三維激光掃描測量技術在變形監測中的應用

關鍵詞： 三維激光掃描技術 基坑變形 監測 應用分析

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

傳統的基坑形變監測技術有全站儀、水準儀測量等，需要在基坑的各個部位布設數多的監測點。這一類監測方式的缺點十分明顯：首先，這一類監測均屬于單點位置監測，對于緊鄰兩點間的形變分析不明確，因此獲取的形變數據并不完整，難以真實地反映基坑實際狀況；其次，因為項目作業區域地勢繁雜，人流量大，設備機械多，所布設的監測點很容易被破壞。所以，選用傳統監測技術對基坑的穩定性進行評判，會有一定的誤差。三維激光掃描技術是目前監測作業中的新型技術方式，該技術不再局限于單點位置的監測，可以采集到基坑全部作業面的云點數據，從而實現便捷化、智能化監測的目標。

1 三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描設備涵蓋激光掃描裝置、測距裝置以及攝像裝置。這3 個裝置在相互輔助的狀態下，能夠實現被測目標的三維可視化成圖[1]，具體如圖1所示。

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

其坐標的原點為發射部位點O，同時在縱向測量面選定Z 軸，橫向測量面選定X 軸與Y 軸，當中，X 軸和被測對象的方位相同，同時和Y 軸、Z 軸互為垂直，即形成掃描設備內部的坐標系統，坐標系的方位基于Z 軸為參考，同時滿足右側使用標準，橫向測量方位以X 軸的正前方，翻轉90°到Y 軸的正前方為參考，縱向測量方位以仰角為參考，結合設備內部的坐標系統，可以計算出某一個掃描點A 的坐標數據，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

本項目位于北京市西城區月壇北街25號院，距離釣魚臺國賓館200 m。本工程基坑支護埋深約為11.30 m，基坑側壁安全等級為一級。基坑支護采用護坡樁加預應力錨桿的支護型式，局部采用鋼管樁。施工順序為；先進行場地平整，然后施工護坡樁，冠梁，再隨著土方開挖進行預應力錨桿和樁間噴射混凝土施工。

本項目場地穩定地下水位標高19.56～19.96 m，埋深22.80～23.400 m，為潛水。場地西南側局部有滯水，水位標高27.26 m，埋深15.50 m，水量較小，不用進行降水。

本工程施工場區位于西城區月壇北街25 號，北臨阜城門外大街40 號院，國資委物資機關服務局院內。東、南、西側毗鄰物資大院。對建筑紅線內周邊建筑物加強變形監測[2]。

3 基于三維激光掃描技術的基坑監測方案

依據我國建筑規范的相關標準，針對深度超過5 m的基坑項目，需對其實施形變監測。最為普遍的測量方式有全站儀、水準儀等設備，對其實施橫向位移測量與基坑沉陷測量。在實施形變監測工作時，需要利用控制點構建控制網絡[3]。這種傳統的測量方式雖然應用普遍，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位置測量，所獲取的數據之間沒有銜接；其次，如果項目建設區域大，測量點多，尤其是對于大型基坑項目，很難監測到基坑形變的準確信息；最后，傳統監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，完善基坑形變監測工作的實施，本項目采用三維激光掃描設備，作為基坑與四周建筑形變監測的技術方式：在掃描測量之前，做好項目的現場勘察，全面掌握項目場地狀況，依據項目場地狀況，規劃掃描測量的基準點布設、過渡站的布設、基坑監測的區域劃分，最后將采集到的掃描信息實施可視化處理。具體步驟分為基準點的布設、基坑區域劃分、形變信息采集、數據分析與可視化處理這幾部分[4]。

3.1 基準點云獲取

3.1.1 測站基準點

本項目的測量基準位置，選用和三維激光掃描設備相匹配的磁性靶球，靶球直徑規格是139.6mm。靶球的底座為與之匹配的金屬圓柱體。選定測量基準位置之后，需要埋設好水泥墩，使用射釘固定好靶球的底座，后續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的靈活性，提升靶球的使用率[5]。

3.1.2 掃描參考基準系統

在測量基準位置到基坑的沿線，布設好掃描參考系統。每一個掃描參考系統中需要有3 個不同線路的磁性靶球，并固定好底座部位，掃描參考系統的布設數量，要結合項目的實際需求來定，掃描結束采集點云之后，再與掃描參考系統內的參考點做好銜接，實現基準位置數據和基坑形變云數據的關聯[6]。

3.1.3 過渡站

依據自基坑外部向基坑內部逐步掃描的路線，測量基準位置和基坑形變點云之間的部位，設置成過渡站，掃描工作環節，需要保障臨近的兩個過渡站都使用同一個掃描參考系統，也就是最少有3 個標靶為相互重疊的。

3.2 基坑掃描分區及變形點云獲取

結合項目場地勘察狀況，本項目將基坑劃分成若干區域，分區實施掃描工作。應遵循“少掃描站，高覆蓋率”的原則。這是為了后續數據分析環節，能夠盡可能減少分析誤差的問題出現，有效控制點云數據的獲取量[7]。

4 掃描數據獲取及處理

4.1 掃描數據獲取

4.1.1 掃描參數確定

首先安置好掃描儀器，根據場地四周環境與掃描設備的精度，調節掃描范圍、掃描的分辨率、掃描持續時間。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，各站的掃描持續時間是25 min。

4.1.2 收集掃描數據

根據圖2 可知，首先，確定基準位置點云之后，在P1 部位安置掃描設備，調節好相關參數之后，實施掃描工作。掃描環節中，靶球需要一直在通視環境好的區域，這樣能夠確保掃描的精準性，后續數據的銜接也會更加順利；同時還需保障3 個靶球位于不同的直線中。其次，通過P2 部位的過渡站，銜接基準位置點云與基坑形變點云；最后，把基坑劃分成6 個小區，在P3部位、P4 部位、P5 部位，安置掃描設備實施測量。

4.1.3 掃描點云的核查

掃描結束之后，需要核查設備的成像結果，檢查掃描的精準度，保障掃描范圍的覆蓋率完整。上述工作完成之后，再移至下一個掃描站，依照布置順序與掃描的范圍逐個進行掃描，直至該基坑全部區域掃描結束[8]。

4.2 掃描數據處理

把掃描獲取的點云數據輸入Scene 系統，實施銜接處理。A 點～C 點是基坑的測量基準位置，D、E、F、G、H、K、L、M 是銜接的磁性靶球，P1 部位、P2 部位、P3 部位是掃描設備的安置點。

采用本方案監測所得的結果，在銜接處理之后，將其格式進行更改，把點云數據按照一定順序排列好，并標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云數據，輸入3DReshaper，實施后階段處理，結合測量基準部位，把兩期點云數據的對應坐標排列對齊，之后使用軟件的“對比檢測”，對點云的變形數據實施可視化分析，制成變形云圖，最后補充詳細位置信息，即可獲取基坑的形變趨勢圖與信息報告[9]。

5 結語

綜上分析，基坑項目的形變監測工作中，應用三維激光掃描技術能夠進一步完善監測工作的精準度，提升監測效率。三維激光掃描技術能夠在短時間內獲取大量數據信息，且真實性高，對基坑項目的形變監測可提供有效參考。