隧道管片钢模宽度的数字化检测方法

上海隧道工程有限公司构件分公司 万洋

本文结合生产现场对钢模宽度的精度检测要求，提出了一种基于数字化的钢模合模宽度检测方法和装置。

管片制造流程

超深埋调蓄隧道管片初步设计的管片外径为11300mm，内径为10000mm，环宽为1500mm，管片厚度650mm。每环衬砌环由8块管片组成（如图1所示），其中1块封顶块（F）、2块邻接块（L1、L2）、5块标准块（B1、B2、B3、B4、B5）。为超深埋调蓄隧道管片的制造钢模，钢模主要由两块侧模、两块端模和底座等部件组成。侧模与底座、端模与底座直接都有铰链相连接，通过铰链可以将侧模、端模开启或合上（如图2所示）。浇筑前先在钢模中安装好钢筋骨架（如图3所示），再将搅拌好的混凝土浇筑至钢模中，振动成型。成型后还需进行光面、养护、休整，检验等步骤。

钢筋骨架的钢模

根据《GB50446盾构法隧道施工与验收规范》对钢筋混凝土管片模具的精度要求，在钢模宽度上，允许误差为±0.4mm。出于成本、精度等多方面考虑，工程应用的管片钢模一般需生产1000环管片，反复的开合模、振捣等操作，以及国内一般采用蒸养工艺来加快钢模周转速度，造成十分恶劣的使用环境。

图1 隧道管片及拼装示意

图2 钢模外形示意

图3 安装钢筋骨架的钢模

国内外钢模测量技术现状：管片质量通常通过精确测量钢模尺寸来保证。长期以来，国内外学者对于钢模尺寸精度测量进行了大量研究工作，按测量方法分，主要分为传统机械测量方法与现代光学电子技术测量方法两类。

传统机械测量方法

目前在生产现场，一般使用超大量程的内径千分尺来测量钢模的合模宽度是否超差，为减少测量误差，卡尺的测量臂不能太长，限制了测量范围在1000mm以下。经查表可得，内径千分尺的测量极限误差在2.1-4.7×10-4数量级。传统的机械测量方法中，大量程内径千分尺体积巨大，测量时需要耗费很大的人力物力，同时因为较高的精度要求，生产加工困难，造成成本偏高、易损耗、且损耗不易修复。

现代光学电子技术测量方法

除去传统的机械测量方法，当前国内外常见的对于大型构件的测量采用的是利用多类型仪器如三坐标测量机、激光跟踪仪、电子经纬仪等获得三维坐标数据，再经过计算机处理，获得其构件相应的测量值。

三坐标测量机是目前通用的快速精密测量工件几何尺寸，形状和位置的设备。但是其受到量程和直线型导轨运动的限制，并不适合管片生产流水线车间。

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。但是其对测量环境要求极高，受大气温度、压力、湿度及气流流动的影响很大，隧道管片生产流水线车间环境很难达到其工作要求。

经纬仪测量系统是以高精度的电子经纬仪作为角度传感器构成的工业测量系统，是目前国内外解决大尺寸工件形体测量的有效途径。它由两台高精度经纬仪、一把标定尺、一台工业电脑及后处理软件组成。两台经纬仪组成一个直角坐标系。此测量系统可以在生产现场组建，但是其操作复杂，测量效率低，并不适合流水线现场测量。

相比较于传统的机械量具测量，现代光学电子测量技术，具有体积小、重量轻、精度高等优势，但是受制于隧道管片生产的特定复杂环境，需要利用现代光学仪器进行自主设计装置，使其满足实际生产过程中的测量需要，为此下面介绍一种利用工业相机及激光测距仪协同工作的钢模宽度测量装置。

装置介绍

本文介绍的基于数字化的钢模合模宽度检测装置，不仅测量精度高、操作方便，还能基于测量结果给出超差判断和实时报警，为大批量、恶劣环境下生产隧道管片保证管片钢模合模精度提供了一种有效的技术手段。图4为该测量装置的外形和组成示意图。

此装置主要包括：高像素工业相机（图4中1处）、激光测距模块（图4中2处）、电源模块（图4中3处）、固定端测杆（图4中4处）、刻制在钢模侧壁的十字同心圆。以及后台基于移动PAD的分析计算系统和软件操作界面。

激光测距仪（Laser rangefinder）是利用调制激光的某个参数实现对目标的距离测量的仪器。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。采用激光测距传感器，可以达到非接触测量的效果，且精度较高，在如图4所示的装置两端各有一个。

将高像素工业相机与激光测距传感器集成，利用工业相机，识别事先在钢模指定面上激光雕刻出的标识，通过识别出的图案与标准图案对比，上传数据到软件部分，经过计算，得到最终实际距离。大大提高了实际测量操作时的效率，操作人员只需使测量装置基本到位就可以实现精密测量，而不需要像采用游标卡尺那样进行精确的测量定位。

图4 基于数字化的钢模合模宽度测量装置

图5 标记在钢模侧壁上的刻制位置示意图

图6 刻制在钢模侧壁的标记

图7 测量计算示意

采用固定端测杆的设计，因为采用的是激光测距模式，装置长度只要在一定范围内，对测距没有影响。并且固定装置长度有利于减少装置本身对宽度测距的误差影响。测杆内部中空，用于布置线路，由中间部位的移动电源向两端传感器供电。

为了配合钢模合模宽度测量中测量方向的快速准确获取，在钢模长度方向的内壁（如图5所示），用激光雕制如图6所示的六处识别十字图案，该图案由两个同心圆和两条相互垂直的直线组成。使得竖线AE的底端E点只过内圆而不过外圆。由此设定方向，A点为正上方，B点为正左方，C点为正右方，E点为正下方，D为圆心，由此能准确的判别方向。工业相机拍到该十字图案后可根据这几点自动算出相机在竖直方向与十字图案的偏差角，再将拍好的两个同心圆根据标准十字图案进行比对计算，计算出测量机架上工业相机所在的平面与侧模十字图案所在平面的方位关系即矢量角度偏差，从而在程序内部对激光测距传感器测出的距离进行自动换算与补偿。

测量原理及数据处理

整个钢模合模宽度快速检测于数据处理流程包括：

步骤一：将装置放置于钢模宽度方向，装置两端面本身设计长度为L3。

步骤二：将测杆两端面对准钢模上两边事先激光雕刻好的十字标识。

步骤三：按下测量按钮，工业相机与测距传感器同步获取测量数据，其中工业相机获取十字标识后进行图像分析，识别出照片中的十字标识与变形圆，然后经过数学计算，与标识的标准图6进行对比，得出此时测杆与待测面的方位关系即测量杆与待测面所成夹角α，同时激光测距传感器2发射激光，得到相应方向，装置端面到达钢模待测面的距离L1与L2。

步骤四：参见如图7所示的计算示意图，将L1、L2、L3及α角上传至软件部分，定L为钢模两待测面间距离，L=（L1+L2+L3）＊sinα即为此时钢模宽度间的实际距离值。重复同样的步骤，在三处测量工位各完成一次测量，以获得数据的多样性。

得到的测量结果实际值与相应的允许值作对比，如果超差出允许的值，则将会发出警报，提醒工作人员，对钢模进行修正，以保证浇筑的隧道管片达到设计精度，进而成功安装。

实例操作演示

在PAD端的操作界面上依次排列有测量系统、校准、钢模标定等选项。需要定期对装置进行校准，每种钢模型号都需要在精准合模后，进行标定，将精准数据作为之后流水线生产的检测标准。

校准。利用图8所示的专用校准装置对测量装置进行校准。制作专用的检测标准器，如图8所示，在其左右内壁上雕刻好图6所示的标识，此标识的大小、位置、标准器两立板之间的距离，均经由上级鉴定机关矫正鉴定，达到精确标准。使用本测量装置，对两板间距离进行三次测量，将测量值与标准值对比，如有需要，进行数据补偿ΔL，将该装置校准至精确。

图8 校准专用标准器

表1 测量数据(单位：mm)

表2 重复性实验数据（单位：mm）

钢模标定。由于隧道管片采用钢筋混凝土预制，长期使用钢模后，宽度方向内侧的表面平面度很低，不适宜采用固定名义值作为流水线测量的标准。因此在确认测量装置已经校准达到精度要求后，钢模标定采用指定型号已经合模达标的钢模，测量几何尺寸，作为同型号管片生产的检测标准。此阶段，测量记录共十个宽度值作为流水线测量的名义值。

测量系统。对标准钢模进行标定完毕后，进入测量界面。选择对应的钢模型号，此时待测量的十个宽度位置名义值自动弹出。将测杆放入指定位置，点击测量键，如超过公差规定，则会高亮预警，调整钢模位置，重新测量，直至满足宽度要求。

测量数据。对宽度为1m的试验钢模宽度方向十个位置各进行三次测量，测量数据如表1所示。

测量精度

标准器测量重复性

在相同的测量环境下，测量人员在短时间内，利用图8所示的校准专用标准器对本测量仪器进行测量重复性实验，标准器宽度为900mm，实验数据如表2所示。

仪器重复性即为相对标准偏差（Relative Standard Deviation， RSD）计算公式如下：

相对标准偏差（RSD）满足仪器重复性标准要求。

仪器精度不确定度计算

因此该装置的合成标准不确定度为：

此装置为适应工业现场测量需求而设计，对测量质量评价应留有一定余量，因此管片钢模宽度测量装置的扩展不确定度为0.01mm，满足管片钢模宽度测量装置精度需求。