三維激光掃描在頂管穿越高速路變形監測的應用

王智，張慧敏，沈璟璟，張育錢

(1.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038； 2.北京城市副中心站綜合樞紐建設管理有限公司，北京 101117)

1 引 言

近年來，頂管工程穿越高速路項目越來越多，但高速路行車速度快，人工上路監測困難。但高速路路面過大的變形影響路面的行車安全，嚴重的情況下可能會引發安全事故。鑒于此，本文通過采用三維激光掃描技術對某頂管項目穿越某高速路期間進行掃描監測，掃描情況很好地反映了高速路面的變形，為產權單位后續處置提供數據支持。

2 工程概況

某污水管線管底高程為14.487 m～16.19 m，管頂高程 15.887 m～18.19 m，埋深現狀路面以下 5.9 m～7.4 m，采用預制混凝土圓管，直徑 1.0 m～1.4 m，采用頂進法施工。頂管穿越某高速段平面圖及剖面圖如圖1～圖2所示。

圖1 頂管下穿高速路平面圖

圖2 頂管下穿高速路剖面圖

由于西側頂管頂進過程中，高速路面出現較大變形導致路面行車不平順。受委托，開展對頂管期間下穿高速路監測工作。由于高速車流量大，人為上路監測困難，依托前期開展的大量三維激光掃描穿越道路的監測應用實踐，采用TX-8三維激光掃描儀(儀器參數 <2 mm@120 m，<1 mm@80 m)對頂管穿越期間進行掃描。

3 掃描方案

在CZ-1、CZ-2上架設三維激光掃描儀，對中整平，對儀器高進行量取，在標靶點BB-1、BB-2、BB-3及BB-4、BB-5、BB-6支立直徑 145 mm的球形標靶，開始外業掃描。現場監測點位示意圖如圖3所示。

圖3 監測點位示意圖

三維激光掃描時間與現場施工進展情況匯總如表1所示。

表1 掃描時間與現場施工進展情況匯總表

現場掃描完成后獲取的是測站周邊可視范圍內所有的物體的點云，為便于數據分析需要先對點云數據進行數據拼接、地面提取、影響物剔除、兩期數據合并及點云檢測分析等操作，原始點云如圖4所示，具體處理流程如圖5所示。

圖4 原始點云

圖5 三維激光掃描數據處理流程

4 掃描結果分析

(1)2021.06.08與2021.06.02對比

獲得2021年6月2日、2021年6月8日的las格式點云數據后，對其進行變形分析，得到變形色階圖(塊沉降)及塊沉降量直方圖，如圖6～圖7所示。

圖6 變形色階圖及塊沉降量直方圖(北側道路)

圖7 變形色階圖及塊沉降量直方圖(南側道路)

①北側道路

根據當時人工水準測量結果，CJ-3點沉降變形量為 -5.07 mm，CJ-4點沉降變形量為 -1.99 mm。由圖6可以看到，在CJ-3、CJ-4點周邊選取若干點云點并計算其變形量平均值(塊沉降量)得到其平均變形量為 -4.03 mm、-1.34 mm，與水準測量真實變形量相比分別相差 1.04 mm、0.65 mm，將兩次掃描結果與人工水準變形量的差值進行統計，如表2所示。

表2 掃描結果與人工水準測量變形量差值統計表

②南側道路

根據當時人工水準測量結果，CJ-1點沉降變形量為 -17.27 mm，CJ-2點沉降變形量為 -5.67 mm。由圖7可以看到，在CJ-1、CJ-2點周邊選取若干點云點并計算其變形量平均值(塊沉降量)得到其平均變形量為 -16.30 mm、-4.90 mm，與水準測量真實變形量相比分別相差 0.97 mm、0.77 mm，將兩次掃描結果與人工水準變形量的差值進行統計，如表3所示。

表3 掃描結果與人工水準測量變形量差值統計表

(2)2021.07.16與2021.06.02對比

獲得2021年6月2日、2021年7月16日的las格式點云數據后，對其進行變形分析，得到變形色階圖(塊沉降)及塊沉降量直方圖，如圖8所示。

圖8 變形色階圖及塊沉降量直方圖(南側道路)

根據當時人工水準測量結果，CJ-1點沉降變形量為 -29.46 mm，CJ-2點沉降變形量為 -37.82 mm。由圖8可以看到，在CJ-1、CJ-2點周邊選取若干點云點并計算其變形量平均值(塊沉降量)得到其平均變形量為 -28.60 mm、-36.70 mm，與水準測量真實變形量相比分別相差 0.86 mm、0.88 mm，將兩次掃描結果與人工水準變形量的差值進行統計，如表4所示。

表4 掃描結果與人工水準測量變形量差值統計表

根據圖7可以看出，西側頂管從高速隔離帶頂進至接收完成期間：南側道路西側頂管軸線上方累計變形量在 -22 mm～-29 mm之間，東側頂管軸線上方累計變形量在 -31 mm～-37 mm之間。

《工程測量標準》(GB50026-2020)中10變形監測10.1一般規定表10.1.3變形監測的等級劃分及精度要求(mm)中，二等垂直位移監測變形觀測點高程中誤差為 0.5 mm。實際掃描結果與人工水準測量結果變形量差值約 0.8 mm，小于2倍的測量點位中誤差(1 mm)，基本可以得出三維激光掃描成果達到二等水準測量精度要求。

5 結 論

頂管頂進期間，高速路面出現明顯變形。通過三維激光掃描非接觸測量手段，及時有效地填補了常規測量監測困難的空白，提供了準確有效的監測數據，為后續產權單位決策提供數據支撐。在實際工程應用中針對人工沉降不具備條件的情況，可以采用三維激光掃描技術代替。