關(guān)鍵詞： 三維激光掃描技術(shù) 基坑變形 監(jiān)測 應(yīng)用分析

中圖分類號： P225.2;TU196.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0030-04

傳統(tǒng)的基坑形變監(jiān)測技術(shù)有全站儀、水準(zhǔn)儀測量等，需要在基坑的各個(gè)部位布設(shè)數(shù)多的監(jiān)測點(diǎn)。這一類監(jiān)測方式的缺點(diǎn)十分明顯：首先，這一類監(jiān)測均屬于單點(diǎn)位置監(jiān)測，對于緊鄰兩點(diǎn)間的形變分析不明確，因此獲取的形變數(shù)據(jù)并不完整，難以真實(shí)地反映基坑實(shí)際狀況；其次，因?yàn)轫?xiàng)目作業(yè)區(qū)域地勢繁雜，人流量大，設(shè)備機(jī)械多，所布設(shè)的監(jiān)測點(diǎn)很容易被破壞。所以，選用傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)對基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行評判，會有一定的誤差。三維激光掃描技術(shù)是目前監(jiān)測作業(yè)中的新型技術(shù)方式，該技術(shù)不再局限于單點(diǎn)位置的監(jiān)測，可以采集到基坑全部作業(yè)面的云點(diǎn)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)便捷化、智能化監(jiān)測的目標(biāo)。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描設(shè)備涵蓋激光掃描裝置、測距裝置以及攝像裝置。這3 個(gè)裝置在相互輔助的狀態(tài)下，能夠?qū)崿F(xiàn)被測目標(biāo)的三維可視化成圖[1]，具體如圖1所示。

掃描裝置需要向被測對象發(fā)射激光束，同時(shí)獲取激光束的反射線，完成掃描的環(huán)節(jié)。激光束的發(fā)射部位點(diǎn)O至測量點(diǎn)A 的間距擬定為r，橫向掃描方位是θ，縱向掃描方位是φ。

其坐標(biāo)的原點(diǎn)為發(fā)射部位點(diǎn)O，同時(shí)在縱向測量面選定Z 軸，橫向測量面選定X 軸與Y 軸，當(dāng)中，X 軸和被測對象的方位相同，同時(shí)和Y 軸、Z 軸互為垂直，即形成掃描設(shè)備內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)系的方位基于Z 軸為參考，同時(shí)滿足右側(cè)使用標(biāo)準(zhǔn)，橫向測量方位以X 軸的正前方，翻轉(zhuǎn)90°到Y(jié) 軸的正前方為參考，縱向測量方位以仰角為參考，結(jié)合設(shè)備內(nèi)部的坐標(biāo)系統(tǒng)，可以計(jì)算出某一個(gè)掃描點(diǎn)A 的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，公式如下：

X_A = r cos θ cos φ

Y_A = r sin θ cos φ

Z_A = r sin φ

2 工程概況

本項(xiàng)目位于北京市西城區(qū)月壇北街25號院，距離釣魚臺國賓館200 m。本工程基坑支護(hù)埋深約為11.30 m，基坑側(cè)壁安全等級為一級?；又ёo(hù)采用護(hù)坡樁加預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)型式，局部采用鋼管樁。施工順序?yàn)?；先進(jìn)行場地平整，然后施工護(hù)坡樁，冠梁，再隨著土方開挖進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨桿和樁間噴射混凝土施工。

本項(xiàng)目場地穩(wěn)定地下水位標(biāo)高19.56～19.96 m，埋深22.80～23.400 m，為潛水。場地西南側(cè)局部有滯水，水位標(biāo)高27.26 m，埋深15.50 m，水量較小，不用進(jìn)行降水。

本工程施工場區(qū)位于西城區(qū)月壇北街25 號，北臨阜城門外大街40 號院，國資委物資機(jī)關(guān)服務(wù)局院內(nèi)。東、南、西側(cè)毗鄰物資大院。對建筑紅線內(nèi)周邊建筑物加強(qiáng)變形監(jiān)測[2]。

3 基于三維激光掃描技術(shù)的基坑監(jiān)測方案

依據(jù)我國建筑規(guī)范的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對深度超過5 m的基坑項(xiàng)目，需對其實(shí)施形變監(jiān)測。最為普遍的測量方式有全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備，對其實(shí)施橫向位移測量與基坑沉陷測量。在實(shí)施形變監(jiān)測工作時(shí)，需要利用控制點(diǎn)構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)[3]。這種傳統(tǒng)的測量方式雖然應(yīng)用普遍，但卻存在很多的問題，具體如下：首先，這種測量方式屬于單點(diǎn)位置測量，所獲取的數(shù)據(jù)之間沒有銜接；其次，如果項(xiàng)目建設(shè)區(qū)域大，測量點(diǎn)多，尤其是對于大型基坑項(xiàng)目，很難監(jiān)測到基坑形變的準(zhǔn)確信息；最后，傳統(tǒng)監(jiān)測方式的可視化與智能化程度不高。

為避免上述問題的出現(xiàn)，完善基坑形變監(jiān)測工作的實(shí)施，本項(xiàng)目采用三維激光掃描設(shè)備，作為基坑與四周建筑形變監(jiān)測的技術(shù)方式：在掃描測量之前，做好項(xiàng)目的現(xiàn)場勘察，全面掌握項(xiàng)目場地狀況，依據(jù)項(xiàng)目場地狀況，規(guī)劃掃描測量的基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、過渡站的布設(shè)、基坑監(jiān)測的區(qū)域劃分，最后將采集到的掃描信息實(shí)施可視化處理。具體步驟分為基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)、基坑區(qū)域劃分、形變信息采集、數(shù)據(jù)分析與可視化處理這幾部分[4]。

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)云獲取

3.1.1 測站基準(zhǔn)點(diǎn)

本項(xiàng)目的測量基準(zhǔn)位置，選用和三維激光掃描設(shè)備相匹配的磁性靶球，靶球直徑規(guī)格是139.6mm。靶球的底座為與之匹配的金屬圓柱體。選定測量基準(zhǔn)位置之后，需要埋設(shè)好水泥墩，使用射釘固定好靶球的底座，后續(xù)的測量工作只需要把靶球放置于底座部位。這樣可保障測量作業(yè)的靈活性，提升靶球的使用率[5]。

3.1.2 掃描參考基準(zhǔn)系統(tǒng)

在測量基準(zhǔn)位置到基坑的沿線，布設(shè)好掃描參考系統(tǒng)。每一個(gè)掃描參考系統(tǒng)中需要有3 個(gè)不同線路的磁性靶球，并固定好底座部位，掃描參考系統(tǒng)的布設(shè)數(shù)量，要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際需求來定，掃描結(jié)束采集點(diǎn)云之后，再與掃描參考系統(tǒng)內(nèi)的參考點(diǎn)做好銜接，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)和基坑形變云數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)[6]。

3.1.3 過渡站

依據(jù)自基坑外部向基坑內(nèi)部逐步掃描的路線，測量基準(zhǔn)位置和基坑形變點(diǎn)云之間的部位，設(shè)置成過渡站，掃描工作環(huán)節(jié)，需要保障臨近的兩個(gè)過渡站都使用同一個(gè)掃描參考系統(tǒng)，也就是最少有3 個(gè)標(biāo)靶為相互重疊的。

3.2 基坑掃描分區(qū)及變形點(diǎn)云獲取

結(jié)合項(xiàng)目場地勘察狀況，本項(xiàng)目將基坑劃分成若干區(qū)域，分區(qū)實(shí)施掃描工作。應(yīng)遵循“少掃描站，高覆蓋率”的原則。這是為了后續(xù)數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，能夠盡可能減少分析誤差的問題出現(xiàn)，有效控制點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取量[7]。

4 掃描數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1 掃描數(shù)據(jù)獲取

4.1.1 掃描參數(shù)確定

首先安置好掃描儀器，根據(jù)場地四周環(huán)境與掃描設(shè)備的精度，調(diào)節(jié)掃描范圍、掃描的分辨率、掃描持續(xù)時(shí)間。本工程的橫向掃描范圍擬定為0～360°，縱向掃描范圍擬定為-60°～90°，分辨率使用1 倍，各站的掃描持續(xù)時(shí)間是25 min。

4.1.2 收集掃描數(shù)據(jù)

根據(jù)圖2 可知，首先，確定基準(zhǔn)位置點(diǎn)云之后，在P1 部位安置掃描設(shè)備，調(diào)節(jié)好相關(guān)參數(shù)之后，實(shí)施掃描工作。掃描環(huán)節(jié)中，靶球需要一直在通視環(huán)境好的區(qū)域，這樣能夠確保掃描的精準(zhǔn)性，后續(xù)數(shù)據(jù)的銜接也會更加順利；同時(shí)還需保障3 個(gè)靶球位于不同的直線中。其次，通過P2 部位的過渡站，銜接基準(zhǔn)位置點(diǎn)云與基坑形變點(diǎn)云；最后，把基坑劃分成6 個(gè)小區(qū)，在P3部位、P4 部位、P5 部位，安置掃描設(shè)備實(shí)施測量。

4.1.3 掃描點(diǎn)云的核查

掃描結(jié)束之后，需要核查設(shè)備的成像結(jié)果，檢查掃描的精準(zhǔn)度，保障掃描范圍的覆蓋率完整。上述工作完成之后，再移至下一個(gè)掃描站，依照布置順序與掃描的范圍逐個(gè)進(jìn)行掃描，直至該基坑全部區(qū)域掃描結(jié)束[8]。

4.2 掃描數(shù)據(jù)處理

把掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入Scene 系統(tǒng)，實(shí)施銜接處理。A 點(diǎn)～C 點(diǎn)是基坑的測量基準(zhǔn)位置，D、E、F、G、H、K、L、M 是銜接的磁性靶球，P1 部位、P2 部位、P3 部位是掃描設(shè)備的安置點(diǎn)。

采用本方案監(jiān)測所得的結(jié)果，在銜接處理之后，將其格式進(jìn)行更改，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照一定順序排列好，并標(biāo)記好特殊地勢與灰度信息，將其提取為“*.pts”格式。把更改格式之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，輸入3DReshaper，實(shí)施后階段處理，結(jié)合測量基準(zhǔn)部位，把兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對應(yīng)坐標(biāo)排列對齊，之后使用軟件的“對比檢測”，對點(diǎn)云的變形數(shù)據(jù)實(shí)施可視化分析，制成變形云圖，最后補(bǔ)充詳細(xì)位置信息，即可獲取基坑的形變趨勢圖與信息報(bào)告[9]。

5 結(jié)語

綜上分析，基坑項(xiàng)目的形變監(jiān)測工作中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠進(jìn)一步完善監(jiān)測工作的精準(zhǔn)度，提升監(jiān)測效率。三維激光掃描技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取大量數(shù)據(jù)信息，且真實(shí)性高，對基坑項(xiàng)目的形變監(jiān)測可提供有效參考。