基于激光扫描技术的铁路隧道限界检测与分析_安哲立.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022基于激光扫描技术的铁路隧道限界检测与分析安哲立1,2,马伟斌1,2,袁振宇2,郭小雄2,王勇1(1.中国铁道科学研究院,北京 100081;2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081)摘要:隧道建筑侵限是影响列车行车安全的突出隐患,为了及时准确掌握隧道限界状态,限界检测的效率、精度及可靠性需满足要求。激光扫描技术具有高速、高精度、抗干扰等优势,能够高效准确地获取隧道断面轮廓,相应的数据分析方法保证快速的侵限判别,有效提升限界检测的效率与准确性,指导对隧道侵限的整治维护。对我国北部某平直单线双洞隧道开展激光扫描隧道限界检测与分析研究,发现该隧道存在较为普遍的基本建筑限界侵限现象,在该隧道设计内轮廓较小情况下,施工偏差、衬砌变形及附属设施突出等因素易造成隧道侵限。针对双洞隧道相邻边墙开展的侵限关联分析反映了衬砌乃至围岩变形对隧道稳定性的影响,进而持续影响隧道的建筑限界,需给予重视。关键词:铁路隧道;激光扫描;隧道建筑限界;限界检测;侵限分析中图分类号:U25文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0874-10Railway Tunnel Clearance Inspection and Analysis Based on Laser ScanningAn Zheli1,2,Ma Weibin1,2,Yuan Zhenyu2,Guo Xiaoxiong2,Wang Yong1(1.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,P.R.China;2.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,P.R.China)Abstract:Tunnel clearance intrusion is a prominent risk affecting the safety of train operation.In order to timely and accurately perceive the clearance state of tunnels,the efficiency,accuracy and reliability of the clearance inspection are of high requirements.Laser scanning technique,with advantages of high speed,precision,interference immunity,is appropriate for tunnel clearance inspection to efficiently and accurately obtain the tunnel section profile.The productive data analysis method ensures the accuracy and efficiency of clearance intrusion discrimination,and further guide the maintenance of tunnels.Application to a tunnel in northern China reveals that there are relatively pervasive clearance instructions in the tunnel.In the case of small tunnel internal profile,such factors as construction deviation,lining deformation and protrusion of auxiliary facilities are easy to cause tunnel intrusion.Considering that the tunnel is a single-line double-hole tunnel,correlation analysis of adjacent side walls was performed.The result shows that there may be some tectonic movements squeezing the rock masses in between and further affect the tunnel clearance,more attentions should be paid to.Keywords:railway tunnel;laser scanning;tunnel building clearance;clearance inspection;clearance intrusion analysis收稿日期:2022-04-16(修改稿)作者简介:安哲立(1989),男,山西忻州人,博士,副研究员,主要从事超前地质预报与隧道检测监测方面工作或研究。E-mail:anzheli95 通讯作者:袁振宇(1988),男,山西天镇人,博士,助理研究员,主要从事超前地质预报与隧道检测监测方面工作或研究。E-mail:zhenyuyuan 基金项目:国家重点研发计划(2019YFC1511104)0引言近年来,随着我国高速铁路和客运专线的大量建成,隧道建设取得了巨大进步,在隧道数量、长度不断增长的背景下,铁路隧道行车安全成为日益关注的重要问题。为了保证机车车辆在隧道中运行具有足够的安全空间,隧道限界检测是一项重要的日常检测项目1。隧道限界检测的主要工作是通过对隧道内铁路周边建筑与设施进行检测,判断机车车辆安全运行所要求的最小轮廓范围内是否受到其他设备或建筑物的侵入2。隧道限界检测的手段主要有两类,接触式限界检测与非接触式限界检测。接触式限界检测是早期隧道检测的主要手段,主要包含横断面法、综合断面法、轨迹法等方法,检测过程主要由车载限界框架或人工操作水平尺、卷尺、吊锤、经纬仪等工具通过物理接触的方式开展,具有精度低、速度慢、工作量大、可靠性差等缺点,且无法实现有效的连续检测,可能导致漏检3。非接触式检测技术具有高效率、高精度、无接触的优势,克服了原有检测方法存在的缺陷,在近年来取得飞速发展。主要的非接 触 式 检 测 方 法 有 视 频 摄 像 法 和 激 光 扫 描 法等4-5。视频摄像法6应用高速、高分辨率相机基于移动双目视觉测量开展铁路限界的快速检测,但对光线环境要求高,在隧道中的应用受到限制。激光扫描法7-8是针对铁路隧道建筑限界检测、维护、管理开发的多功能快速检测方法,通过激光扫描设备连续不断地测量周围建筑物的距离信息,形成建筑物限界剖面图,受光线等外界因素干扰少,能够在复杂的隧道环境下使用。本文将高效快捷的激光扫描技术应用到我国北部某隧道的建筑限界检测工作中,并开展检测数据分析,分析隧道内侵限异常的程度及分布,为隧道的日常运营维护提供指导。1激光扫描隧道限界检测技术1.1激光扫描检测原理激光具有定向发光、亮度极高、颜色极纯、闪光时间极短等特点,在时间上、空间上和波长(频率)上高度集中,能够深入了解物体的瞬间变化,具有广阔的应用前景。激光扫描技术通过高速旋转的方式发射并接收激光信号进而分析计算获得光源到目标物体的距离,表现出良好的稳定性和抗干扰性。激光扫描传感器内置的旋转镜头在高速旋转过程中对目标物体发射激光脉冲,经目标物体粗糙表面的散射,部分散射光返回到传感器接收器,记录激光脉冲从发出到返回所经历的时间 t,并根据激光在真空中的传播速度 c,便可以计算得到光源距被测目标之间的距离 R:R=12ct(1)基 于 激 光 扫 描 技 术 开 展 隧 道 建 筑 限 界 检测(图 1),检测系统由激光扫描传感器、速度传感器、轨道测量车、里程模块、供电模块、储存与传输模块、处理主机等部件组成,具有数据采集、分析及相关图表生成等功能3。激光扫描传感器每秒钟最高 可 检 测 100 个 断 面,在 检 测 速 度 为 1 3 km/h(人的正常步行速度)情况下,断面间隔约为14 mm,详细的传感器参数见表 1。每一次扫描都会建立从激光扫描器到被测目标反射点之间的空间向量,结合激光器的高度、激光扫描角度,得到的激光器位置、激光即时发射方向,可以准确地计算出每一个被测目标的位置,实现对隧道的连续检测,获得整座隧道的净空状态。速度传感器发出的脉冲信息经过里程记录模块转码为速度、里程信息,传输至计算机,由处理主机将接收到的里程信息同步至激光扫描断面数据。至此,限界检测系统可获得隧道内部实际建筑物轮廓及其距线路中心线的距离,经与铁路建筑限界标准尺寸相比较,便可得出隧道是否存在侵限。图 1激光扫描隧道建筑限界检测示意图9Fig.1 Sketch of tunnel clearance inspection by laser scanning91.2限界检测技术流程应用激光扫描技术开展隧道限界检测作业的基本流程(图 2)包括隧道资料收集、仪器准备、数据采集与数据处理等过程。(1)隧道基本资料收集隧道资料收集是检测工作开展的前提,是外业数据采集、室内数据分析及侵限判识的基础。检测5782022 年增刊 2安哲立,等:基于激光扫描技术的铁路隧道限界检测与分析表 1激光扫描传感器参数Table 1Parameters of laser scanning sensor激光测程/m0.5187激光发射频率/(万点秒-1)100扫描速度/(rs-1)50扫描角度/()360320环境温度/-2045环境湿度/%095检测速度/(kmh-1)15工作准备阶段需收集隧道测区范围的起止里程、曲线类型、曲线段的曲线半径、曲线方向、缓和曲线长度、最大超高量、直线段长度等信息,整理并输入到限界检测系统。(2)仪器及设备准备根据隧道建筑限界检测项目技术要求,在开展现场检测作业之前需确保所有设备性能正常,进行保养、维修及有效性试验。准备摄像器材、计算机、对讲机等辅助材料及工具,以及安全帽、防护服、照明设备、闪光棒、反光贴等安全防护器材,选用可行的装置系统,为检测工作提供有力保障。(3)隧道限界数据采集在完成基本资料收集及前期设备调试的基础上,保障线路上无任何障碍物,应用激光扫描隧道限界检测系统在隧道内开展限界数据现场采集。限界检测基于高清采集系统,采用外触发方式,轨道检测车走行带动编码器转动产生脉冲触发信号,采集系统同时自动扫描隧道限界并实时写入到存储模块,只需人为给出起停命令,即可自动化进行隧道限界自动化数据采集。(4)限界检测数据分析基于隧道限界现场检测数据,通过坐标系统转换得到以双轨所在平面为基准的断面数据,并依据隧道建筑限界标准开展超限判别,获得隧道全段侵限事件发生的里程、距轨面高度等信息,进一步结合可视化技术开展限界检测数据分析,从多个角度分析侵限事件随空间的分布规律,评价侵限现象对隧道运营的风险,形成检测报告,指导隧道整治维护。图 2激光扫描隧道限界检测流程图Fig.2Workflow of tunnel building clearance inspection by laser scanning1.3隧道建筑侵限判别将限界检测断面数据与隧道建筑限界标准进行对比,分析并判断是否存在侵限现象。铁路隧道建筑限界检测遵循标准轨距铁路限界第 2 部分:建筑限界(GB146.22020)国家标准2,隧道建筑限界检测以水平直道双轨所在平面为基准,根据牵引种类、设计速度等条件的不同,隧道限