基于三維激光掃描技術的陡坡填方梁場長期監測方法研究

張 軍 高月波 付紹強

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

在預壓期的軟弱地基中，由于地基的不穩定性，在預制梁場布置的過程中極易產生不均勻的沉降，考慮到預制梁的自重大，極易造成預制梁的質量問題。規范中要求預制梁的撓度變形不允許超過2mm，因此必須對預制梁場進行長期的監測和控制以滿足預制梁在施工過程中的質量要求。國內眾多學者對其進行了一定程度的研究，其中河海大學的馬飛分析了處于預壓期軟基路堤上的預制梁場的沉降規律[1]，王風波等分析了不同預制梁臺座布設形式對軟基差異沉降的影響[2]，黃松分析了不同齡期、不同差異沉降條件下，早齡期混凝土梁構件的應力應變的變化規律[3]。以上研究都從不同的方面分析了影響預制梁場沉降的因素和規律，但他們的研究僅僅是從理論上分析其變化的規律，并未對預制梁場進行長期的監測，因此本文提出一種新的方法，通過三維激光掃描技術分析不同時期預制梁場的沉降變化，分析不同階段的點云數據實現梁場的變形監測，從而保證預制梁的施工質量。

2 梁場監測方法

2.1 監測方法概述

本文基于三維激光掃描技術提出一種新的梁場沉降監測方法，以采集到的梁場地面一期點云數據為基礎，將自制的三棱錐作為永久固定的控制點標靶，進行不同期數據的高精度拼接，通過對比多期點云數據分析梁場在該段時期內的沉降量，及時對梁場進行支護防護，尤其是梁場臺座部分變形，必須嚴格控制其變形，技術路線圖如圖1 所示。

圖1 梁場長期監測技術路線

2.2 點云拼接

點云數據拼接的精度直接關系到沉降分析的結果是否準確，因此本文提出一種新的方法進行拼接。在空間內三個兩兩相交的面能夠形成一個空間點，根據這個原理選取三棱錐作為標志物，通過擬合三棱錐的三個平面，相交成為一個控制點。在梁場附近不會產生沉降變形且視野開闊的位置澆筑至少三個永久固定的三棱錐，并且三棱錐所在位置不能相近或位于同一平面，每期數據的采集都需要將三棱錐包含在內，兩期數據通過三棱錐的控制點進行拼接，圖2為自制三棱錐。

圖2 三棱錐標志物

為了達到高精度拼接效果，擬采用算法實現空間坐標點配準，拼接原理如圖3 所示。相同點集在不同坐標系下坐標值是不同的。設第一期點集的坐標矩陣為A，第二期點集坐標矩陣為B。將B 轉化到A 可認為是經歷了繞X、Y、Z 坐標軸旋轉和整體坐標系的平移。

圖3 空間坐標拼接原理

設C 為將B 經過旋轉和平移后得到的矩陣，則：

使誤差函數最小求解θ、α、β 以及γ、λ、μ 可視為無約束最小的優化問題。采用Mtalab 的很容易求解到最后轉換參數。

3 工程應用

3.1 工程概況

本文以宜賓至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段為工程依托，宜賓至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段，路線起于昭通市彝良縣海子鎮K144+910，止于昭通市昭陽區北閘鎮K237+600，全長93Km。全線按雙向四車道高速公路標準設計，設計時速80Km/h，路基寬度24.5m。其中梁場所處位置為陡坡填方地段，采用粉砂質泥巖、粉質粘土和卵石作為回填土質，地面鋪設混凝土，圖4 為梁場現場監測圖。

3.2 梁場點云數據采集及處理

采集數據時要盡量保證梁場臺座的數據密度均勻，由于梁場面積大，單站掃描并不能保證數據的完整，需要進行多站數據采集，各站之間通過靶標球拼接，三個靶標球的擺放不能位于同條直線上，并且兩站之間的距離在10m 左右為宜，在適宜的溫度下進行掃描，見圖5。

圖5 梁場三維點云數據

依據第2.2 節所述方法，將點云數據進行批量化的降噪處理，尤其是梁場臺座部分，要保證該部分點云數據的原始幾何形狀和完整性。每站的點云數據降噪之后通過靶標球進行拼接，兩期的點云數據通過三棱錐獲取的公共特征點進行拼接，要保證其拼接精度。

3.3 梁場沉降分析方法

3.3.1 基于曲面的沉降分析

本文提出采取曲面擬合的方法，依據第一期梁場點云數據為基準數據，對后期梁場數據進行分析。由于點云是無序、離散的，兩期點云數據不可能存在同一參考點。為此，采用曲面擬合算法對點云數據進行處理，分別得到兩期點云的近似地表曲面。基于此，本文依據梁場第一期面點云數據，通過編制MATLAB 算法程序獲得了梁地面曲面，見圖6。

在回歸分析中，測定值與按回歸方程預測的值之差為殘差，點云的標準化殘差落在(-2，2)區間以外的概率≤0.05。若點云的標準化殘差落在(-2，2)區間以外，可在95%置信度將其判為異常點，不參與回歸直線擬合，由圖6 曲面擬合的殘差圖中可以看出，該點云數據皆為可靠值，曲面擬合較為真實；在圖7 中，通過對比第一期的理論地形曲面，結果可以發現地面沉降基本在2-3cm，但是該方法只能看出梁場的整體沉降，而無法分辨其沉降趨勢。因此本文將通過線形分析該梁場的地表沉降。

圖7 曲面偏差分析

3.3.2 地面沉降線形分析

在兩期點云數據中分割出關心剖線處的點云帶條。以劃框算法分別計算兩期點云帶條的高程線。對兩條高程線做差，即可得到梁場地面任意剖線的沉降曲線。劃框算法的步驟如下：（1）將點云帶條縱向分為n 段；（2）對每一段點云求平均值，得到中心點坐標；（3）將中心點連接構成梁場地表面線；（4）對兩條地表線做差，得到沉降曲線。在該項目中，劃框的尺寸縱向0.2 m×橫向0.1 m。劃框中所屬第i(i=1,2,…,n)段點云數據的分割公式為：

按上述方法進行數據處理后，得到該梁場不同剖線的沉降曲線，如圖8 所示。從圖8 中可以看出整個梁場的整體沉降趨勢，圖中所有曲線均處于梁場填方范圍。外側曲線相對與內側曲線沉降量更大。從沉降線形分布來看，整個梁場的整體呈將維持在2-3cm，與曲面分析基本吻合，表明通過曲面分析法進行整體分析是準確的。梁場外側部分區域修建了擋土墻，以及填方厚度和壓實度的不同，可能是引起剖線上不同部位沉降值不同的主要原因。因此，在陡坡上修建填方梁場時，需要注意控制填方土厚度和壓實度均勻，并且擋土墻應在填方范圍內連續修建，確保梁場沉降均勻，這可以大幅降低梁場沉降對預制梁線形的影響。

圖8 梁場沉降變形曲線

4 結論

本文依托實際工程針對梁場沉降變形的長期監測提出了基于三維掃描的梁場監測新方法，研發了基于三棱錐的點云精確拼接方法，對宜昭高速項目的填方梁場進行了監測與應用，對梁場地面沉降進行了分析與評估，本文提出的方法不僅能夠提高梁場監測的精度和效率，同時能夠獲取梁場的整體變形，對實際工程有著重要的指導意義。