基于移动三维激光扫描的地铁隧道渗漏水检测及致灾因子分析

0 引言

目前我国的地铁建设正处于大规模建设时期，越来越多的地铁线路投入运营。随着地铁的持续运营，隧道逐渐暴露出许多问题。地铁隧道的主要建造方法是盾构法，危害盾构隧道健康状态的病害主要有渗漏水、结构损伤、管片错台、地下结构变形和不均匀沉降等。其中，渗漏水是最为常见的一种隧道结构病害。在软土地区，盾构隧道的渗漏水的情况则更为常见。由于渗漏水对地铁安全运营的危害最大，会导致衬砌风化、腐蚀剥落，对隧道衬砌结构造成破坏；同时还会使围岩软化，引起其发生形变。地铁运营过程中对防水要求很高，一般要求车站达到一级防水、区间达到二级防水要求。然而当前的地铁施工技术尚未能一次性达到设计及规范防水要求，仍必须待结构强度满足要求后，进行渗漏水治理。因此，高效精准地检测地铁隧道渗漏水病害，并针对渗漏情况分析其成因和治理方法，是维护地铁隧道安全运行的关键。

地铁隧道历程长，检修窗时间短，传统人工视觉检测无法满足效率和精度的要求。近年来，移动三维激光扫描因其高效测量、海量点云数据、全隧道重构等优点，已广泛用于地铁隧道衬砌表观病害的检测中。本文结合深圳地铁2号线大剧院-湖贝隧道区间，运用三维激光扫描技术完成该区间内的渗漏水检测，并结合该隧道区间的施工工艺和施工材料做分析，提出可能产生渗漏水的原因。

1 工程概况

本次工程为大剧院至湖贝上行，均为地下线和地下站，无高架。深圳市轨道交通2号线线路平面图见图1。

图1 深圳地铁2号线平面图

深圳地铁2号线工程环境条件复杂，沿线工程地质岩层起伏较大、地层软硬不均，既穿越了淤泥软弱地层，也穿越了微风化花岗岩层，穿越填海区长度达7km以上，8次下穿既有运营地铁的线路。其中大剧院至湖贝区间穿越了既有运营地铁（1号线），区间长度为上行2km，采用盾构法施工。本区间在二次衬砌与初期支护之间设全包防水层，施工缝采用双条缓膨胀性止水条，区间防水等级为二级。本测量区间地质水文条件如表1。

表1 大剧院—湖贝（上行）地质水文条件

2 地铁隧道渗漏水检测方法

2.1 检测工作设计

2.1.1 三维激光扫描检测技术

本文采用三维激光扫描小车搭载高清相机的监测方式完成扫描，测量工具如图2所示。采用三维激光扫描技术和全景相机相结合的方式，在检测设备上同时配备三维激光扫描仪和全景相机，将最终的检测结果进行校核，既提高了检测的精度和准确性，也减少了人工核对的工作量。同时经过后期处理，可以将图像中的可见光谱信息（RGB）赋予到点云之中，能够在后期的点云建模工作中高度还原隧道内部衬砌的真实形态。轨检小车利用rMMS铁路移动测量系统以2-5km/h的速度采集隧道数据。

图2 三维激光扫描轨检小车示意图

三维激光扫描技术的基本原理是利用激光测距，即根据激光往返的时间，结合激光的速度和角度来判断测量点与被测量点之间的距离。在工作时激光发射器通过高速旋转的方式来快速测量隧道内部的场景信息，并将信息存储在点云中，在点云数据中不仅仅包括隧道内部的坐标信息，还包括点云强度等信息。在隧道出现渗漏水的区域，其点云的强度信息会明显低于周围区域，以强度为特征可以做到对渗漏水的识别，结合点云的坐标信息实现对隧道内渗漏水区域的定位。

2.1.2 点云数据处理步骤

隧道的检测内容包括管片点云拟合精度统计、隧道水平直径检测、隧道管片错台检测、隧道渗漏水位置检测。其中管片点云拟合精度统计来计算该断面拟合椭圆的标准差判断拟合椭圆的精度，从而确定该隧道各位置的点云坐标；通过测量隧道逐环管片的水平直径数值与规范要求的隧道水平直径进行比对，确定是否符合隧道养护规范要求；通过对隧道环片进行快速精确检测，获得隧道内部环片的错台分析成果，来分析各管片连接处接缝状况；最后通过对三维点云数据逐环片精确检测，获得隧道内部环片的渗透水检测成果，确定各出现渗漏水位置坐标和渗漏面积。其中点云数据处理步骤如下：

①基于点云的隧道断面提取。提取地铁隧道断面是点云投影处理的数学基础，本文采用椭圆拟合法，具体方法见本文2.2节。

②点云投影。将隧道断面拟合出的圆心与对应帧点云按照其两者的夹角展开，并根据两帧点云对应的灰度值中间值插入差值，完成正投影。

③图像灰度化。由于灰度图可充分反应图像的特征信息，且噪音干扰少，图像易辨识，为方便后续渗漏水识别，因此将点云投影图转化为灰度图。具体步骤可将原点云投影图RGB进行加权计算均值，加权计算公式如下，并将加权后的均值作为灰度化结果。

④点云图像的渗漏水识别。物体反射入射光的强度由其反射率决定，使用三维激光扫描时，反射率高的物体可接受更多的发射信号。由于在隧道中渗漏水区域的反射率大，因此比非泄漏区可吸收更多的激光信号，并且扫描仪的激光波长通常在近红外波段，该波段的发射光可以被水有效吸收，因此渗漏区的强度值常常明显小于非渗漏区。

2.2 检测成果

2.2.1 隧道管片点云拟合精度统计

利用rMMS铁路移动测量系统以2-5km/h的速度采集隧道数据，通过逐环管片断面上点云数据，计算该断面拟合椭圆的标准差，判断拟合椭圆的精度。标准差计算公式如下

其中：

①V（i）=D1-D2

椭圆圆心为（X，Y），某断面点云上任意点为（X，Y），椭圆圆心与点云上任意点连线与椭圆的焦点为（X，Y）

③N为该断面上点云点的个数。

由图3可知拟合椭圆标准差分布为最大标准差6.5mm，最小1.7mm，平均2.43mm，符合隧道管片点云拟合精度要求。

图3 大剧院—湖贝（上行）环片拟合标准差统计图

2.2.2 隧道水平直径测量结果

利用rMMS铁路移动测量系统以2-5km/h的速度采集隧道数据，通过逐环管片统计隧道直径，隧道逐环直径测量成果报表输出。本次测量中，大剧院-湖贝（上行）共计1078环。各管片水平直径统计情况见图4。

图4 大剧院—湖贝（上行）环片水平直径统计图

由图4可知共计1078环，其中水平直径与设计直径（5.4m）较差达到7cm以上（含7cm）的共有0环；水平直径与设计直径较差在5-7cm（含5cm）的共有0环，最大直径为5.4373m，环号第344环；水平直径与设计直径较差在0-5cm的共有1078环。水平直径收敛。

2.2.3 渗漏水检测结果

通过对三维点云数据逐环片进行快速精确检测，获得隧道内部环片的渗透水检测结果，并通过对隧道环片进行快速精确检测，获得隧道内部环片的错台分析结果。根据上述结果按照对应环号坐标绘制结果如图5。

图5 大剧院—湖贝（上行）环片拟合标准差统计图

经测量发现该区间共计169处渗水表中，69处出现错台，最大渗水面积为4.543m，平均渗水面积为0.70m。经现场对应里程发现渗水区多为管片接缝处与管片出现裂缝处。渗漏表现形式如图6所示。

图6 隧道管片各部位渗水状况范例图

3 渗漏水成因分析

渗漏水病害的位置和程度映射了主要的致灾因子，经现场对应里程发现渗水区多为管片接缝处与管片出现裂缝处。（图7）

图7 测量区间内各位置渗漏水占比

根据渗漏水位置占比并结合各部分渗漏程度以及现场勘查的隧道状况，本文做出以下成因分析：

3.1 管片接缝、裂缝渗漏水原因分析

3.1.1 管片破损

在施工阶段管片在运输或拼装中受到外力挤压、碰撞导致部分结构有所损坏，而在后期拼接、安装的过程中又未对已破损的管片予以处理，以致管片自身防水不合格而导致出现渗漏水。

3.1.2 管片拼装错位

由于管片拼接时相互挤压，容易导致封顶块止水条发生变形脱落，进而导致拼缝处形成渗漏水通道。此外，管片拼装时没有对齐出现错台，导致盾尾刷没有紧密包裹住管片，易产生渗漏水。在检测统计时发现渗水面积较大的区域其管片的错台量都较大。

3.1.3 管片止水带失效

在地铁进行运营后，由于隧道受周边施工及土体本身的浮力影响，从而发生不均匀沉降，进而导致管片接缝处的止水带失效。

3.2 管片螺栓处渗漏水原因分析

3.2.1 螺栓孔施工缺陷

盾构管片的螺栓孔、手孔等孔洞闭孔渗水。主要是螺栓孔、手孔等薄弱部位的混凝土存在缺陷或者施工质量不达标，从而导致螺栓孔未加防水密封垫圈或灌浆不密实，引发渗漏水。

3.2.2 防水材料选择不当

由于地铁隧道常产生不均匀沉降，而所选用的防水材料不能适应隧道的沉降和变形，从而使得防水材料产生开裂和脱落，引发渗水。

3.3 其他原因分析

3.3.1 隧道的不均匀沉降

由于地铁运营导致的循环荷载使得隧道所处的粘土层发生长期变形以及砂性土层的水土流失等原因，从而导致隧道产生不均匀沉降，进而扩大管片接缝的张开量从而引发渗漏水。

3.3.2 其他施工原因

在靠近该隧道区间一定范围内进行大量的加卸载活动，例如深基坑工程、地面堆载及大口径隧道上下穿越施工等，使得该隧道区间产生横向、纵向变形。此外由于壁后注浆质量不高，导致其充填不密实，从而造成受力不均，导致局部形变过大，使得防水层失去作用而引起渗漏水。

4 结语

本文通过深圳地铁2号线大剧院-湖贝一个盾构隧道区间的渗漏水病害检测，根据渗漏水出现的位置和程度提出该区间渗漏水病害的致害因子为管片渗漏，并结合该隧道区间的施工工艺、施工材料以及致灾因子分析提出了产生渗漏水的多项原因。由于隧道渗漏水不仅会加大地铁在建设过程中的施工难度，而且还会使得附近区域的水土过量流失，以致隧道内部沉降形变过度，严重危及后期运营的地铁列车行车安全。因此，全面分析导致地铁隧道渗漏水出现的主要成因，提出针对性的防控、治理措施是十分必要的，从而达到地铁隧道渗漏水的根治，来保障前期施工以及后期运营行车的安全。