三維激光掃描技術在基坑變形監測中的應用分析

趙汝斌

(福建省建筑科學研究院， 福建 福州 350025)

0 引言

近幾年，隨著城市建設速度的加快，市區內基坑工程的建設數量逐年增加，而在城市內進行深基坑的施工，可能會隨著基坑的挖掘影響周圍建筑的基礎，改變建筑的穩定性，因此，在施工過程中，需用多種方法監測基坑是否變形。基坑施工過程需及時了解其變形情況，以確保工程的安全性。

1 三維激光掃描技術

1.1 概述

三維激光掃描技術是一種現代化的信息獲取手段。該技術可以應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，考察施工團隊的整體水平，以此為前提，從整個工程中選擇某個區域作為監測的范圍，接著，根據范圍內工況，選擇適合的掃描儀，找到監測點的位置，得到監測數據。依據現場所采集的數據，構建三維模型，展開分析，完成對比驗證。

1.2 掃描方式

首先，根據工程概況制定監測方案，技術人員應分析設計圖紙，并實際現場勘察的基本情況，確定工程基準點的位置，設置控制網。控制點之間應保證相互通視，并覆蓋整個監測區域。確定監測范圍與控制點后，隨即用全站儀測量。測量工作的重點是確定中心位置的坐標，以減少后期坐標擬合的工作難度與工作量。

其次，進行設置站點掃描。掃描工作進行中，需根據每個區域的特點，選擇不同的分辨率，對于全景掃描可以使用較低的分辨率，而對于局部掃描，可使用較高的分辨率。

接著，過濾接收到的點云數據。掃描后得到的數據是帶有三維坐標的數據集。為建立三維模型，需篩選所有的數據，清除數據中的雜波，把不屬于測量區域的數據刪除，并在所有數據的基礎上，適當縮小點云的密度，以此提高模型構建的效率。另確定所有坐標的中心點，并與其他坐標擬合，可建立完整的工程坐標系。

以上三個步驟操作結束后，使用建模軟件根據最終得到的數據，建立支護結構的三維模型。

2 三維激光掃描技術的應用與優勢

2.1 應用

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行施工，要先把已有的基坑回填，并拆除坑內的支撐結構，隨后再開始施工。

首先根據基坑的形狀，設定基坑內數個坐標，并確定中心坐標的位置，設定掃描密度，從而減少外出監測的次數與工作量，確保自身監測不會影響周圍環境的情況下，在范圍內布置數個監測點，并確定每個點的坐標與基準點，隨后用儀器掃描并得到數據。隨后，對云點數據進行預處理，根據這些數據可以確定空間的變形情況，了解變形量的大小。預處理是篩選數據的過程，而進行數據預處理的原因是，用進行掃描的過程中，會因為周圍環境的影響，出現很多雜點，增加了數據的存儲量，同時由于基坑周圍的環境較為復雜，為得到準確的數據，需進行多測站的掃描，由此，需要對這些數據進行拼接。數據拼接的處理過程是：進行優化處理，并把它轉化為通用的數據格式，使用Geomagic軟件進行處理，待數據經過優化后，需基于數據完成對變形量的分析，基坑變形量的提取與工程的穩定與安全直接相關，且用這項技術得到的數據也更加全面。因此，應使用相應的技術處理軟件進行處理，并建立模型。處理步驟包括以下幾點：用軟件分析數據特點后，確定模型整體的大小，以及點、線、面的位置；構建三角形和曲面；對于點，還可以根據現場照片給點云賦以顏色，獲得更加寫實的模型數據。最后，根據最終結果，把不重要的點剔除，而它確定點位置的同時，也可以生成分析表。根據表中的結果，確定基坑的變形情況，工程人員可根據這一情況，對基坑整體的變形情況進行分析處理。

但在基坑工程應用時還必須注意的一點是：合理確定基準點以及工作基點的位置，并優化布設工作，這些點布設的準確性，將直接影響最后的結果。要求布設網的設置必須達到常規布設的標準，掃描目標和控制點之間的距離不可以超過100m，每個控制網之間有良好的通視，控制網網形合理。待所有基準點的位置確定后，可以使用全站儀等設備測量每個基準點以及坐標配準點的中心坐標。基于此，該技術掃描得到的數據即可為基坑變形情況的分析提供數據支持。

2.2 優勢

三維激光掃描技術的優勢在于數據獲取的全面性以及分析手段的先進性。在本工程案例中，通過在基坑周圍等位置設置基準點，并設置多個坐標配準點，采集數據并完成所有數據的分析與處理。

從圖中可以直觀地看出，相對于第一次觀測，冠梁的內側向內（西）整體位移，同時發生了沉降變形。側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30mm。根據現場情況，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 東側上部支護結構偏差（Delaunay三角網）

為了測試三維掃描的精度，將三維變形與基坑深層土體側向位移測試（以下簡稱測斜）結果相比較。將11月22日測試值與9月28日位移值對比，支護結構東側測斜孔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

從測斜結果可以看出，測試面附近的測斜孔位移量與掃描變形結果較為吻合。

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

由此，總結出用三維激光掃描技術進行基坑監測，可以縮小數據獲取的誤差，保證了數據的精度，而它也可以根據數據的特征，描述數據，深度刨析數據中包含的信息，方便人們充分運用數據完成監測與模型構建工作，而在高密度的監測環境中，也可以控制所有監測點位置的誤差，保證所有誤差的平均，完成所有數據的監測。因此，它也有著其他技術無法比擬的優勢。

3 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在基坑變形監測中的應用，可以全面、準確地采集并分析基坑變形數據，并從數據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。但因為其在基坑工程中的應用較少，技術方案還需進一步優化，從精度提升，數據后處理手段，多源數據融合等方面促進技術的發展與在工程中的應用。

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