CN107621231A - 一种隧道二次衬砌厚度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种隧道二次衬砌厚度检测方法，包括：步骤1、在隧道施工中利用三维激光扫描仪分别在隧道初次支护后和二次衬砌施工结束后进行隧道真三维点云扫描，得到三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型；步骤2、通过两次扫描的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型进行对比分析，运用数据融合技术和分形技术得到隧道二次衬砌厚度。采用本发明的技术方案，克服了三维激光扫描技术在隧道模型建立与衬砌厚度分析中的不确定性问题和结构质量无法检测问题，以及克服了地质雷达在隧道衬砌检测检测中的信息量不足与效率低下问题。

Description

一种隧道二次衬砌厚度检测方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种隧道二次衬砌厚度检测方法。

背景技术

在山岭隧道施工过程中，新奥法的施工工序一般是隧道开挖、初次支护、二次衬砌支护，对施工结束后的二次衬砌混凝土厚度进行地质雷达无损检测。二次衬砌是隧道安全运营的重要保证，然而施工过程又无实质性的控制手段，一旦二次衬砌厚度不能满足施工规范要求，就很有可能产生隧道运营期二次衬砌开裂、渗漏水等问题，严重时可能发生隧道变形过大，导致隧道坍塌，严重威胁来往车辆的安全，直接影响隧道的正常使用。

传统的雷达无损检测方法存在诸多弊端，对隧道拱顶等位置较高部位进行雷达测量较困难，且采集到数据量小，只能反映雷达测线内二次衬砌厚度，而不能对隧道整体二次衬砌厚度进行全面检测，以及雷达测量时存在效率低下，操作不便等诸多问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种隧道二次衬砌厚度检测方法，克服了三维激光扫描技术在隧道模型建立与衬砌厚度分析中的不确定性问题和结构质量无法检测问题，以及克服了地质雷达在隧道衬砌检测检测中的信息量不足与效率低下问题。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种隧道二次衬砌厚度检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在隧道施工中利用三维激光扫描仪分别在隧道初次支护后和二次衬砌施工结束后进行隧道真三维点云扫描，得到三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型；

步骤2、通过两次扫描的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型进行对比分析，运用数据融合技术和分形技术得到隧道二次衬砌厚度。

作为优选，步骤1具体为：隧道初次支护施工完毕后，根据隧道施工控制网加密控制点，在加密控制点布设“十字标靶”或“标志球”，根据隧道断面尺寸划分测区，在每个测区的中部架设三维激光扫描仪，采集隧道真三维点云数据，对点云进行融合处理和分形处理，得到初次支护完毕后隧道三维模型，采用同样的方法得到相同里程段同一坐标系下隧道二次衬砌施工完毕后隧道三维模型。

作为优选，根据隧道施工控制网加密控制点，并连接成控制导线，导线边长度不超过10米，呈左右折线形式，导线点上分别安装“十字标靶”或“标志球”。

作为优选，根据隧道断面尺寸划分测区，测区长度为隧道宽度的2～3倍。

作为优选，步骤2具体为：将两次测量到的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型在Geomagic Qualify软件中打开，并对其进行3D比较，通过数据融合分析可以得到隧道正射影像图、三维偏差数字分析模型和断面分析图；其中，所述隧道正射影像图以三维图谱的形式表现，颜色的深浅代表二次衬砌厚度的大小；所述断面分析图是用来确定隧道二次衬砌轮廓以及断面内任意一点的二次衬砌厚度；通过验证的三维偏差分析数字模型与设计文件中二次衬砌厚度进行对比，评定隧道二次衬砌厚度合格率。

作为优选，还包括：通过三维激光扫描方法所检测出的二次衬砌厚度值可以与使用地质雷达检测出的二次衬砌厚度值进行比较，应用数理统计中的假设检验与置信概率理论对其结果进行检验，以验证其正确性。

作为优选，在对三维扫描检测结果进行正确性验证时，首先使用地质雷达对隧道某一部位进行二次衬砌厚度检测，可以得出测线内二次衬砌厚度平均值σ₀，在三维偏差分析数字模型中通过坐标范围可以筛选出地质雷达测线范围内的二次衬砌厚度值，可以进一步计算出所筛选数据的均值σ与方差s，使用数理统计中假设检验的t检验方法，检验假设：H₀:σ＝σ₀在显著性水平α＝0.05的条件下是否成立，若成立，则证明本次三维扫描检测结果可信，若不成立，则检测过程中出现错误，应反复查证。

相比于传统方法，本发明具有以下优点：

1、三维扫描仪工作受环境影响小，测量过程中，全面采集隧道信息，同时具有精度高、速度快、自动化程度高，不影响现场施工工作，大大提高工作效率；

2、基于三维扫描的隧道二次衬砌厚度检测方法在Geomagic Qualify软件中进行对比运算，得到全隧道二次衬砌厚度，同时可以从整体、局部等不同角度进行观察，隧道二次衬砌厚度能够以Excel文件形式导出，便于进一步整理计算；

3、检测结果可以通过数理统计方法进行检验，结果真实可靠。

附图说明

图1为本发明实施过程中控制网布置图；

图2为本发明实施过程中的测区划分图；

图3为本发明实施过程中扫描仪与标靶位置图；

图4为本发明建立的初次支护结束后隧道三维模型图；

图5为本发明所得出的隧道正射影像图；

图6为本发明所得出的隧道断面分析图；

图7为本发明的隧道二次衬砌厚度检测方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步的说明，为业内技术人员实施本发明做详细说明：

如图7所示，本发明实施例提供一种隧道二次衬砌厚度检测方法，包括以下步骤：

步骤1、在隧道施工中利用三维激光扫描仪分别在隧道初次支护后和二次衬砌施工结束后进行隧道真三维点云扫描，得到三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型；

步骤2、通过两次扫描的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型进行对比分析，运用数据融合技术和分形技术得到隧道二次衬砌厚度。

如图1所示，在隧道初次支护施工后，根据隧道施工控制网加密控制点，并连接成控制导线，导线边长度不超过10米，呈左右折线形式，导线点上分别安装“十字标靶”或“标志球”，

如图2所示，根据隧道断面尺寸划分测区，测区长度为隧道宽度的2～3倍，并在每个隧道测区的中部架设三维激光扫描仪，采集隧道初支后表面的真三维点云数据。

具体的，所述三维扫描仪与前后标靶的距离大约为20m。

具体的，如图3所示，在相邻两测站之间需要设置三个及以上的公共标靶，且两测站之间距离不超过45m。

将扫描得到的点云数据导入SCENE软件，通过标记标靶对测站进行拼接，同时将加密控制点坐标值赋予相对应的标靶，进行预处理，可以将三维点云模型坐标转换为施工控制网坐标系下隧道三维点云模型，并将模型以.wrl的文件格式导出。

具体的，标记标靶时，相邻两测站之间公共标靶对应成功称为有效标靶，相邻两测站之间至少有三个有效标靶才可以完成两站间的拼接，有效标靶数量越多越有利于测站拼接，精度越高。

将导出的.wrl坐标点文件在Geomagic Qualify软件中打开，对真三维点云数据进行融合处理和分形，建立在隧道施工控制网坐标系下的三维隧道初支实体模型。并进行去噪点或手动删除杂点的方法进行去噪处理，最后封装得到隧道初支完毕后三维模型，如图4所示。

所述融合处理和分形技术是采用Geomagic Qualify软件，主要包括点云去噪、减少噪音、删除体外孤点、点云合并、点云封模等。

对同一隧道的相同里程段处，在隧道二次衬砌施工完毕后，恢复隧道控制网，布设“十字标靶”或“标志球”，采集隧道二次衬砌后的表面的真三维点云数据，建立在同一隧道施工控制网坐标系下的三维隧道二次衬砌实体模型。

将得到的两个三维实体模型在Geomagic Qualify软件中打开，进行3D比较，得到隧道二次衬砌厚度正射影像图，如图5所示，对正射影像图进行数据融合分析和剖切处理，生成隧道三维偏差分析模型和断面分析图，提出隧道二次衬砌厚度的空间信息数据。

如图5所示，所述正射影像图是用来分析确定不同角度隧道二次衬砌厚度分布情况以及隧道二次衬砌薄弱位置，彩色为两次扫描重合部分，颜色的深浅代表二次衬砌厚度的大小。

由正射影像图可以导出三维偏差分析数字模型，所述三维偏差分析数字模型是隧道衬砌厚度统计分析和隧道衬砌厚度检验分析的数据基础，为隧道二次衬砌检测评价提供数据依据。

对正射影像图进行断面剖切处理可以得到任一里程的断面分析图，如图6所示，所述断面分析图是用来确定隧道二次衬砌轮廓以及断面内任意一点的二次衬砌厚度。

隧道二次衬砌厚度统计分析主要为将二次衬砌厚度数据导出，并进行统计分析，采用数理统计中样本的数字特征理论对数据进行处理，得到二次衬砌厚度的均值方差等数字特征，并以图表形式更为直观地展现隧道各处二衬厚度情况。

隧道二次衬砌厚度检验分析主要包括通过三维激光扫描方法所检测出的二次衬砌厚度值可以与使用地质雷达检测出的二次衬砌厚度值进行比较，通过数理统计中的假设检验与置信概率对其结果进行检验，以验证其准确性。

使用地质雷达对隧道某一部位进行二次衬砌厚度检测，可以得出测线内二次衬砌厚度平均值σ₀，在三维偏差分析数字模型中通过坐标范围可以筛选出地质雷达测线范围内的二次衬砌厚度值，可以进一步计算出所筛选数据的均值σ与方差s，使用数理统计中假设检验的t检验方法，检验假设：H₀:σ＝σ₀在显著性水平α＝0.05的条件下是否成立，若成立，则证明本次三维扫描检测结果可信，若不成立，则检测过程中出现错误，应反复查证。

隧道二次衬砌厚度评定是将通过检验的三维偏差分析数字模型，与设计文件中二衬厚度进行对比，评定隧道二次衬砌厚度合格率。

本发明在北京兴延高速梯子峪隧道具体实施，准确地得出隧道二次衬砌厚度，并通过与地质雷达检测数据进行假设检验，得出在显著性水平α＝0.05的条件下假设上述假设成立，从而验证本次检测结果的准确性。

本发明所揭示的具体实施方式如上，其内容只是为业内专业人士实施本发明做解释说明，任何业内技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以对实施细节上做出修改，但本发明所限定的保护范围，仍须以权利要求书的范围为准。

Claims (7)

1.一种隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在隧道施工中利用三维激光扫描仪分别在隧道初次支护后和二次衬砌施工结束后进行隧道真三维点云扫描，得到三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型；

步骤2、通过两次扫描的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型进行对比分析，运用数据融合技术和分形技术得到隧道二次衬砌厚度。

2.如权利要求1所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，步骤1具体为：隧道初次支护施工完毕后，根据隧道施工控制网加密控制点，在加密控制点布设“十字标靶”或“标志球”，根据隧道断面尺寸划分测区，在每个测区的中部架设三维激光扫描仪，采集隧道真三维点云数据，对点云进行融合处理和分形处理，得到初次支护完毕后隧道三维模型，采用同样的方法得到相同里程段同一坐标系下隧道二次衬砌施工完毕后隧道三维模型。

3.如权利要求2所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，根据隧道施工控制网加密控制点，并连接成控制导线，导线边长度不超过10米，呈左右折线形式，导线点上分别安装“十字标靶”或“标志球”。

4.如权利要求3所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，根据隧道断面尺寸划分测区，测区长度为隧道宽度的2～3倍。

5.如权利要求1所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，步骤2具体为：将两次测量到的三维隧道初次衬砌实体模型和三维隧道二次衬砌实体模型在Geomagic Qualify软件中打开，并对其进行3D比较，通过数据融合分析可以得到隧道正射影像图、三维偏差数字分析模型和断面分析图；其中，所述隧道正射影像图以三维图谱的形式表现，颜色的深浅代表二次衬砌厚度的大小；所述断面分析图是用来确定隧道二次衬砌轮廓以及断面内任意一点的二次衬砌厚度；通过验证的三维偏差分析数字模型与设计文件中二次衬砌厚度进行对比，评定隧道二次衬砌厚度合格率。

6.如权利要求5所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，还包括：通过三维激光扫描方法所检测出的二次衬砌厚度值可以与使用地质雷达检测出的二次衬砌厚度值进行比较，应用数理统计中的假设检验与置信概率理论对其结果进行检验，以验证其正确性。

7.如权利要求6所述的隧道二次衬砌厚度检测方法，其特征在于，在对三维扫描检测结果进行正确性验证时，首先使用地质雷达对隧道某一部位进行二次衬砌厚度检测，可以得出测线内二次衬砌厚度平均值σ₀，在三维偏差分析数字模型中通过坐标范围可以筛选出地质雷达测线范围内的二次衬砌厚度值，可以进一步计算出所筛选数据的均值σ与方差s，使用数理统计中假设检验的t检验方法，检验假设：H₀:σ＝σ₀在显著性水平α＝0.05的条件下是否成立，若成立，则证明本次三维扫描检测结果可信，若不成立，则检测过程中出现错误，应反复查证。