三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用分析

趙汝斌

(福建省建筑科學(xué)研究院， 福建 福州 350025)

0 引言

近幾年，隨著城市建設(shè)速度的加快，市區(qū)內(nèi)基坑工程的建設(shè)數(shù)量逐年增加，而在城市內(nèi)進(jìn)行深基坑的施工，可能會(huì)隨著基坑的挖掘影響周圍建筑的基礎(chǔ)，改變建筑的穩(wěn)定性，因此，在施工過程中，需用多種方法監(jiān)測基坑是否變形。基坑施工過程需及時(shí)了解其變形情況，以確保工程的安全性。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 概述

三維激光掃描技術(shù)是一種現(xiàn)代化的信息獲取手段。該技術(shù)可以應(yīng)用于基坑變形等工程中，具體操作為分析基坑工程具體的施工方案，考察施工團(tuán)隊(duì)的整體水平，以此為前提，從整個(gè)工程中選擇某個(gè)區(qū)域作為監(jiān)測的范圍，接著，根據(jù)范圍內(nèi)工況，選擇適合的掃描儀，找到監(jiān)測點(diǎn)的位置，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)。依據(jù)現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型，展開分析，完成對(duì)比驗(yàn)證。

1.2 掃描方式

首先，根據(jù)工程概況制定監(jiān)測方案，技術(shù)人員應(yīng)分析設(shè)計(jì)圖紙，并實(shí)際現(xiàn)場勘察的基本情況，確定工程基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，設(shè)置控制網(wǎng)。控制點(diǎn)之間應(yīng)保證相互通視，并覆蓋整個(gè)監(jiān)測區(qū)域。確定監(jiān)測范圍與控制點(diǎn)后，隨即用全站儀測量。測量工作的重點(diǎn)是確定中心位置的坐標(biāo)，以減少后期坐標(biāo)擬合的工作難度與工作量。

其次，進(jìn)行設(shè)置站點(diǎn)掃描。掃描工作進(jìn)行中，需根據(jù)每個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)，選擇不同的分辨率，對(duì)于全景掃描可以使用較低的分辨率，而對(duì)于局部掃描，可使用較高的分辨率。

接著，過濾接收到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。掃描后得到的數(shù)據(jù)是帶有三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)集。為建立三維模型，需篩選所有的數(shù)據(jù)，清除數(shù)據(jù)中的雜波，把不屬于測量區(qū)域的數(shù)據(jù)刪除，并在所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)縮小點(diǎn)云的密度，以此提高模型構(gòu)建的效率。另確定所有坐標(biāo)的中心點(diǎn)，并與其他坐標(biāo)擬合，可建立完整的工程坐標(biāo)系。

以上三個(gè)步驟操作結(jié)束后，使用建模軟件根據(jù)最終得到的數(shù)據(jù)，建立支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維模型。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)勢

2.1 應(yīng)用

以某基坑工程為例，位于城市的市中心，周圍有很多商用、民用建筑，緊鄰交通主干道，由于是在舊有的爛尾基坑工程上進(jìn)行施工，要先把已有的基坑回填，并拆除坑內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)，隨后再開始施工。

首先根據(jù)基坑的形狀，設(shè)定基坑內(nèi)數(shù)個(gè)坐標(biāo)，并確定中心坐標(biāo)的位置，設(shè)定掃描密度，從而減少外出監(jiān)測的次數(shù)與工作量，確保自身監(jiān)測不會(huì)影響周圍環(huán)境的情況下，在范圍內(nèi)布置數(shù)個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，并確定每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)與基準(zhǔn)點(diǎn)，隨后用儀器掃描并得到數(shù)據(jù)。隨后，對(duì)云點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以確定空間的變形情況，了解變形量的大小。預(yù)處理是篩選數(shù)據(jù)的過程，而進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的原因是，用進(jìn)行掃描的過程中，會(huì)因?yàn)橹車h(huán)境的影響，出現(xiàn)很多雜點(diǎn)，增加了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量，同時(shí)由于基坑周圍的環(huán)境較為復(fù)雜，為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行多測站的掃描，由此，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。數(shù)據(jù)拼接的處理過程是：進(jìn)行優(yōu)化處理，并把它轉(zhuǎn)化為通用的數(shù)據(jù)格式，使用Geomagic軟件進(jìn)行處理，待數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化后，需基于數(shù)據(jù)完成對(duì)變形量的分析，基坑變形量的提取與工程的穩(wěn)定與安全直接相關(guān)，且用這項(xiàng)技術(shù)得到的數(shù)據(jù)也更加全面。因此，應(yīng)使用相應(yīng)的技術(shù)處理軟件進(jìn)行處理，并建立模型。處理步驟包括以下幾點(diǎn)：用軟件分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)后，確定模型整體的大小，以及點(diǎn)、線、面的位置；構(gòu)建三角形和曲面；對(duì)于點(diǎn)，還可以根據(jù)現(xiàn)場照片給點(diǎn)云賦以顏色，獲得更加寫實(shí)的模型數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)最終結(jié)果，把不重要的點(diǎn)剔除，而它確定點(diǎn)位置的同時(shí)，也可以生成分析表。根據(jù)表中的結(jié)果，確定基坑的變形情況，工程人員可根據(jù)這一情況，對(duì)基坑整體的變形情況進(jìn)行分析處理。

但在基坑工程應(yīng)用時(shí)還必須注意的一點(diǎn)是：合理確定基準(zhǔn)點(diǎn)以及工作基點(diǎn)的位置，并優(yōu)化布設(shè)工作，這些點(diǎn)布設(shè)的準(zhǔn)確性，將直接影響最后的結(jié)果。要求布設(shè)網(wǎng)的設(shè)置必須達(dá)到常規(guī)布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，掃描目標(biāo)和控制點(diǎn)之間的距離不可以超過100m，每個(gè)控制網(wǎng)之間有良好的通視，控制網(wǎng)網(wǎng)形合理。待所有基準(zhǔn)點(diǎn)的位置確定后，可以使用全站儀等設(shè)備測量每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)以及坐標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)的中心坐標(biāo)。基于此，該技術(shù)掃描得到的數(shù)據(jù)即可為基坑變形情況的分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 優(yōu)勢

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)獲取的全面性以及分析手段的先進(jìn)性。在本工程案例中，通過在基坑周圍等位置設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，并設(shè)置多個(gè)坐標(biāo)配準(zhǔn)點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)并完成所有數(shù)據(jù)的分析與處理。

從圖中可以直觀地看出，相對(duì)于第一次觀測，冠梁的內(nèi)側(cè)向內(nèi)（西）整體位移，同時(shí)發(fā)生了沉降變形。側(cè)向位移值從直方圖中可以直觀地看出，大部分分布在13mm左右。局部位移已達(dá)30mm。根據(jù)現(xiàn)場情況，局部位移大的位置有可能是表面泥漿附著或脫落造成。

圖一 東側(cè)上部支護(hù)結(jié)構(gòu)偏差（Delaunay三角網(wǎng)）

為了測試三維掃描的精度，將三維變形與基坑深層土體側(cè)向位移測試（以下簡稱測斜）結(jié)果相比較。將11月22日測試值與9月28日位移值對(duì)比，支護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)測斜孔C1、C2從1米至10米深度位移增量值如下表所示：

位移增量(mm)深度(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C1孔 5.75 1.68 2.76 3.95 5.12 8.09 9.48 10.79 11.97 12.74 C2孔 9.21 10.14 11.23 10.53 10.94 12.27 12.43 16.17 16.2 14.28

從測斜結(jié)果可以看出，測試面附近的測斜孔位移量與掃描變形結(jié)果較為吻合。

從上述的理論分析和對(duì)比結(jié)果可以看出，目前的工程應(yīng)用中，將三維建模的方法應(yīng)用于基坑監(jiān)測工作是可行的，但還有很大的改進(jìn)余地。

由此，總結(jié)出用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行基坑監(jiān)測，可以縮小數(shù)據(jù)獲取的誤差，保證了數(shù)據(jù)的精度，而它也可以根據(jù)數(shù)據(jù)的特征，描述數(shù)據(jù)，深度刨析數(shù)據(jù)中包含的信息，方便人們充分運(yùn)用數(shù)據(jù)完成監(jiān)測與模型構(gòu)建工作，而在高密度的監(jiān)測環(huán)境中，也可以控制所有監(jiān)測點(diǎn)位置的誤差，保證所有誤差的平均，完成所有數(shù)據(jù)的監(jiān)測。因此，它也有著其他技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

3 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用，可以全面、準(zhǔn)確地采集并分析基坑變形數(shù)據(jù)，并從數(shù)據(jù)中了解基坑的整體變形情況，把變形量的大小直觀的展示出來。但因?yàn)槠湓诨庸こ讨械膽?yīng)用較少，技術(shù)方案還需進(jìn)一步優(yōu)化，從精度提升，數(shù)據(jù)后處理手段，多源數(shù)據(jù)融合等方面促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與在工程中的應(yīng)用。

[1]倪家明,黃茂英. 三維激光在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 城市建設(shè)理論研究(電子版),2016,(33):122-123.