超大直径盾构管片激光跟踪三维测量关键技术

李 磊

中交隧道工程局有限公司北京盾构工程分公司，北京 100020

近年来，盾构法隧道施工在我国飞速发展，其应用范围不仅局限于城市地铁建设，还包括过江、过海隧道工程等，向着应用多元化、直径超大化发展。尤其针对盾构穿越长江这类型大直径隧道，管片埋深较大、水头压力高，管片模具的精度会直接影响管片尺寸的生产精度，容易造成盾构隧道管片破损、开裂及渗水等现象，给隧道带来很大的安全隐患。

激光跟踪三维测量技术通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点（x、y、z）的坐标等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1∶1的三维模型。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。南京和燕路过江通道项目部将三维激光扫描技术引入管片模具的检测当中，成功地克服了现有模具检测中存在的点位过少、精度低等缺点，确保了管片几何尺寸。文章将管片模具三维检测和管片成品三维检测数据进行对比，并将计算机模拟水平拼装跟人工水平拼装进行对比，通过施工现场管片拼装实际情况对三维激光扫描测量结果进行复核，得出相关结论。

1 工程概况

南京市和燕路过江通道南段工程隧道盾构段土建施工项目A3标段单线长2976m，盾构由八卦洲工作井始发，下穿长江，主要穿越地层为粉细砂、角砾岩、角砾状灰岩层，并存在岩溶区域和多条断裂带区域，地质条件复杂，隧道底承受的最大水压达到790kPa，施工难度较高。隧道开挖直径为15.02m，管片外径为14.5m，内径为13.3m，环宽2000mm，厚度为600mm，每环由10块组成，分别为标准块7 块（B1～ B7）、邻接块 2 块（L1、L2）、封顶块 1 块（F）[1]。

该管片采用双面楔形，楔形量48mm，封顶块（F）外弧面为环宽最小处，宽度为1976mm，标准块（B4）外弧面为环宽最大处，宽度为2024mm。该管片取消了常用管片采用的剪力销，采用凹凸榫结构形式，此结构形式可以大幅度提高环间管片抗剪切能力，抑制错台变形，但是凹凸榫之间只有2mm设计间隙，对管片预制精度要求非常严格，稍有不慎就会导致应力集中开裂，造成管片渗漏。管片的基本参数如表1所示。

表1 管片的基本参数

2 三维激光扫描相关技术

2.1 工作原理

三维激光扫描技术又称为实景复制技术，是测绘领域继GNSS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。点云数据经过计算机处理后，结合CAD等软件可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

地面三维激光扫描系统主要由三部分组成：扫描仪、控制器和电源供应系统。激光扫描仪自身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时集成CCD与仪器内部控制和校正系统等。在仪器内通过两个同步反射镜快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间（或者相位差）来计算距离，同时内置精密时钟控制编码器，同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ，确定点P的三维坐标。

2.2 设备介绍

三维激光扫描方式包括很多类型，主要分为反射球测量方案、手持式探测方案、手持式扫描方案、自动化方案，管片模具尺寸较大，最大弧长约5m，宽度为2m，因此采用反射球测量方案，反射球允许在直径160m范围内进行高速的动态测量，精度为±3μm，主机为徕卡AT960，技术参数如表2所示，该设备具有动态六自由度（6DoF）功能。

表2 徕卡AT960技术参数

2.3 模型的建立

检测模具时，需要将每次扫描的三维模型同基准模型进行对比，其偏差值为模具的变形值，因而首先要按照模具设计图纸建立管片模型[2]。

2.4 管片模具参数及管片成品参数对比

管片模具及管片成品测量的重要参数为宽度和弧长，文章将以B7-2管片模具为例，将B7-2管片模具与B7-2生产的管片进行对比，得出相关结论。管片模具参数与管片成品参数对比如表3所示。

表3 管片模具参数与管片成品参数对比表 单位：mm

通过表3可以得出以下结论：（1）管片模具与其生产的管片三维激光扫描数据对比，宽度最大差值为0.1mm，弧长最大差值为0.1mm，说明模具的误差与其生产的管片的误差基本相同；（2）通过矢量图对比可知，管片模具变形趋势与管片变形趋势较为相似，管片模具的测量结果基本代表管片成品的测量结果。

2.5 模拟三环拼装与实际三环拼装值对比

按照现行规范《预制混凝土衬砌管片》（GB/T 22082—2017）要求，每生产200环管片需要对管片成品进行水平拼装试验，主要目的是检测管片模具在使用过程中是否发生变形，管片精度是否满足要求。

针对大直径盾构管片，每块管片的重量约15t，在实际拼装过程中，很容易受到吊装设备和人员操作的影响，影响最终的拼装数据。如果采用现代人工智能手段，借助三维激光扫描测量结果以及计算机辅助系统进行模拟水平拼装，将是工程界的一大重要革新，解决了人工和设备误差，使结果更加地精准，提高了产品质量[3]。

此次南京和燕路过江通道南段隧道工程A3标将采用计算机模拟水平拼装，将计算机数据与实际人工水平拼装数据进行对比。首先，将2套模具生产的成品管片进行三维激光扫描测量，采集相关数据；其次，选择熟练的三环拼装人员，采集相关数据。经过相关对比试验，可得出以下结论：（1）根据三维激光扫描测量管片成品得出的数据进行电脑模拟水平拼装，得出的数据更加精准；（2）采用人工水平拼装，环缝、纵缝检测值相比于模拟水平拼装都偏大，说明人工拼装存在误差，若三维模拟数据为规范极限值，人工拼装相应值就可能超出规范要求，结果较不规范。

2.6 施工拼装现场实际拼装情况

目前南京和燕路过江通道南段隧道工程A3标已经掘进950环，在950环施工过程中隧道管片无破损、开裂以及渗水等现象，且现场拼装各项指标都符合规范和设计要求，说明管片的尺寸符合规范和设计要求，全过程三维激光扫描技术在管片预制过程中起到了关键性作用。

3 结束语

大直径盾构都是穿江穿海等大型工程，施工过程中难度大，地下水压高，为保证隧道无开裂渗漏，对管片的精度要求非常高。该项目管片预制过程中采用三维激光扫描技术进行过程控制，起到了关键性的作用，减少了人工误差，保证了施工质量，为之后类似工程提供了宝贵的参考建议。