基于三維激光掃描儀的隧洞表觀缺陷檢測研究

楊保成

新疆水利發(fā)展投資（集團）有限公司，新疆 烏魯木齊 830000

1 引水隧洞缺陷檢測方法

1.1 工程背景

文中依托某水電站引水隧洞工程項目，該隧洞全長約520 m，中上段長度約為195.20 m，存在8%的下降坡度，洞徑為9 m。斜井段長度為85.20 m，與水平線夾角為55°。該隧洞的上平段底板高層為750 m，下平段高程為641 m，襯砌形式包含鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和鋼板襯砌結(jié)構(gòu)兩種類型。通過將三維激光掃描儀搭載于巡檢機器人中進行襯砌的表觀巡檢，以獲取在隧洞運行期間的表觀缺陷。

1.2 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀主要包含兩部分，分別為激光測距儀和反射棱鏡。工作時，激光測距儀發(fā)射激光，再根據(jù)接收到的反射信號進行測距，通過不同水平和垂直方向角的斜距測量配合，獲得掃描點的空間相對坐標。

1.3 缺陷檢測方法

引水隧洞的水平段和斜井段缺陷檢測由巡檢機器人完成。該巡檢機器人的單元系統(tǒng)由多種檢測傳感器集成而成，地面控制單元對爬行器單元下傳控制命令，然后再將傳感器獲得的數(shù)據(jù)上傳。布設(shè)三維激光掃描測站，間距設(shè)為10 m，當巡檢機器人移動至測站后進行停留，由三維激光掃描儀進行掃描，掃描時間控制不超過10 min。此外，為保證巡檢機器人進入測站后能保持靜止，在上平段靠近斜井段位置處安裝機器人牽引固定錨點，通過錨點對安全繩進行固定。

2 檢測結(jié)果后處理

2.1 數(shù)據(jù)處理

為減小采集到的數(shù)據(jù)處理誤差，基于掃描到的圖像特征，通過三維重建方法和提取圖像序列的特定算法，結(jié)合點云網(wǎng)格化完成目標三維模型的構(gòu)建。該方法的實現(xiàn)主要分為六步，第一步為建立工程文件，第二步為原始數(shù)據(jù)的導入，第三步為定位點云數(shù)據(jù)，第四步為點云數(shù)據(jù)的拼接，第五步為處理成果圖像，第六步為缺陷標識的檢測。

根據(jù)特征點云完成圖像拼接是數(shù)據(jù)處理的核心。通過相同特征點云對相鄰兩站數(shù)據(jù)進行拼接，并將基準站設(shè)為第一站，逐次進行每個測站的數(shù)據(jù)拼接。最后，對每個站的數(shù)據(jù)精度進行檢查，從而實現(xiàn)對巡檢成果的真實反映。

2.2 缺陷標定與解析

基于實測點云數(shù)據(jù)，對隧洞實測中軸線進行擬合，并對比以往的實測數(shù)據(jù)，以對隧洞體型變化情況進行分析。將檢測數(shù)據(jù)進行收集和整理后，該引水隧洞共發(fā)現(xiàn)108 處缺陷，包含裂縫、滲水等缺陷類型。其中，滲漏點為19 處，主要分布于下平段后段位置處，裂縫共89條，裂縫長度在0.45～9.72 m范圍區(qū)間內(nèi)。此外，觀察引水隧洞混凝土表面可以發(fā)現(xiàn)，滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫，并存在鈣質(zhì)析出的情況出現(xiàn)。

3 缺陷規(guī)律分析

3.1 缺陷分布

對引水隧洞缺陷在不同洞段的分布情況進行了數(shù)據(jù)收集和整理。結(jié)果顯示，存在43處缺陷于隧洞上平段，存在21處缺陷于隧洞斜井段，存在44處缺陷于隧洞下平段。此外，由于在中平段靠后位置處通過鋼板進行了襯砌，因此未在該位置處發(fā)現(xiàn)存在結(jié)構(gòu)缺陷。

圖1為裂縫在沿隧道軸線方向的分布情況?？梢钥闯?，裂縫主要分布在上平段和下平段，斜井段裂縫數(shù)量較少。裂縫分布最密集區(qū)域位于下平段380～480 m范圍內(nèi)，因此該區(qū)間內(nèi)的隧洞風險系數(shù)較高，在實際工程施工和設(shè)計時應(yīng)考慮必要的加固措施。在隧洞長度40～220 m范圍內(nèi)，缺陷數(shù)量在5個以上，且分布較為穩(wěn)定。相對而言，斜井段即隧道軸線中部位置處裂縫數(shù)量相對較少，普遍未超過5個。

圖1 沿軸線方向裂縫分布規(guī)律圖

圖2 展示了缺陷在不同隧洞斷面的分布情況。從圖中可以看出，缺陷主要分布于洞頂位置處，而缺陷數(shù)量最少的為洞底位置處。上平段洞頂位置缺陷數(shù)量達到了35 個，下平段洞頂位置達到了32 個，斜井段洞頂位置缺陷數(shù)量達到了12 個。左洞腰、右洞腰和洞底位置處的缺陷數(shù)量均未超過5個。

圖2 隧洞斷面缺陷分布規(guī)律圖

圖3展示了不同缺陷類型在各洞段的分布情況。從圖3中可以看出，點滲漏缺陷類型主要分布于斜井段，數(shù)量達到了7個。裂縫缺陷類型主要分布于上平段和下平段，均超過了30處，相對來說于斜井段分布較少，數(shù)量為16個。結(jié)構(gòu)縫滲水缺陷類型主要分布于上平段，數(shù)量達到了10個，而斜井段結(jié)構(gòu)縫滲水缺陷最少，數(shù)量為2 個?？傮w來說，各洞段的主要缺陷類型為裂縫缺陷。出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可能與引水隧洞的施工過程有關(guān)，在施工時通常由洞頂施工，最后施工洞底，在洞頂與洞腰間由于混凝土的收縮會形成類似施工縫的“反縫”，因而在后期導致裂縫增多。

圖3 不同缺陷類型在各洞段的分布規(guī)律圖

3.2 裂縫特征

圖4 展示了隧洞內(nèi)不同長度裂縫的分布情況。從圖中可以看出，上平段內(nèi)主要為中、長裂縫，超過5 m的裂縫數(shù)量達到了37條，無小于2 m的裂縫出現(xiàn)。斜井段三種裂縫類型分布較為均勻，數(shù)量均在5條左右。下平段裂縫分布規(guī)律與上平段類似，無長度小于2 m的裂縫分布，中、長裂縫數(shù)量基本相當。

圖4 隧洞內(nèi)不同長度裂縫分布規(guī)律圖

圖5展示了隧洞內(nèi)各斷面不同裂縫的分布情況。從圖中可以看出，超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處，而洞底裂縫數(shù)量較少，主要為小于2 m的裂縫，左、右洞腰裂縫數(shù)量基本相當。

圖5 隧洞各斷面不同長度裂縫分布情況圖

3.3 缺陷原理分析

由于受到隧洞上覆巖層的影響，引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)主要受到水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的荷載作用。若引水隧洞的埋深較淺，則在計算時往往不需要考慮地層的構(gòu)造作用，因此其圍巖應(yīng)力特點與彈性理論應(yīng)力狀態(tài)較為接近，其應(yīng)力可以通過下式確定：

式中：σz表示垂直方向的主應(yīng)力。σx和σy分別表示兩個水平方向的主應(yīng)力。γ表示土體容重。K0表示靜止土壓力系數(shù)，通常取0.25～0.4。μ表示泊松比，通常在0.2～0.3 之間。從上式可以看出，圍巖垂直方向的主應(yīng)力通常大于水平方向主應(yīng)力。

由于引水隧洞頂部的垂直壓力荷載相較于洞腰的水平荷載更大，使得襯砌結(jié)構(gòu)洞頂內(nèi)側(cè)存在較大的拉引力，故而導致在洞頂位置處出現(xiàn)較長的受拉裂縫。此外，由于水平段內(nèi)受圍巖自重的影響程度遠大于斜井段，因此也導致了斜井段缺陷數(shù)量相較于水平段較少。

4 結(jié)論

為檢測引水隧洞的表觀缺陷，文中基于三維激光掃描儀和點云成像技術(shù)，提出了一種完整的隧洞表觀缺陷檢測方案，對隧洞缺陷分布特點進行研究。得到如下結(jié)論：引水隧洞共發(fā)現(xiàn)108處缺陷，包含裂縫、滲水等缺陷類型。滲漏點為19處，主要分布于下平段后段位置處；裂縫共89 條，裂縫長度在0.45～9.72 m范圍內(nèi)。滲水裂縫主要為線狀微滲水裂縫，存在鈣質(zhì)析出的情況。隧洞上平段有43處缺陷，隧洞斜井段有21處缺陷，隧洞下平段有44 處缺陷。裂縫分布最密集區(qū)域位于下平段380～480 m 范圍內(nèi)，工程施工和設(shè)計時應(yīng)考慮必要的加固措施。超過5 m的裂縫主要分布于洞頂位置處，洞底裂縫數(shù)量較少，主要為小于2 m的裂縫，左、右洞腰裂縫數(shù)量基本相當。