基于LiDAR多目標(biāo)成像技術(shù)的地鐵施工工程暗挖結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測方法

摘"要：地鐵工程在地層開挖過程中會(huì)打破原有土體的平衡狀態(tài)，對(duì)土體造成擾動(dòng)，引發(fā)地鐵修建中的結(jié)構(gòu)及周圍地層變形，因此需要對(duì)地鐵工程的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測.為此，基于多目標(biāo)成像技術(shù)研究地鐵施工工程暗挖結(jié)構(gòu)變形LiDAR監(jiān)測方法，在地鐵開挖過程中采用正態(tài)曲線表達(dá)方式，分別對(duì)地鐵施工暗挖結(jié)構(gòu)的橫向和縱向變形形式進(jìn)行表達(dá)；通過變形表達(dá)式對(duì)照數(shù)學(xué)形態(tài)理論，定義LiDAR監(jiān)測中的高差閾值；在多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)中選擇多目標(biāo)成像技術(shù)，獲取暗挖工程結(jié)構(gòu)變形量，完成方法設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)工程的監(jiān)測結(jié)果與測量儀器數(shù)據(jù)一致，可以對(duì)頂部梁變形及橫支撐梁變形進(jìn)行有效監(jiān)測，具有應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：地鐵施工工程；結(jié)構(gòu)變形；LiDAR監(jiān)測；多目標(biāo)成像技術(shù)

中圖分類號(hào)：U231.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0"引"言

隨著我國地鐵工程建設(shè)的速度和規(guī)模的快速發(fā)展，地鐵施工項(xiàng)目中產(chǎn)生的安全問題也在逐漸增加.由于地鐵工程的特殊性，其在建設(shè)過程中會(huì)經(jīng)過人口密集較大的市區(qū)，難免會(huì)經(jīng)過高層建筑的地基，甚至是地質(zhì)條件較差的軟土地基，因此，在地鐵施工工程中需要對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測.張樹才^［1］以某地鐵區(qū)間暗挖段下穿管廊為例，構(gòu)建了隧道—圍巖相互作用分析模型，以分析管廊施工沉降變形量.朱斌^［2］研究了既有車站深基坑暗挖下穿施工的變形監(jiān)測方法，利用有限元分析軟件MIDAS GTS對(duì)項(xiàng)目施工全過程進(jìn)行三維建模，完成施工變形監(jiān)測.馮暢^［3］以某城市地鐵隧道工程為例，基于三維激光掃描技術(shù)對(duì)地鐵隧道工程暗挖結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形監(jiān)測.但以上方法未將多監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標(biāo)量測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，難以準(zhǔn)確估量地鐵暗挖工程中的結(jié)構(gòu)實(shí)際變形量.為了解決以上問題，本研究采用多目標(biāo)成像技術(shù)設(shè)計(jì)新的監(jiān)測方法，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，并將多監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標(biāo)量測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，為保證地鐵施工工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提供理論支持.

1"地鐵施工暗挖結(jié)構(gòu)變形形式的確定

以暗挖結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測為研究對(duì)象，通過正態(tài)曲線表達(dá)方式對(duì)施工過程中引發(fā)的橫向和縱向變形形式進(jìn)行分析.假定地鐵施工中周邊的土體為均勻分布狀態(tài)，其中，引發(fā)的橫向變形曲線正態(tài)分布形式為，

q_w=q_maxexp－w²2e²（1）

q_max=re2π≈r2.5e（2）

e=i_op－o（3）

i_o=0.5－0.325op1－op（4）

式中，q_w為橫向變形，w為橫向變形點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，q_max為最大位移量，e為損失量，p為地鐵開挖深度，o為地表之下某點(diǎn)與地表的距離，i_o為變形系數(shù).正常情況下，地鐵的施工造成的土體損失與地表的沉降下沉體積具有相似性，因此，在獲取橫向變形的基礎(chǔ)上，對(duì)開挖的縱向變形形式進(jìn)行確定，以負(fù)向損失作為定量基礎(chǔ)，具體公式為，

q_t=r₁2πeχt－t_ee－χt－t_ye+r₂2πeχt－t_ee－χt－t_ye（5）

i′_o "= δi（6）

式中，q_t為縱向沉降量，χ為土體系數(shù)，t為沉降點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，t_e為開挖起始點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)面與原點(diǎn)的距離，t_y為支撐面與軸原點(diǎn)的距離，r₁和r₂為支撐面的損失值，i為沉降變形中的系數(shù)基準(zhǔn)值，i′_o 為地層下埋處沉降曲線的寬度系數(shù)，δ為土體特性.本研究對(duì)地鐵施工暗挖結(jié)構(gòu)的橫向和縱向變形形式進(jìn)行分析，并以數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)定義變形的檢測高差閾值.

2"變形LiDAR監(jiān)測高差閾值的計(jì)算

通過正態(tài)分布曲線確定了地鐵暗挖結(jié)構(gòu)的變形形式，以橫向和縱向變形情況參照數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)理論，并基于LiDAR監(jiān)測技術(shù)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測的高差閾值進(jìn)行定義^［4］.由于LiDAR監(jiān)測自帶有中心控制單元和定位單元，在布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，直接以動(dòng)態(tài)差分形式確定空間坐標(biāo)，并利用三角測量原理計(jì)算其對(duì)應(yīng)在地面的空間坐標(biāo)，具體為，

a=X_aY_aZ_a（7）

s=X_sY_sZ_s（8）

X_s=X_a+ΔXY_s=Y_a+ΔYZ_s=Z_a+ΔZ （9）

式中，a為LiDAR監(jiān)測中的某一個(gè)空間坐標(biāo)點(diǎn)，s為點(diǎn)投射在地面的空間坐標(biāo)^［5-6］，ΔX、ΔY和ΔZ為坐標(biāo)增量.LiDAR監(jiān)測技術(shù)在布設(shè)過程中，會(huì)存在系統(tǒng)誤差和偶然誤差，主要是受到激光掃描儀器及飛行高度與方向的影響.因此，本研究采用多路冗余的設(shè)計(jì)方式，對(duì)地鐵暗挖全過程的線路進(jìn)行布置，具體的點(diǎn)云密度要求，見表1.

根據(jù)表1中內(nèi)容所示，對(duì)照地鐵暗挖工程的實(shí)際施工情況，以具體的地形對(duì)應(yīng)LiDAR監(jiān)測的點(diǎn)云密度，按照設(shè)計(jì)的比例尺情況劃定監(jiān)測方案.當(dāng)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過正態(tài)曲線的分布形式擬合高程閾值，以此減少監(jiān)測誤差，計(jì)算方式為，

fd_g，h=fd₀kj_l－j_l－1v+fd₀fd_max"j_l≤3j_lgt;3fd_g，hgt;fd_max（10）

式中，fd_g，h為高差閾值^［7-9］，fd₀為初始高程差閾值，k為施工工程高度，v為格網(wǎng)大小，fd_max為最大高程閾值，j_l和j_l－1為鄰近點(diǎn)云^［10］.通過對(duì)LiDAR監(jiān)測技術(shù)的點(diǎn)云高程閾值計(jì)算，針對(duì)具體的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)用多目標(biāo)成像技術(shù)，以此獲取具體的地鐵暗挖工程結(jié)構(gòu)變形.

3"暗挖工程結(jié)構(gòu)變形量的獲取

通過多目標(biāo)成像技術(shù)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標(biāo)量測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過同步估量獲取地鐵暗挖工程中的結(jié)構(gòu)實(shí)際變形量.在實(shí)際的地鐵工程暗挖工程施工中，通過反射在暗挖結(jié)構(gòu)中的監(jiān)測點(diǎn)，考慮其僅在二維X－Y平面中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，則LiDAR監(jiān)測系統(tǒng)中用于監(jiān)測的向量可以定義為，

bj=b_Xb_Y（11）

式中，bj為點(diǎn)云量測目標(biāo)向量^［11］，b_X為目標(biāo)在方向上的位置，b_Y為目標(biāo)在距離上的位置.監(jiān)測目標(biāo)在連續(xù)監(jiān)測中會(huì)形成狀態(tài)矩陣，假定某個(gè)目標(biāo)在連續(xù)點(diǎn)云內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行跟蹤，則需要滿足以下條件，

nj+1=mjnj+Qj+1（12）

bj+1=Wjnj+1+Ej+1（13）

Ej+1=Δb_XΔb_Y（14）

T=δ²_X00δ²_Y（15）

式中，nj為狀態(tài)矩陣，mj為轉(zhuǎn)移矩陣，Wj為觀測矩陣，Qj+1為過程噪聲，Ej+1為觀測噪聲，Δb_X和Δb_Y為目標(biāo)成像中方位向和距離向的定位誤差，T為高斯白噪聲^［12-14］，δ²_X和δ²_Y為方位向和距離向的觀測噪聲方差.基于此，對(duì)各矩陣的具體形式進(jìn)行表示為，

mj=1U000100001U0001（16）

Wj=11000010（17）

式中，U為LiDAR監(jiān)測的發(fā)射信號(hào)^［15］.通過不同目標(biāo)矩陣向量的分布形式及表達(dá)形式，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息代入至其中，參照具體的變形規(guī)律完成變形量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)地鐵暗挖結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測.

4"測試分析

本研究采用多目標(biāo)成像技術(shù)設(shè)計(jì)了LiDAR監(jiān)測方法，為驗(yàn)證該方法應(yīng)用于地鐵施工工程暗挖結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測的可行性和有效性，采用實(shí)驗(yàn)測試的方式進(jìn)行進(jìn)一步論證.為保證此次測試具有真實(shí)性，選擇某市新建的地鐵5號(hào)線V-TY-12標(biāo)段.

結(jié)合工程施工布置圖紙，起點(diǎn)設(shè)計(jì)里程為左QA36+836.25 m，終點(diǎn)設(shè)計(jì)里程為左QA36+869.45 m.區(qū)間工程為地下4層結(jié)構(gòu)，總建筑面積為4 252 m²，主要采用暗挖法施工，基坑深度為35 m.施工工程選用的圍護(hù)和支護(hù)結(jié)構(gòu)情況，其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，深度為55.6 m，鋼筋籠長49.5 m，混凝土支撐為4道，鋼支撐為5道.由于該工程臨近湖堤，在施工過程中需要防范連續(xù)墻接縫滲水和支護(hù)失穩(wěn)的問題，滿足監(jiān)測的需求.基于此，在實(shí)驗(yàn)前設(shè)計(jì)該工程的監(jiān)測思路并設(shè)計(jì)監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示.

如圖1所示，將監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在鋼筋籠的內(nèi)外側(cè)回路中，并在混凝土支撐的中間位置放置鋼筋應(yīng)力計(jì)，且本次監(jiān)測伴隨整個(gè)施工過程，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測.需要注意的是，整個(gè)布設(shè)過程中需要保證監(jiān)測點(diǎn)不受施工作業(yè)的影響，盡量保證

監(jiān)測點(diǎn)不出現(xiàn)重復(fù)問題，并做好標(biāo)記工作.對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取，需要經(jīng)過1個(gè)月的養(yǎng)護(hù)期，在完成養(yǎng)護(hù)工作后，通過本文方法布置的監(jiān)測點(diǎn)，以及接收裝置統(tǒng)計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù).按照監(jiān)測時(shí)間的順序統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，監(jiān)測時(shí)間截取從2023年2月到4月，總計(jì)有6組監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別為2月6日、2月20日、3月12日、3月16日、4月9日和4月22日.根據(jù)胡克定律，通過下式完成應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，

ε=σE（18）

式中，ε為應(yīng)變結(jié)果，σ為應(yīng)力數(shù)據(jù)，E為楊氏模量.利用式（18）獲得圖1中4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)A1、A2、A3和A4的應(yīng)變結(jié)果.驗(yàn)證本文方法對(duì)頂部支撐梁的監(jiān)測效果，以2月6日的測試結(jié)果為初始值，剩余數(shù)據(jù)如圖2所示.

由圖2可知，此次共選擇4組測試線，分別編號(hào)為A1、A2、A3和A4，并將每一條邊作為獨(dú)立單元進(jìn)行具

體分析.根據(jù)圖中獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，從2月份施工開始，工程上部的支護(hù)各段應(yīng)力變化具有一致性，主要呈現(xiàn)中間位置應(yīng)變大，兩邊小的情況.隨著開挖深度的不斷增加，各支護(hù)的應(yīng)變也逐漸增加，對(duì)于A1、A2、A3和A4這4組監(jiān)測結(jié)果，最大應(yīng)變分別達(dá)到450、250、300和400 με.其中，A2和A3 基本穩(wěn)定在250με，A1和A4的應(yīng)變有增大的趨勢，但仍可在可控范圍內(nèi)，且經(jīng)過施工現(xiàn)場的勘察對(duì)照，A1和A4主要臨近馬路，受車輛的動(dòng)荷載影響造成該側(cè)的支撐變形大.

對(duì)頂部支撐圈梁的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析完畢后，進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對(duì)深基坑的監(jiān)測效果，本次設(shè)計(jì)的地鐵暗挖工程為地下4層結(jié)構(gòu)，開挖深度約為35 m.此次工程設(shè)計(jì)中，深基坑的橫支撐和連續(xù)墻鋼筋籠的鋪設(shè)方式與上一階段相同，按照地鐵車站的施工流程，對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)中的支撐結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行監(jiān)測.以典型的剖面結(jié)構(gòu)通過本文方法布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，并對(duì)具體的監(jiān)測位置進(jìn)行標(biāo)記命名，具體如圖3所示.

根據(jù)圖3中內(nèi)容所示，分別在橫支撐兩端布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，以此感知支撐結(jié)構(gòu)的整體變形情況.監(jiān)測時(shí)間段以施工流程順序進(jìn)行設(shè)定，對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集需要在混凝土澆筑后的1個(gè)月之后.與此同時(shí)，為檢驗(yàn)本文方法的監(jiān)測精準(zhǔn)度，在工程施工中采用測斜管設(shè)備量測具體變形值，具體數(shù)據(jù)如下：

1）IE-01：應(yīng)變最大發(fā)生位置深度為10 m，應(yīng)變最大達(dá)到250 με，最大累計(jì)位移量為6 mm.

2）IE-02：應(yīng)變最大發(fā)生位置深度為8 m，應(yīng)變量達(dá)到300 με，最大累計(jì)變形量為10 mm.

統(tǒng)計(jì)本文方法應(yīng)用后獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖4所示.

由圖4可知，應(yīng)變的正負(fù)、位移的正負(fù)均分別代表基坑內(nèi)部的變形和外部的變形，通過監(jiān)測結(jié)果可知，在開挖前支護(hù)體系保持穩(wěn)定，兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生于基坑開挖階段，且獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)與測斜管測得的情況具有一致性，說明本文方法具有監(jiān)測精度.綜上所述，本文方法能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的有效布設(shè)，且獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠與測量儀器保持一致，具有高精度的變形監(jiān)測效果，可以投入實(shí)際的地鐵施工工程暗挖結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測之中.

5"結(jié)"論

本研究在地鐵開挖過程中采用正態(tài)曲線表達(dá)方式，分別對(duì)地鐵施工暗挖結(jié)構(gòu)的橫向和縱向變形形式進(jìn)行表達(dá).通過變形表達(dá)式對(duì)照數(shù)學(xué)形態(tài)理論，定義LiDAR監(jiān)測中的高差閾值.在多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)中選擇多目標(biāo)成像技術(shù)，對(duì)監(jiān)測點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)與目標(biāo)量測信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過同步估量獲取地鐵暗挖工程中的結(jié)構(gòu)實(shí)際變形量.本研究獲取的地鐵施工暗挖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)與測斜管測得的情況具有一致性，說明本文方法具有監(jiān)測精度.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究方法能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的有效布設(shè)，可以對(duì)頂部梁變形及橫支撐梁變形進(jìn)行有效監(jiān)測，具有高精度的變形監(jiān)測效果，可以投入實(shí)際的地鐵施工工程暗挖結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測之中.頂部支撐應(yīng)變監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，地鐵暗挖工程上部的支護(hù)各段應(yīng)力變化具有一致性，主要呈現(xiàn)中間位置應(yīng)變大，兩邊小的情況.隨著開挖深度的不斷增加，各支護(hù)的應(yīng)變也逐漸增加，臨近馬路側(cè)的支護(hù)受車輛的動(dòng)荷載影響變形較大.深基坑的監(jiān)測效果實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生于基坑開挖階段.由于時(shí)間限制，在研究過程中存在不足之處，選擇的監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，后續(xù)研究中會(huì)針對(duì)問題所在，選擇更多的時(shí)間進(jìn)行長時(shí)間監(jiān)測，以此驗(yàn)證監(jiān)測方法的有效性，保證地鐵施工工程的穩(wěn)定性.

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（實(shí)習(xí)編輯：羅"媛）

A Deformation Monitoring Method for Underground Excavation

Structures in Subway Construction Projects Based on

LiDAR Multi-Objective Imaging Technology

HAO Zhuang

（China Railway 18th Bureau Group Municipal Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300350，China）

Abstract：

During the excavation process of subway engineering，the balance of the original soil mass will be disrupted，causing disturbance to the soil mass and also the deformation of the structure and the surrounding strata during subway construction.Therefore，it is necessary to monitor the structural deformation of subway engineering.Therefore，based on multi-objective imaging technology，the LiDAR monitoring method for deformation of underground excavation structures in subway construction projects is studied.During the excavation process of the subway，the normal curve expression method is used to express the transverse and longitudinal deformation forms of the underground excavation structure during subway construction.The height difference threshold is defined in LiDAR monitoring by comparing the deformation expression with mathematical morphology theory，multi target imaging technology among multiple monitoring points is selected to obtain the deformation of the underground excavation engineering structure and to complete the method design.The experimental results show that the monitoring results of the proposed method are consistent with the measurement instrument data，and can effectively monitor the deformation of the top beam and the deformation of the transverse support beam，which has practical value.

Key words：

subway construction engineering;structural deformation;LiDAR monitoring;multi-objective imaging technology