基于地面激光掃描的拱橋變形監(jiān)控

劉 華 張永民 王京杭 王 晨

（中鐵橋隧技術(shù)有限公司）

0 引言

隨著城市地下交通建設(shè)發(fā)展，基坑開(kāi)挖工程越來(lái)越普遍。基坑開(kāi)挖不僅影響周邊市域交通的正常運(yùn)營(yíng)，還會(huì)導(dǎo)致地應(yīng)力狀態(tài)重分布，引起土體變形[1]。這種土體非常態(tài)的現(xiàn)象可能危害臨近建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定性。拱橋橋臺(tái)與其基礎(chǔ)所受外力復(fù)雜，橋臺(tái)既承受上部結(jié)構(gòu)和本身自重，又承受臺(tái)后土壓力及活載，然后再傳遞給基礎(chǔ)，地基土常承受不對(duì)稱壓力荷載。因此拱橋基礎(chǔ)土體出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題將直接影響其橋臺(tái)沉降，進(jìn)而造成橋梁整體的沉降，引發(fā)橋梁上部結(jié)構(gòu)病害[2-3]。因此，基坑開(kāi)挖過(guò)程中有必要實(shí)施對(duì)橋梁空間變形快速且精準(zhǔn)的監(jiān)控。

地面激光掃描技術(shù)利用設(shè)置于地面的激光掃描設(shè)備，獲取目標(biāo)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目利用該技術(shù)，首先建立不同施工工況下目標(biāo)拱橋的點(diǎn)云模型，并通過(guò)特定的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)拱橋空間變形的及時(shí)監(jiān)控。

1 地面激光掃描技術(shù)

1.1 地面激光掃描工作原理

地面激光掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、軟件處理平臺(tái)等其余附屬設(shè)備構(gòu)成,是一種近年來(lái)新興的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)獲取手段[4]。使用者可使地面激光掃描系統(tǒng)深入到大部分復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中,并實(shí)現(xiàn)各種類型和體量的物體三維數(shù)據(jù)完整的采集,從而快速建立由點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成的實(shí)體。

地面三維激光掃描技術(shù)利用設(shè)立于地面的激光掃描儀向被測(cè)目標(biāo)表面發(fā)射高強(qiáng)光束并接收，同時(shí)設(shè)備內(nèi)部的測(cè)距系統(tǒng)計(jì)算出光束水平角、垂直角和目標(biāo)點(diǎn)距離。這些參數(shù)反映了單個(gè)測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，這些三維坐標(biāo)以海量點(diǎn)的形式分布于三維空間內(nèi)即形成三維點(diǎn)云[5]。

1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

點(diǎn)云數(shù)據(jù)即為包含被測(cè)目標(biāo)表面各位置的空間三維坐標(biāo)信息的高密度點(diǎn)集合。通常在被測(cè)目標(biāo)為體量較大的構(gòu)筑物時(shí)，視角的限制導(dǎo)致單站掃描儀無(wú)法囊括全部目標(biāo)表面。此時(shí)需要檢測(cè)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件在目標(biāo)周圍設(shè)置多個(gè)測(cè)站以實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)表面全覆蓋。

多站源數(shù)據(jù)分別處于相互獨(dú)立的空間坐標(biāo)系下，將多站源點(diǎn)云由離散集成為整體的過(guò)程稱為點(diǎn)云拼接[6]。拼接過(guò)程要求相鄰測(cè)站間具有一定比例的重合部分，或擁有足夠數(shù)量的公共特征物。根據(jù)重合部分或?qū)?yīng)特征物實(shí)現(xiàn)單測(cè)站間的空間變換，最終完成多站源數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)一。對(duì)于某個(gè)特定的構(gòu)筑物，坐標(biāo)系統(tǒng)一后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)稱為該構(gòu)筑物的點(diǎn)云模型。

2 拱橋數(shù)據(jù)采集與模型建立

2.1 工程概況

該橋梁具有較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)營(yíng)歷史。引橋雙曲拱橋位于主線橋端部，內(nèi)側(cè)同T 梁橋相接，外側(cè)連接引道，各孔均為等截面懸鏈線無(wú)鉸拱，矢跨比1/4～1/5。該橋共四跨（34# 橋 墩～38# 橋 墩）， 跨 徑 布 置 為 3 ×34.9m+32.3m，其中36#承臺(tái)有37 根樁，37#承臺(tái)有36根樁，樁基為鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約為23m，樁基所在位置土體主要為黏土和砂土。

圖1 雙曲拱立面圖

該雙曲拱橋西側(cè)進(jìn)行的城市地下軌道交通建設(shè)，需要開(kāi)展基坑開(kāi)挖。隨著施工的進(jìn)行，逐漸向深處開(kāi)挖的基坑很可能會(huì)對(duì)雙曲拱引橋造成不利影響。基坑工程和堆土可能對(duì)雙曲拱引橋造成破壞，特別是臨近地鐵車站基坑的38 號(hào)墩處及其延伸出的高路基段。

2.2 數(shù)據(jù)采集

使用Leica 公司P50 型號(hào)三維激光掃描儀進(jìn)行雙曲拱橋變形監(jiān)控工作。該儀器的參數(shù)功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙曲拱橋數(shù)據(jù)的完整采集。由于該橋梁為跨江橋引橋，屬于非涉水橋梁，因此只需根據(jù)橋梁監(jiān)控需求并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在每跨范圍內(nèi)設(shè)置若干測(cè)站，即可較容易地保證數(shù)據(jù)完整度。由于本測(cè)量工程整體跨度適中，因此可采用設(shè)置并獲取公共特征物輔助后續(xù)點(diǎn)云拼接過(guò)程，以提高點(diǎn)云模型的精確度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示，其中三角為測(cè)站位置所在。

圖2 測(cè)站位置示意圖

本文以基坑開(kāi)挖前以及基坑開(kāi)挖完成后兩個(gè)工況為研究對(duì)象，對(duì)雙曲拱橋?qū)嵤┛臻g變形監(jiān)控。

2.3 拱橋模型建立

使用掃描儀配套點(diǎn)云前處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接，實(shí)現(xiàn)拱橋點(diǎn)云模型的建立。將獨(dú)立的測(cè)站導(dǎo)入軟件中，選擇軟件中基于標(biāo)靶的點(diǎn)云拼接功能，依次對(duì)相鄰測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，最終實(shí)現(xiàn)整體拱橋點(diǎn)云模型的建立。見(jiàn)圖3。

圖3 雙曲拱點(diǎn)云模型

3 基于點(diǎn)云的拱橋變形監(jiān)控

3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)一

由于不同時(shí)間采集的不同工況下拱橋點(diǎn)云位于不同坐標(biāo)系下，因此變形識(shí)別前需要使兩者坐標(biāo)系統(tǒng)一。對(duì)于豎直坐標(biāo)系，利用在兩次測(cè)量中都采集到的高程控制點(diǎn)的差值，對(duì)其中一個(gè)工況下的點(diǎn)云模型進(jìn)行豎直方向的平移，同時(shí)以該高程控制點(diǎn)作為點(diǎn)云模型的坐標(biāo)原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)豎直坐標(biāo)系的統(tǒng)一。對(duì)于水平坐標(biāo)系，這里選擇對(duì)齊兩個(gè)模型中橋梁側(cè)面同一位置測(cè)線的方法，即在橋梁點(diǎn)云側(cè)面相同高度位置，利用坐標(biāo)值限制提取一段點(diǎn)云表面的直線。從俯視圖中觀察到該線段與平面坐標(biāo)軸具有一定夾角，計(jì)算夾角度數(shù)同時(shí)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行繞Z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使得兩點(diǎn)云的水平坐標(biāo)完成重合。統(tǒng)一后的坐標(biāo)系如圖4 所示。

圖4 統(tǒng)一坐標(biāo)系建立

3.2 測(cè)點(diǎn)選取與對(duì)比分析

該雙曲拱每跨橫向拱肋數(shù)量為16 個(gè)，選取每跨兩側(cè)的邊拱肋（1 號(hào)拱、3 號(hào)拱）與中間拱肋（2 號(hào)拱）作為變形監(jiān)控的對(duì)象。對(duì)每一根拱，在橫橋向取其橫截面左下角的角點(diǎn)作為高程提取點(diǎn)。在縱橋向，除每跨兩側(cè)拱腳外，中間部分以一定間隔取測(cè)點(diǎn)，如圖5 所示。

圖5 橫橋向與縱橋向測(cè)點(diǎn)選取

將測(cè)點(diǎn)縱橋向與高度坐標(biāo)繪制成線型圖，如圖6 所示。

圖6 拱肋線型圖

圖6 中展現(xiàn)了各拱肋線型的平順程度。進(jìn)一步分析兩個(gè)工況下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的高程坐標(biāo)，總體上基坑開(kāi)挖后的高程結(jié)果較基坑開(kāi)挖前的小，可以判斷基坑開(kāi)挖對(duì)土體的影響在拱橋上得以體現(xiàn)，拱橋整體上產(chǎn)生向下的位移。具體來(lái)說(shuō)，第四跨至第一跨的方向，各跨豎向變形差值出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，其原因在于第一跨距離基坑最近，受到影響較大，而第四跨距離基坑最遠(yuǎn)，受到影響較小。具體數(shù)值上，第一跨中最大豎向位移為25.2㎝，第二跨中最大豎向位移15.8㎝，第三跨與第四跨最大豎向位移都為0.7㎝。橋梁同一跨內(nèi)，越靠近基坑側(cè)的拱肋，豎向位移也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。經(jīng)對(duì)比，該結(jié)果與有限元理論計(jì)算結(jié)果相差較小，證明了數(shù)據(jù)分析的合理性，同時(shí)監(jiān)控結(jié)果表明在基坑開(kāi)挖后雙曲拱橋仍處于較安全范圍內(nèi)。

4 小結(jié)

本研究將地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于雙曲拱橋的變形監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了基坑開(kāi)挖過(guò)程中拱橋空間變形識(shí)別，并得出以下結(jié)論：

⑴地面三維激光技術(shù)能夠高效地獲取橋梁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)多個(gè)單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以快速集成為代表橋梁表面位置信息的三維點(diǎn)云模型。

⑵基于橋梁三維點(diǎn)云模型，工程師可以以坐標(biāo)為限制條件快速提取監(jiān)控相關(guān)參數(shù)，通過(guò)不同基坑開(kāi)挖工況下的參數(shù)對(duì)比分析揭示開(kāi)挖施工對(duì)拱橋變形定性與定量的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中關(guān)鍵時(shí)刻的拱橋變形監(jiān)控。