三維激光掃描在頂管穿越高速路變形監(jiān)測的應(yīng)用

王智，張慧敏，沈璟璟，張育錢

(1.北京市勘察設(shè)計(jì)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(shè)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(xiàng)目越來越多，但高速路行車速度快，人工上路監(jiān)測困難。但高速路路面過大的變形影響路面的行車安全，嚴(yán)重的情況下可能會引發(fā)安全事故。鑒于此，本文通過采用三維激光掃描技術(shù)對某頂管項(xiàng)目穿越某高速路期間進(jìn)行掃描監(jiān)測，掃描情況很好地反映了高速路面的變形，為產(chǎn)權(quán)單位后續(xù)處置提供數(shù)據(jù)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(xiàn)狀路面以下 5.9 m～7.4 m，采用預(yù)制混凝土圓管，直徑 1.0 m～1.4 m，采用頂進(jìn)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(cè)頂管頂進(jìn)過程中，高速路面出現(xiàn)較大變形導(dǎo)致路面行車不平順。受委托，開展對頂管期間下穿高速路監(jiān)測工作。由于高速車流量大，人為上路監(jiān)測困難，依托前期開展的大量三維激光掃描穿越道路的監(jiān)測應(yīng)用實(shí)踐，采用TX-8三維激光掃描儀(儀器參數(shù) <2 mm@120 m，<1 mm@80 m)對頂管穿越期間進(jìn)行掃描。

3 掃描方案

在CZ-1、CZ-2上架設(shè)三維激光掃描儀，對中整平，對儀器高進(jìn)行量取，在標(biāo)靶點(diǎn)BB-1、BB-2、BB-3及BB-4、BB-5、BB-6支立直徑 145 mm的球形標(biāo)靶，開始外業(yè)掃描。現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)位示意圖如圖3所示。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)位示意圖

三維激光掃描時(shí)間與現(xiàn)場施工進(jìn)展情況匯總?cè)绫?所示。

表1 掃描時(shí)間與現(xiàn)場施工進(jìn)展情況匯總表

現(xiàn)場掃描完成后獲取的是測站周邊可視范圍內(nèi)所有的物體的點(diǎn)云，為便于數(shù)據(jù)分析需要先對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、地面提取、影響物剔除、兩期數(shù)據(jù)合并及點(diǎn)云檢測分析等操作，原始點(diǎn)云如圖4所示，具體處理流程如圖5所示。

圖4 原始點(diǎn)云

圖5 三維激光掃描數(shù)據(jù)處理流程

4 掃描結(jié)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(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)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(cè)道路)

圖7 變形色階圖及塊沉降量直方圖(南側(cè)道路)

①北側(cè)道路

根據(jù)當(dāng)時(shí)人工水準(zhǔn)測量結(jié)果，CJ-3點(diǎn)沉降變形量為 -5.07 mm，CJ-4點(diǎn)沉降變形量為 -1.99 mm。由圖6可以看到，在CJ-3、CJ-4點(diǎn)周邊選取若干點(diǎn)云點(diǎn)并計(jì)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(zhǔn)測量真實(shí)變形量相比分別相差 1.04 mm、0.65 mm，將兩次掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)變形量的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

表2 掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)測量變形量差值統(tǒng)計(jì)表

②南側(cè)道路

根據(jù)當(dāng)時(shí)人工水準(zhǔn)測量結(jié)果，CJ-1點(diǎn)沉降變形量為 -17.27 mm，CJ-2點(diǎn)沉降變形量為 -5.67 mm。由圖7可以看到，在CJ-1、CJ-2點(diǎn)周邊選取若干點(diǎn)云點(diǎn)并計(jì)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(zhǔn)測量真實(shí)變形量相比分別相差 0.97 mm、0.77 mm，將兩次掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)變形量的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

表3 掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)測量變形量差值統(tǒng)計(jì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)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(cè)道路)

根據(jù)當(dāng)時(shí)人工水準(zhǔn)測量結(jié)果，CJ-1點(diǎn)沉降變形量為 -29.46 mm，CJ-2點(diǎn)沉降變形量為 -37.82 mm。由圖8可以看到，在CJ-1、CJ-2點(diǎn)周邊選取若干點(diǎn)云點(diǎn)并計(jì)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(zhǔn)測量真實(shí)變形量相比分別相差 0.86 mm、0.88 mm，將兩次掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)變形量的差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示。

表4 掃描結(jié)果與人工水準(zhǔn)測量變形量差值統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)圖7可以看出，西側(cè)頂管從高速隔離帶頂進(jìn)至接收完成期間：南側(cè)道路西側(cè)頂管軸線上方累計(jì)變形量在 -22 mm～-29 mm之間，東側(cè)頂管軸線上方累計(jì)變形量在 -31 mm～-37 mm之間。

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

5 結(jié) 論

頂管頂進(jìn)期間，高速路面出現(xiàn)明顯變形。通過三維激光掃描非接觸測量手段，及時(shí)有效地填補(bǔ)了常規(guī)測量監(jiān)測困難的空白，提供了準(zhǔn)確有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為后續(xù)產(chǎn)權(quán)單位決策提供數(shù)據(jù)支撐。在實(shí)際工程應(yīng)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(shù)代替。