回弹法及三维激光扫描技术在运营地铁结构现状调查中的应用分析与研究

陈涛，翟超，范鹏程，张敏，王鑫森

（天津市勘察院，天津　300191）

摘要：某运营地铁线路邻近有一新建基坑工程，需对地铁结构进行健康检测监测，包括对地铁结构车站、区间隧道混凝土强度进行检测、结构平面、断面测量以及结构使用现状调查，是对地铁结构健康状况进行了解的重要工作。采用回弹法进行检测，利用钢筋检测仪探测钢筋的位置及间距，1％酚酞酒精溶液和碳化深度尺测量混凝土表面的碳化深度，回弹仪测取混凝土表面回弹值，根据平均回弹值及平均碳化深度可查表得出混凝土强度换算值，继而计算出混凝土强度推定值，通过现场检测，总结了回弹法检测混凝土强度精确度的影响因素以及提高检测精确度的措施。采用三维激光扫描技术结合人工方法对地铁结构平面、断面进行测量，对其使用现状进行调查。检测及现状调查结果表明，地铁结构车站、区间隧道混凝土强度符合原设计要求，地铁结构存在剥落、裂纹、渗水等病害存在，研究成果可为地铁结构健康评估提供参考及依据。

关键词：地铁结构；回弹法；三维激光扫描技术；混凝土；现状调查

运营地铁结构受各地区地质、水文和气候等的影响，可能会出现原因复杂的多种病害。且目前我国较多大城市已有地铁运营，随着基础建设的快速发展，时常会有新建工程与城市已运营地铁线路相邻近的情况出现，此时，对原有地铁线路的健康状况进行合理的检测和评估，从而为邻近新建工程的施工以及原有地铁线路的安全运营提供参考，显得很有必要。

混凝土抗压强度检测主要包括非破损检测法和局部破损检测法检测技术方法。通过混凝土表面硬度与其强度的密切关系，可以实现对其强度的检测，回弹法便是其中较常用的检测方法。回弹法具有方便快捷、精度较高以及费用低廉等特点。针对回弹法检测混凝土强度，以前学者对此课题进行了相关研究，史承明等从回弹法实践出发，对于如何提高回弹法检测混凝土抗压强度精确度的问题进行了探讨，并提出了检测措施。韩春雷结合混凝土芯样抗压强度值、回弹值以及碳化深度值三个参数进行拟合，得出了混凝土回弹测强曲线。姜作杰针对地铁项目混凝土结构现场检测的内容和技术方法进行研究，总结了现场检测的方法以及对检测数据分析的方法。

三维激光扫描技术利用激光测距的原理，记录被扫描物体表面的三维点云数据，从而可以快速建立被扫描物体的三维模型以及线、面、体等图像数据。李珵等通过对地铁隧道变形监测中三维激光扫描技术的应用，提出了基于激光点云的隧道断面连续提取方法。托雷等采用RIEGL VE-400获取的地铁隧道点云数据与三维激光点云进行对比验证，证明了三维激光扫描技术的实践意义。

某运营地铁邻近有一即将新建基坑工程，为了探究此已运营地铁结构混凝土抗压强度，采用回弹法和三维激光扫描技术对其现状进行调查，从而为地铁的安全运营提供保障。

1　工程概况

本工程涉及既有地铁里程范围为AK14+950～AK15+325，涉及地铁隧道区间及车站，并将此里程范围分为区间、车站公共区、车站设备区、车站渡线段四个部分，其中，区间和车站公共区为此新建工程的影响段，共210m，车站设备区和车站渡线段为辅助段，共165m，里程分段及其与新建基坑工程相对位置关系如图1所示。

2　回弹法检测混凝土强度

2.1　检测范围及测区布设

根据里程范围及工程要求确定本工程的检测范围，按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23—2011）的要求进行测区布设，具体见表1。

2.2　仪器设备

回弹仪、钢筋探测仪、1％酚酞酒精溶液、碳化深度尺、电钻、吹球、钢砧。

2.3　检测结果

为了更加清晰了解隧道和车站结构各箱体（构件）不同部位的混凝土强度，分别对地铁结构里程范围内隧道和车站的侧壁、道床、柱子以及车站的站台的混凝土强度进行检测。根据各测区测得的回弹值及碳化深度，可以根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23—2011）查得混凝土抗压强度换算值，然后计算平均值和标准差，进而计算混凝土抗压强度推定值。依据现场检测数据，检测结果见表2～表5。

根据设计资料可知，此地铁结构车站及隧道的侧壁、道床及柱子的混凝土设计标号均为250号，相当于原《混凝土结构设计规范》（GB S0010—2002）中的C23，站台的混凝土设计标号为200号，相当于原《混凝土结构设计规范》（GB S0010—2002）中的C18，由图2～图5可以看出，各里程范围（区间、车站公共区、车站设备区、车站渡线段）侧壁的混凝土强度推定值分别为28.6MPa、27.5、29.2、28.7MPa；道床的混凝土强度推定值分别为26.5MPa、26.2MPa、27.3MPa、27.6MPa；柱子的混凝土强度推定值分别为25.5MPa、24.6MPa、25.1MPa、25.7MPa；车站公共区站台的混凝土强度推定值为22.2MPa。混凝土强度符合原设计要求。由设计资料可知，此地铁最初是按照人防工程的标准修建的，因而其修建时的施工质量要求很高，在混凝土浇注、养护等环节的施工把控很严，因而其混凝土强度较高。

对地铁结构各里程范围的侧壁、道床、柱子以及站台的平均回弹值与混凝土换算强度的关系进行分析，结果见图2～图5。

由图2～图5可以看出，地铁结构各里程范围同一结构（侧壁、道床、柱子以及站台）的混凝土换算强度与平均回弹值之间的关系有一定的差异，回弹值有一定程度的变化，大致有以下几方面的原因：第一，由于混凝土表面碳化层的存在，且碳化深度不一，致使使用回弹仪在混凝土表面进行回弹检测时，回弹值大小不一；第二，混凝土表面存在有骨料，当回弹仪撞针打到骨料处时，回弹值会有所提高。第三，现场人工操作会存在一定的误差。

基于此，在采用回弹法检测混凝土强度时，应注意以下几点：第一，以规范为依据，现场操作需规范，尽量做到回弹时用力均匀，且回弹仪应垂直于结构表面。第二，检测前需在钢砧上正确率定回弹仪。第三，检测前，认真处理结构表面，需做到测试面清洁、平整、干燥，没有蜂窝、麻面及凹陷、混有杂物等异常区域和部位。第四，测量碳化深度时，应在结构表面形成“品”字形坑洞，直径约为15mm，深度应大于碳化深度。

3　结构平面、断面测量

3.1　车站公共区平面、断面测量

使用三维激光扫描仪对车站公共区的现状结构进行三维扫描，每个扫描坐标点都具有实地三维坐标与其相对应，其点云成果如图6及图7所示。

从点云中导出合适高程位置的水平面切片数据，并以点云格式导入CAD作为底图，以此生成平面图；根据剖面要求首先定出建筑的方向，并从点云导出带尺寸的正射影像图，将正射影像图导入CAD作为底图，以此生成剖面图。生成的车站主体部分的平面、剖面图，如图8及图9所示。

3.2　区间、车站设备区、车站渡线段断面测量

使用相同方法选取典型断面对区间、车站设备区、车站渡线段的断面进行测量，测量结果如图10～图12所示。

4　结构使用现状调查

4.1　区间、车站设备区、车站渡线段结构使用现状调查

对车站公共区采用三维激光扫描系统生成正射影像与人工调查核实相结合的方式，进行全面的病害调查和统计。由于区间、车站设备区、车站渡线段属矩形箱体结构，故采用矩形截面展开的方式，生成区间隧道的内壁正射影像图，为了便于病害影像读图，截面展开示意如图13所示。

区间、车站设备区、车站渡线段内的病害以剥落、裂纹为主，个别位置有渗水，其总体统计表如表6及表7所示。

续上表

典型病害影像如图14及图15所示，其中，裂纹用红色线状符号表示，剥落用绿色面域符号表示，结构缝抹灰开裂用黄色线状符号表示。

4.2　车站公共区结构使用现状调查

由于车站公共区站体横截面为不规则变化的异形结构，正射影像投影规则不适用于此，因此，车站公共区采用人工拍照调查为主、激光扫描影像辅助的方法进行现状调查。由现场调查可知，本区段内的病害主要为结构缝处表面破损开裂，典型病害如图16及图17所示。

5　结论

本文对邻近一新建基坑工程的某运营地铁线路健康状况进行研究，介绍了回弹法和三维激光扫描技术在地铁结构健康监测检测中的应用，可以得出以下结论：

（1）利用回弹法对地铁结构混凝土强度进行检测，由回弹值、碳化深度查表、计算得到混凝土的换算强度及推定强度，地铁隧道里的同一结构（侧壁、道床、柱子）的混凝土强度相差不大，站台的混凝土强度低于前者。

（2）进行回弹检测时，需严格按照规范进行操作，使用前率定、清理结构表面、用力均匀、回弹仪垂直于结构表面等因素均直接影响着检测结果。

（3）碳化深度测量时，应注意结构表面坑洞的直径和深度，直径为15mm，深度应大于混凝土的碳化深度，且应“品”字形布置，并根据规范进行测量取值。

（4）地铁结构平面、断面测量时，合适高程位置的水平面切片数据的导出、选择很重要，这是生成平面图的基础。

（5）正射影像投影规则不适用不规则变化的异形结构，此时若仍然只使用此方法进行病害调查，获得的数据是不准确的，此时，需要结合人工拍照，而激光扫描影像辅助的方法进行现状调查。

通过对此地铁结构的健康状况进行调查，获取了地铁结构混凝土强度、地铁结构的平面、断面情况，同时也得知了其目前的剥落、裂纹、渗水等病害情况，全面掌握了地铁结构目前的健康状况，为邻近基坑的施工提供了重要的数据和影像参考。

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