山岭隧道施工期衬砌厚度和混凝土用量计算方法.pdf

采用三维激光扫描仪获取开挖断面、初期支护和二次衬砌段落的原始点云数据，经去噪、断面点云数据提取、坐标转换后得到点云平面坐标，然后根据提出的衬砌厚度和二次衬砌混凝土用量计算方法，得到衬砌实测厚度和二次衬砌混凝土实测用量。通过与衬砌设计厚度、二次衬砌混凝土实际浇筑量对比，判断衬砌欠厚和二次衬砌混凝土浇筑密实情况。经在一山岭隧道试验段应用，采用本文方法可快速检测、便捷计算衬砌厚度和二次衬砌混凝土用量，确定衬砌欠厚处所、二次衬砌混凝土密实情况，并给出施工建议。该方法经济适用，值得推广。关键词 铁路隧道；厚度；混凝土用量；现场试验；隧道衬砌；三维激光扫描；点云数据中图分类号 U459.1 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.23引用格式：李瑶.山岭隧道施工期衬砌厚度和混凝土用量计算方法 J.铁道建筑，2023，63（7）：118121.隧道施工过程中受超欠挖影响，可能出现衬砌厚度不足问题，降低衬砌承载力，影响结构安全。目前隧道衬砌厚度检测方法主要有地质雷达法和瑞雷面波法。文献 1-3 采用地质雷达法对铁路隧道衬砌的厚度、空洞等缺陷进行检测。文献 4-5 采用瑞雷面波法对铁路隧道仰拱厚度进行了检测。三维激光扫描技术通过激光测距的方式，高效、全面地获取隧道表面三维坐标、反射率等信息，已在隧道断面超欠挖检测6-7、围岩变形监测8-9等方面得到应用。本文先介绍基于三维激光扫描技术的点云数据获取与处理方法，再介绍衬砌厚度和二次衬砌混凝土用量的计算方法，并将该方法应用于山岭隧道试验段，验证其实用性。1 点云数据获取与处理 1.1点云数据获取在隧道内架设三维激光扫描仪，设置扫描参数，在不同施工阶段分别扫描获取开挖段落、初期支护衬砌段落和二次衬砌段落的点云数据。1.2数据处理对扫描得到的点云数据进行去噪，提取特定里程断面的点云数据，再采用特征线自动提取算法10，通过旋转矩阵 式（1）式（3）进行坐标转换，由三维坐标转换为平面坐标。(x)=1000cos1sin10-sin1cos1（1）(y)=cos20sin2010-sin20cos2（2）(z)=cos3sin30-sin3cos30001（3）式中：（x）、（y）、（z）分别为三维坐标系x轴、y轴、z轴方向旋转矩阵；1、2、3分别为绕x轴、y轴、z轴旋转的角度。2 衬砌厚度和混凝土用量计算 2.1距离和方位角平面坐标系下第i个数据点到拱顶圆弧圆心O的距离Li和方位角i计算式为Li=xi2+yi2（4）i=arctan(yi/xi)（5）式中：xi 和 yi 分别为第 i个数据点在平面坐标系中的横、纵坐标；i为第i个数据点和圆心的连线与x轴正方向的夹角，取值范围为-90，270）。收稿日期：20220411；修回日期：20220526基金项目：中国铁路设计集团有限公司科技开发课题(2021B240629);飞泰交通科技有限公司科技开发课题(2021FTKY05)作者简介：李瑶(1993)，男，工程师，硕士。E-mail:第 7 期李瑶：山岭隧道施工期衬砌厚度和混凝土用量计算方法2.2初期支护、二次衬砌厚度由于扫描的数据点是随机分布的，开挖断面和初期支护断面的点云数据无法按照方位角一一对应，因此选取特定角度计算厚度。这些角度称为厚度计算方位角（），如0、0.5、1.0、。在开挖断面、初期支护断面和二次衬砌断面中，对于每个，筛选其周围一定角度范围内的数据点。这些数据点的中心称为厚度计算数据点（P）。P点坐标为筛选范围内数据点坐标的平均值。初期支护厚度计算式为Dcj=Lwj-Lcj（6）式中：Dcj为第j个对应的初期支护厚度；Lwj、Lcj分别为第j个对应的开挖断面和初期支护断面中P点到圆心的距离，由式（4）计算得到。二次衬砌厚度由初期支护断面和二次衬砌断面的点云数据计算得到。计算式为Dej=Lcj-Lej（7）式中：Dej为第 j个 对应的二次衬砌厚度；Lej为第 j个对应的二次衬砌断面中P点到圆心的距离，由式（4）计算得到。2.3二次衬砌混凝土设计用量由初期支护断面设计轮廓与圆心围成的扇形面积减去二次衬砌断面设计轮廓与圆心围成的扇形面积，得到二次衬砌断面设计面积，如图1阴影所示。其中：、分别为取值范围中的最小值和最大值。二次衬砌断面设计面积的计算式为Sgk=12r22d-12r32d（8）式中：Sgk为从扫描段落中提取的第k个二次衬砌断面的设计面积；r2、r3分别为初期支护断面、二次衬砌断面的设计半径；为角度。扫描段落二次衬砌混凝土设计用量（Vg）的计算式为Vg=mnSgkdl（9）式中：m、n为扫描段落的起、止里程；l为段落长度。2.4二次衬砌混凝土实测用量由初期支护断面实测轮廓与圆心围成的扇形面积减去二次衬砌断面实测轮廓与圆心围成的扇形面积，得到二次衬砌断面实测面积。计算式为Szk=12Lcj2d-12Lej2d（10）式中：Szk为第k个二次衬砌断面的实测面积。扫描段落二次衬砌混凝土实测用量（Vz）的计算式为Vz=mnSzkdx（11）3 工程应用 3.1工程概况福建省一在建单洞双线山岭隧道采用矿山法施工，设计时速350 km，里程为DK94+121DK97+317，全长 3 196 m。隧址区属丘陵区，最大埋深约 90 m。隧道部分区段衬砌设计参数见表1。3.2数据获取与处理采用天宝SX10三维激光扫描仪（图2）测量。该扫描仪带有全站仪功能，多站免拼接，能够实时生成三维坐标系下的点云数据。技术参数见表2。隧道开挖、施作初期支护过程中采用扫描仪分别获取区段 2中 DK96+366.0 DK96+368.0长 2 m 开图1二次衬砌断面设计面积求解示意表1隧道部分区段衬砌设计参数区段12里程DK96+200DK96+320DK96+320DK96+400衬砌类型ab设计厚度/m初期支护0.2500.250二次衬砌0.4000.450图2天宝SX10三维激光扫描仪表2扫描仪技术参数参数量程/m每秒扫描的点数/万测距精度（1.5 km以内）/mm视场范围/()测角精度/（）激光等级工作时长/h工作温度/取值0.9 6002.661.0垂直：0 300水平：0 36011级6 9-20 50119铁道建筑第 63 卷挖段落和初期支护段落的点云数据，去噪后进行计算。施作初期支护、二次衬砌过程中分别获取区段1中DK96+269.6DK96+271.6长2 m初期支护段落和二次衬砌段落的点云数据，去噪后进行计算。3.3初期支护厚度计算从 DK96+366.0DK96+368.0 段获取的数据中，每隔0.2 m提取一个断面的点云数据。根据式（1）式（3）对断面点云数据进行坐标转换，再由式（4）式（6）计算得到初期支护厚度。DK96+367.8断面初期支护厚度变化情况见图3。其中红色点为欠厚位置。各断面初期支护厚度计算结果见表3。由表3可知：该段落初期支护最大厚度1.059 m，最小厚度0.182 m，平均厚度在0.500 m以上，大于初期支护设计厚度0.250 m，故初期支护厚度整体上满足要求，但平均厚度远大于初期支护设计厚度，因而存在资源浪费情况。断面最大厚度与最小厚度相差约 0.800 m，厚度变化较大。加之开挖断面轮廓线凹凸不平（参见图 3），初步判定其平整度较差。DK96+367.2断面存在2处欠厚，最大欠厚2.9 cm；DK96+367.8 断面存在 3 处欠厚，最大欠厚 6.8 cm。需重点关注欠厚部位并及时处理。3.4二次衬砌厚度与混凝土用量计算从 DK96+269.6DK96+271.6 段获取的数据中，每隔0.2 m提取一个断面的点云数据。根据式（1）式（3）对断面点云数据进行坐标转换，再由式（4）、式（5）、式（7）计算得到二次衬砌厚度。DK96+270.2断面二次衬砌厚度变化情况见图4。其中红色点为欠厚位置。设定各断面取值范围相同。由=-16.5，=196.5，r2=7.1，r3=6.7和式（8）计算得到二次衬砌断面设计面积为10.260 m2。由、各数据点到圆心O的距离和式（10）计算得到二次衬砌断面实测面积。各断面二次衬砌厚度和实测面积计算结果见表4。由表4可知：该段落各断面中二次衬砌最大厚度 为 0.844 m，最 小 厚 度 为 0.334 m，平 均 厚 度 在0.500 m以上，大于二次衬砌设计厚度0.400 m。二次衬砌厚度整体满足要求，但存在资源浪费情况。DK96+269.6、DK96+269.8和DK96+270.2断面均存在1处欠厚，欠厚值均小于5 cm；DK96+270.0断面存在2处欠厚，最大欠厚6.6 cm，应重点关注并及时采取处理措施。由断面设计面积（10.260 m2）、起止里程和式（9）计算得到该段落二次衬砌混凝土设计用量20.52 m3，由表4和式（11）计算得到实测用量25.95 m3。经与现场施工人员核实，此段落混凝土实际浇筑用量约图3DK96+367.8 断面初期支护厚度变化情况表3各断面初期支护厚度计算结果里程DK96+366.0DK96+366.2DK96+366.4DK96+366.6DK96+366.8DK96+367.0DK96+367.2DK96+367.4DK96+367.6DK96+367.8DK96+368.0最大厚度/m0.9810.9670.9970.9900.9360.8790.9921.0241.0591.0371.027最小厚度/m0.4150.4270.4040.4060.4220.3290.2210.2790.2720.1820.254平均厚度/m0.5780.5480.6180.6230.5990.5810.5970.5630.5790.5230.535欠厚处数量00000020030图4DK96+270.2 断面二次衬砌厚度变化情况表4各断面二次衬砌厚度和实测面积计算结果里程DK96+269.6DK96+269.8DK96+270.0DK96+270.2DK96+270.4DK96+270.6DK96+270.8DK96+271.0DK96+271.2DK96+271.4DK96+271.6最大厚度/m0.7930.8150.7370.8440.7690.7740.7760.7340.8300.7930.774最小厚度/m0.3820.3640.3340.3800.4150.4570.4430.4050.4010.4330.433平均厚度/m0.5260.5340.5510.5590.5550.5620.5280.5400.5490.5430.536欠厚处数量11210000000实测面积/m212.50812.77412.89013.24513.27713.44512.63812.91913.05513.02512.840120第 7 期李瑶：山岭隧道施工期衬砌厚度和混凝土用量计算方法27 m3。实测用量与实际浇筑用量接近，初步判断二次衬砌浇筑较密实，不存在背后空洞问题。但是二次衬砌混凝土实测用量超出设计用量约 26.46%，说明资源浪费较严重。3.5施工建议对初期支护和二次衬砌欠厚部位进行适当处理，避免衬砌厚度不足影响结构安全。对于厚度较大部位，应及时调整爆破方案，降低施工成本。根据现场工程地质情况，在满足设计要求、结构安全的同时，适当减少预留变形量和外放量，以减少资源浪费。4 结论 1）采用三维激光扫描技术获取隧道开挖断面、初期支护断面和二次衬砌断面的点云数据。经去噪、断面点云数据提取、坐标转换后，采用本文提出的衬砌厚度、二次衬砌混凝土用量计算方法，计算得到衬砌厚度和二次衬砌混凝土用量。与衬砌设计厚度和实际浇筑量对比，判断衬砌是否欠厚以及二次衬砌混凝土浇筑密实情况。2）经在山岭隧道现场应用，采用本文方法可快速检测、便捷计算衬砌厚度和二次衬砌用量，给出欠厚处所、二次衬砌混凝土密实情况以及施工建议。该方法经济适用，值得推广。参考文献1 储建军，朱文会，殷宇，等.地质雷达法在铁路隧道衬砌检测中的应用研究 J.中国新通信，2020，22（10）：105-106.2 陈英福，杜嘉轩，郑静，等.高铁隧道二衬厚度检测及安全性的分析评价 J.路基工程，2019，37（1）：223-227.3 张丹锋.隧道衬砌质量缺陷地质雷达探测相关问题研究D.西安：西安建筑科技大学，2016.4 李波，周斌，奉建军.瑞雷面波法在铁路隧道仰拱厚度检测中的应用 J.现代隧道技术，2021，58（5）：173-178.5 赵前进.铁路隧道钢筋混凝土仰拱厚度检测研究 J.现代隧道技术，2018，55（2）：158-163.6 宋云记，王智.利用三维激光扫描技术进行地铁隧道施工质量管控及病害检测 J.测绘通报，2020（5）：150-154.7 许磊，王长进.基于激光点云的隧道超欠挖检测方法研究J.铁道工程学报，2016，33（12）：77-81.8 李勇兵，高成明，马盈盈，等.三维激光扫描技术在隧道变形监测及检测中的应用 J.科学技术与工程，2021，21（12）：5111-5117.9 詹建勇.基于三维激光扫描技术的山岭隧道施工期变形监测研究 D.杭州：浙江大学，2019.10 蓝秋萍，洪超，林欢，等.从三维点云中自动提取隧道几何特征线 J.测绘工程，2015，24（10）：1-4，10Calculation Method of Lining Thickness and Concrete Dosage During Construction Period of Mountain TunnelLI YaoChina Railway Design Corporation，Tianjin 300308，ChinaAbstract The original point cloud data of excavation section，initial support，and secondary lining section were obtained using 3D laser scanner，the point cloud plane coordinates were obtained after denoising，extraction of section point cloud data and coordinate transformation.Then，the measured lining thickness and secondary lining concrete dosage were obtained according to the proposed lining thickness and the secondary lining concrete dosage calculation method.By comparing the design lining thickness and the actual pouring volume of secondary lining concrete，the thickness of the lining and the density of the secondary lining concrete pouring were determined.After application in the experimental section of a mountain tunnel，the method described in this article can be used to rapid detect and conveniently calculate the lining thickness and secondary lining concrete dosage，determine the areas where the lining is under thick and the density of the secondary lining concrete，and provide construction suggestions.This method is economically applicable and worth promoting.Key words railway tunnels；thickness；concrete dosage；field test；tunnel lining；3D laser scanning；point cloud dataCitation format：LI Yao.Calculation Method of Lining Thickness and Concrete Dosage During Construction Period of Mountain Tunnel J.Railway Engineering，2023，63（7）：118121.（编辑：葛全红 校对：刘莉）121