隨著我國城鎮(zhèn)化率接近60%,城市地鐵工程正由建設(shè)為主向建養(yǎng)并重轉(zhuǎn)變。有關(guān)統(tǒng)計表明,城市地鐵采用盾構(gòu)法的隧道平均比例在70%~80%。由于建設(shè)速度快、工期緊張、技術(shù)人員及現(xiàn)場工人短缺、隧道施工拼裝存在問題、運營后隧道周邊環(huán)境擾動等原因,盾構(gòu)隧道運營中存在不同程度的結(jié)構(gòu)病害。這些病害已經(jīng)嚴重威脅到隧道結(jié)構(gòu)運營安全和結(jié)構(gòu)耐久性,其引起的地鐵安全問題已經(jīng)成為各級政府和全社會的關(guān)注熱點。為此,對地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評估與管理提出了更高的要求,更需要掌控結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的精細化信息,這其中包括表觀與隱蔽結(jié)構(gòu)問題,如滲漏水、裂縫、裂損、錯臺、掉塊、注漿層不均、軌道板缺陷或脫空等。如何來精準地檢測這些病害,基于什么原理、方法及技術(shù),對這些問題進行介紹和討論,就成為本書的主要內(nèi)容。
撰寫本書時,我們不由得聯(lián)想起整整十年前,當時同濟師生連續(xù)三年與上海申通地鐵維保公司通力合作,開展上海運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害的檢查工作。主要方式為人工手電筒照明、人眼觀察、相機拍照、手工記錄、第二天分析整理。每天晚上00:00地鐵完全停運后開始工作,凌晨3:00結(jié)束,平均每天檢查2~3個區(qū)間單洞。另外由于是手工記錄,現(xiàn)場檢查完成后還需要進行數(shù)據(jù)整理,也因隧道環(huán)境灰暗,經(jīng)常出現(xiàn)病害照片模糊、部分病害遺漏拍照、病害所在隧道位置不夠準確或無記錄等情形,所以總體效率很低。后來雖然開發(fā)了基于iPad的檢查助手,但仍然沒有從根本上解決問題。隨著地鐵隧道運營里程以及服役年限增加,基于自動化、智能化的隧道結(jié)構(gòu)病害檢測與分析評估成為發(fā)展的必然需求。
本書基于這十年來的隧道病害機理、檢測監(jiān)測、儀器開發(fā)、診斷評估等研究成果,在各類病害調(diào)查分析的基礎(chǔ)上,重點討論了相應(yīng)病害的檢測方法、原理、儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。為了增加本書的實用性與可操作性,書中除了這些重點討論的內(nèi)容外,特別針對三維激光掃描、攝影成像掃描、地質(zhì)雷達探測等技術(shù)提供了實際工程應(yīng)用案例。
全書共分為10章:
第1章緒論,主要介紹了城市軌道交通的發(fā)展、隧道主要結(jié)構(gòu)形式以及隧道病害檢測技術(shù)現(xiàn)狀(黃宏偉、薛亞東);第2章城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害,基于大量隧道結(jié)構(gòu)病害調(diào)查結(jié)果,總結(jié)分析了結(jié)構(gòu)病害的類型與特征(薛亞東);第3章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害常規(guī)人工檢查,對現(xiàn)有的人工巡檢內(nèi)容、方式、要求等做了闡述(邵華);第4章盾構(gòu)隧道三維激光掃描檢測,針對目前常用的地面三維激光與移動三維激光技術(shù),介紹了相關(guān)的設(shè)備、原理以及操作,并對隧道測量激光點云數(shù)據(jù)的處理方法做了講述與案例說明(黃宏偉、薛亞東);第5章盾構(gòu)隧道攝影成像掃描檢測,介紹了攝影測量原理,并重點針對隧道結(jié)構(gòu)特點,詳細論述了移動式隧道病害檢測系統(tǒng)的組成及其使用方法,對掃描圖像的傳統(tǒng)處理方法做了簡要介紹(薛亞東、黃宏偉);第6章盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測,介紹了地質(zhì)雷達的基本原理,并通過大量實驗建立了盾構(gòu)隧道襯砌管片壁后注漿層的雷達探測方法與解譯程序(杜軍、黃宏偉);第7章基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理,針對隧道檢測技術(shù)發(fā)展趨勢,重點論述了基于深度學(xué)習(xí)方法的圖像處理框架與模型(薛亞東、黃宏偉);第8章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)檢測的其他方法,介紹了用于滲漏水檢測的紅外攝像方法和用于隧道縱向沉降的靜動態(tài)監(jiān)測方法(黃宏偉、薛亞東);第9章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)檢測實例,給出了有關(guān)上述三維激光掃描、攝影成像掃描、地質(zhì)雷達探測等檢測方法的實際工程應(yīng)用案例(邵華、杜軍);第10章總結(jié)與展望,分析展望了城市地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害檢測的技術(shù)發(fā)展(黃宏偉、薛亞東)。
本書匯集了各類比較實用的盾構(gòu)隧道檢測方法及我們的最新研究成果,希望幫助讀者對地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害相關(guān)的檢測研究有一個較為系統(tǒng)的了解,并能把握現(xiàn)有最新技術(shù)及發(fā)展方向。研究承蒙國家自然科學(xué)基金委員會、同濟大學(xué)、上海勘察設(shè)計研究院(集團)有限公司、瑞士安伯格公司(肖書安博士)、上海通芮斯科土木工程技術(shù)有限公司(劉鐵中)、無錫悟莘科技有限公司等的大力支持;感謝課題組孫龑、吳昌睿、楊睿、李慶桐、張森等研究生參與地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害的現(xiàn)場檢測工作;本書的出版承蒙筆者的恩師孫鈞院士的多次指導(dǎo),在此一并表示我們作者團隊最衷心的感謝。
由于作者水平有限,加之相關(guān)的檢測技術(shù)及圖像處理算法的快速更新,書中錯誤、不足或不妥之處在所難免,請廣大讀者批評指正。
黃宏偉2018年8月于同濟園
第1章緒論1
1.1城市地鐵發(fā)展現(xiàn)狀/1
1.2地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)狀/3
1.3地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害檢測技術(shù)/5
1.3.1基于攝像測量的自動檢測技術(shù)/6
1.3.2基于激光掃描的自動檢測技術(shù)/7
1.3.3探地雷達無損探測技術(shù)/8
1.4地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害檢測技術(shù)發(fā)展趨勢/9
第2章城市地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害11
2.1地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)、施工方法和病害基本類型/11
2.1.1地鐵隧道的結(jié)構(gòu)形式/12
2.1.2地鐵隧道的施工方法/13
2.1.3地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害的基本類型/14
2.2上海地鐵盾構(gòu)隧道運營環(huán)境與結(jié)構(gòu)病害/26
2.2.1上海地鐵隧道運營環(huán)境/27
2.2.2上海地鐵隧道病害調(diào)查/34
2.2.3隧道結(jié)構(gòu)病害特征與規(guī)律總結(jié)與分析/44
2.3隧道結(jié)構(gòu)檢測項目及措施/48
2.3.1隧道結(jié)構(gòu)檢測項目/49
2.3.2隧道結(jié)構(gòu)檢測措施/51
第3章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害常規(guī)人工檢查53
3.1檢查類型及作用/53
3.2檢查內(nèi)容/54
3.2.1滲漏水/55
3.2.2管片損傷/58
3.2.3結(jié)構(gòu)形變/59
3.2.4結(jié)構(gòu)裂化老化/59
3.2.5其他病害/61
3.3資料成果要求/62
3.3.1記錄表/62
3.3.2記錄影像/66
3.3.3其他信息/66
第4章盾構(gòu)隧道三維激光掃描檢測68
4.1三維激光掃描檢測原理/68
4.1.1脈沖飛行時間測距法/69
4.1.2調(diào)制波相位測距法/69
4.2三維激光掃描檢測設(shè)備及其選用/70
4.2.1三維激光掃描檢測設(shè)備/70
4.2.2三維激光掃描檢測設(shè)備的選用/73
4.3三維激光掃描檢測軟件/74
4.3.1數(shù)據(jù)采集/74
4.3.2坐標系配準/76
4.3.3點云去噪/78
4.3.4數(shù)據(jù)壓縮/80
4.3.5三維模型重建/82
4.3.6紋理映射/85
4.3.7工程與數(shù)據(jù)管理/86
4.4三維激光掃描檢測數(shù)據(jù)處理方法/87
4.4.1隧道變形與輪廓限界/87
4.4.2病害圖像處理/90
4.5三維激光掃描檢測發(fā)展趨勢/91
第5章盾構(gòu)隧道攝影成像掃描檢測94
5.1攝影技術(shù)概述/94
5.1.1攝影發(fā)展簡史/94
5.1.2攝影基本概念/95
5.2攝影測量介紹/97
5.2.1攝影測量概述/97
5.2.2攝影測量基本概念/98
5.2.3常用攝影測量解析方法/100
5.2.4攝影測量用于斷面變形檢測的研究/102
5.3攝影測量儀器與檢測裝備/103
5.3.1圖像傳感器/103
5.3.2圖像采集卡/107
5.3.3照明光源/109
5.3.4旋轉(zhuǎn)編碼器/111
5.4移動式隧道病害檢測系統(tǒng)/111
5.4.1檢測系統(tǒng)組成/111
5.4.2模擬隧道試驗/113
5.5攝影成像掃描檢測/116
5.5.1檢測計劃/116
5.5.2檢測過程/116
5.5.3檢測裝置與人員配置/117
5.5.4檢測報告/117
5.6數(shù)字圖像處理/117
5.6.1數(shù)字圖像處理簡介/117
5.6.2數(shù)字圖像處理基本步驟/118
5.7圖像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)/122
5.7.1MySQL概述/122
5.7.2系統(tǒng)開發(fā)/122
第6章盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測127
6.1盾構(gòu)隧道壁后注漿目的及施工中存在的問題/127
6.1.1壁后注漿的目的/127
6.1.2壁后注漿系統(tǒng)分類/128
6.1.3注漿材料的選擇/129
6.1.4壁后注漿施工中的問題/129
6.2隧道壁后注漿探地雷達無損探測國內(nèi)外研究
現(xiàn)狀/131
6.3盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測模擬試驗
研究/133
6.3.1探地雷達無損探測原理/133
6.3.2盾構(gòu)隧道壁后注漿探測模擬試驗/135
6.4盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測正演數(shù)值
模擬分析/157
6.4.1盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達時域有限差分法數(shù)值
模擬框架/157
6.4.2盾構(gòu)隧道壁后注漿縱向分布數(shù)值模擬/159
6.4.3盾構(gòu)隧道壁后注漿環(huán)向分布數(shù)值模擬/170
6.4.4數(shù)值正演模擬結(jié)論/173
6.5盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測結(jié)果的圖像
識別技術(shù)/174
6.5.1基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)/175
6.5.2基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隧道壁后注漿探測識別結(jié)果/181
6.5.3盾構(gòu)隧道壁后注漿探地雷達無損探測圖像識別案例/185
第7章基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理194
7.1機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)/194
7.1.1機器學(xué)習(xí)/194
7.1.2深度學(xué)習(xí)/195
7.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/195
7.2.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成/196
7.2.2人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播算法/197
7.2.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)/198
7.3深度學(xué)習(xí)方法/198
7.4基于深度學(xué)習(xí)的隧道病害識別實例/202
7.4.1滲漏水病害識別的全卷積網(wǎng)絡(luò)模型/202
7.4.2基于RFCN的隧道襯砌病害檢測模型/210
第8章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)檢測的其他方法221
8.1隧道結(jié)構(gòu)滲漏水紅外檢測/221
8.1.1檢測原理/221
8.1.2隧道實測/222
8.2隧道縱向沉降靜態(tài)監(jiān)測/224
8.2.1基于傾角傳感器的縱向沉降靜態(tài)監(jiān)測方案/224
8.2.2基于傾角傳感器的縱向沉降靜態(tài)監(jiān)測傳感器研發(fā)/227
8.2.3無線縱向沉降傳感器室內(nèi)試驗/233
8.2.4無線縱向沉降傳感器現(xiàn)場試驗/236
8.3隧道縱向沉降動態(tài)監(jiān)測/244
8.3.1基于傾角傳感器的縱向沉降動態(tài)監(jiān)測方案/244
8.3.2機械設(shè)計思路/248
8.3.3數(shù)據(jù)處理及無線傳輸系統(tǒng)/251
8.3.4數(shù)據(jù)處理及無線傳輸系統(tǒng)單元電路設(shè)計/252
8.4隧道裂縫深度檢測/254
8.4.1裂縫發(fā)展情況跟蹤監(jiān)測/254
8.4.2裂縫深度擴展情況監(jiān)測/255
第9章盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)檢測實例258
9.1隧道結(jié)構(gòu)三維激光掃描檢測實例1/258
9.1.1工程概述/258
9.1.2檢測儀器/259
9.1.3檢測過程/260
9.1.4內(nèi)業(yè)作業(yè)/262
9.2隧道結(jié)構(gòu)三維激光掃描檢測實例2/269
9.2.1工程概述/269
9.2.2檢測儀器及流程/269
9.2.3外業(yè)作業(yè)/270
9.2.4內(nèi)業(yè)作業(yè)/272
9.2.5成果質(zhì)量檢查/276
9.2.6測量成果/278
9.3隧道結(jié)構(gòu)表面病害攝影成像掃描檢測實例/283
9.3.1工程概述/284
9.3.2檢測儀器/284
9.3.3檢測流程/285
9.3.4外業(yè)作業(yè)/285
9.3.5內(nèi)業(yè)作業(yè)/288
9.3.6檢測結(jié)果統(tǒng)計/299
9.3.7攝像測量檢測技術(shù)優(yōu)勢總結(jié)/300
9.4隧道壁后注漿層探地雷達探測實例/301
9.4.1工程概述/301
9.4.2現(xiàn)場檢測方案及數(shù)據(jù)分析/302
第10章總結(jié)與展望306
參考文獻310
附錄321
附錄1隧道結(jié)構(gòu)檢查結(jié)果報告/321
附錄2表單式記錄/326
附錄3展開圖/327