量管片成品得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行電腦模擬水平拼裝,得出的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn);(2)采用人工水平拼裝,環(huán)縫、縱縫檢測(cè)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(shù)據(jù)為規(guī)范極限值,人工拼裝相應(yīng)值就可能超出規(guī)范要求,結(jié)果較不規(guī)范。
目前南京和燕路過江通道南段隧道工程A3標(biāo)已經(jīng)掘進(jìn)950環(huán),在950環(huán)施工過程中隧道管片無破損、開裂以及滲水等現(xiàn)象,且現(xiàn)場(chǎng)拼裝各項(xiàng)指標(biāo)都符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,說明管片的尺寸符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求,全過程三維激光掃描技術(shù)在管片預(yù)制過程中起到了關(guān)鍵性作用。
大直徑盾構(gòu)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(duì)管片的精度要求非常高。該項(xiàng)目管片預(yù)制過程中采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行過程控制,起到了關(guān)鍵性的作用,減少了人工誤差,保證了施工質(zhì)量,為之后類似工程提供了寶貴的參考建議。