龙泉山隧道三维激光扫描测试
一、    工程概况
龙泉山隧道位于成都东~简阳南区间,属于新建成都至重庆铁路客运专线工程CYSG-1标段,其隧道进口位于成都市龙泉驿区,出口位于简阳市。工程全长7328m,为双线单洞铁路隧道,进口里程DK22+485,出口里程DK29+813。全隧位于直线上,设有平导一座和斜井三座。
龙泉山山脉系四川盆地西部成都平原和川中丘陵的地理界线,是岷江与沱江的分水岭,在四川盆地内部,山脉形成一条高高的、狭长的隆起,其西面是成都平原,东面是川中丘陵。龙泉山呈一条形山脉,高程480~985m,由北东~南西纵贯境内,为本区最高地形,丘陵和平原分别依附于两侧,地形起伏较大,相对高差50~150m,自然坡度30°~50°,坡面植被发育。
测试召集单位:铁道科学研究院西南院
测试实施单位:龙泉山隧道第三方监测项目部
北京数联空间科技股份有限公司
二、    测试项目和使用仪器
1、测试项目
 1)隧道超欠挖检测分析
 2)喷锚层平整度检测分析
 3)TMS Tunnelscan系统断面收敛内符合精度测试
2、观测仪器
表1 TMS配置清单
设备名称
数量
单位
说明
FARO Focus3D
扫描仪
1
 
全站仪
1
APM定位测量,最好是徕卡全站仪,带激光对中,要带数据下载工具
全站仪三脚架
2
用于架设全站仪和扫描仪
全站仪后视棱镜
2
含基座、支架、棱镜
后视棱镜三脚架
2
视隧道现场如果导线点有强制对中装置可以不带
APM定位基座
1
含内六角扳手、小十字螺丝刀、2个棱镜连接杆
三角基座
1
连接APM基座,最好带激光对中
定位靶球
1
APM定位半球棱镜
靶球轻便三脚架
1
可以使用轻质三脚架、三角基座和棱镜支架替代
APM定位棱镜
2
可以用徕卡圆棱镜(带单框)替代
隧道设计数据
1
平曲线、竖曲线、横坡、设计断面
 
三、    工作概述
     我单位于2012年7月12日对龙泉山隧道进行了测量,测量段为进口DK22+585~DK22+615,围岩等级为V级,该段初期支护已稳定,二次衬砌未施作。根据实际施工情况,共进行了6次测站,分别为:Z004、Z005、Z006、Z007、Z008、Z009。其中各站所在里程(扫面仪所在里程)如表2所示。并依据实际项目需求,使用TMS Tunnelscan 软件对测量数据进行了分析比较。
表2测站里程
站名
里程
Z004
Z005
DK22+592.181
Z006
Z007
DK22+601.496
Z008
Z009
DK22+610.097
 
 
 
 
四、    测量项目成果
1、超欠挖检测分析
通过TMS Tunnelscan每2米截取一个断面,共16个断面,理论断面采用V级围岩初期支护设计断面,去除通风管对欠挖的影响,统计内轨顶面之上断面真实超欠挖情况,从附件2所知,在DK22+589之后的的13个断面存在较为严重的侵限情况。结合下图分析知,在DK22+589围岩出现明显的错台现象,高度差在25cm左右。DK22+589~DK22+596右拱墙侵限20cm左右,左拱墙侵限严重绝大部分在25cm以上,个别部分达到50cm。DK22+596~DK22+615存在严重的侵限,右拱部侵限20cm左右,右边墙侵限在25cm之上,个别部分达到50cm,左拱墙侵限更为严重,绝大部分在50cm左右。
图1超欠挖影像图
2、平整度
高速铁路对衬砌表面的外观及粗糙度有一定要求的,则必须对衬砌表面的平整度加以重视。使用TMS Tunnelscan隧道扫描系统,可快速获得高密度,高精度的扫描点云,配合专业算法支持的处理软件,可以将整个隧道表面的影像图以投影的方式展开,在其它的图层中用不同色阶的颜色表现平整度的满足程度,这样隧道表面的平整度成果既真实又直观。
Tunnelscan平整度检测采用尺算法,其平整度指数的计算公式如下:

      图2 平整度指数的计算公式
图3所示,黄色区域的平整度指数大于0.1(相当于采用一个“虚拟的”1米靠尺以任意角度测量隧道表面所得到的最大凹凸不平度超过10厘米),桔红色到红色区域平整度指数为0.2-0.3。可知整个区间段的边墙底部平整度较差,DK22+589出现较大的裂缝或错台,高差为25~30cm,DK22+600~DK22+615区间段隧道拱顶部位平整度较差。
图3隧道平整度影像图
图4:隧道壁激光雷达影像圆柱投影展开图
3、TMS Tunnelscan系统断面收敛内符合精度测试
测试方法:将扫描仪置于同一位置进行两次扫描,例如Z004和Z005,通过TMS Tunnelscan在同一里程分别截取两次扫描的断面,然后将Z005作为理论断面,分析Z004断面到Z005断面的投影距离
从附件3中两个断面的对比来看,对于表面起伏比较大的山岭隧道来说,在同一个测站上设站,监测同一个断面的精度基本在0.001米~0.002米之间,个别位置存在较大差异,其原因如下:
1) 两次测站扫描的点随机落在的位置不太一样。
2) 隧道底部泥泞,扫描过程中有车开过,车辙发生改变。
3) 人员和车量对扫面过程造成遮挡,产生噪点,直接造成点云稀疏。
4) 隧道围岩平整度指数较大
为了尽量排除上诉误差因素,将分析断面设在通风管之上(见附件4),分析其线性平均误差。
1、 线性平均误差=(超挖面积+欠挖面积)/多段线长度
2、 两次收敛检测偶然误差中误差=√(∑(△*△)/(n-1));
其计算结果如表3所示,可知线性平均误差均值为0.00127m,10个断面中误差在0m~0.001m之间有5个,在0.001m~0.002m之间有4个,大于0.002m(0.0028m)有1个是由于DK22+597断面拱顶有一处起伏大造成(平整度指数大于0.2),如图3和图4所示。
表3线性平均误差
里程
超挖面积(m2)
欠挖面积(m2)
多断线长(m)
线性平均误差(m)
DK22+585
0.014
0.01
16.348
0.0015
DK22+587
0.009
0.01
16.45
0.0012
DK22+589
0.02
0.011
16.307
0.0019
DK22+591
0.012
0.014
15.239
0.0017
DK22+593
0.007
0.007
15.113
0.0009
DK22+595
0.001
0.006
15.245
0.0005
DK22+597
0.008
0.034
15.074
0.0028
DK22+599
0.005
0.005
14.663
0.0007
DK22+601
0.006
0.008
14.719
0.001
DK22+603
0.005
0.003
15.112
0.0005
平均值
0.00127
图4 DK22+597断面误差分析断面图
综上所述,对于隧道围岩表面起伏不严重的部位(平整度指数小于0.2),TMS系统满足监测同一个断面的精度要求(误差小于2毫米)。
 
五、    测试结论
1、本次测试发现并验证了客户之前已经发现的欠挖现象,但这次的报告更加全面和精确的展示了欠挖的全部区域、面积和体积
2、本次测试首次同时使用目前国际上最先进的激光扫描平整度检测技术,高效、精确、全面、客观地展示了隧道喷锚面的平整度,为科学检测和评估砌衬平整度提供了一个新的高效工具;
3、本次测试对比分析了同一测站连续两次扫描,对一里程断面收敛值的内符合精度误差分析,实际结果证明FARO Focus3D扫描仪+TunnelScan进行收敛测量的精度可以达到优于2mm要求;
 
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