基于三維激光掃描技術(shù)的陡坡填方梁場長期監(jiān)測方法研究

張 軍 高月波 付紹強(qiáng)

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 概述

在預(yù)壓期的軟弱地基中，由于地基的不穩(wěn)定性，在預(yù)制梁場布置的過程中極易產(chǎn)生不均勻的沉降，考慮到預(yù)制梁的自重大，極易造成預(yù)制梁的質(zhì)量問題。規(guī)范中要求預(yù)制梁的撓度變形不允許超過2mm，因此必須對預(yù)制梁場進(jìn)行長期的監(jiān)測和控制以滿足預(yù)制梁在施工過程中的質(zhì)量要求。國內(nèi)眾多學(xué)者對其進(jìn)行了一定程度的研究，其中河海大學(xué)的馬飛分析了處于預(yù)壓期軟基路堤上的預(yù)制梁場的沉降規(guī)律[1]，王風(fēng)波等分析了不同預(yù)制梁臺座布設(shè)形式對軟基差異沉降的影響[2]，黃松分析了不同齡期、不同差異沉降條件下，早齡期混凝土梁構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律[3]。以上研究都從不同的方面分析了影響預(yù)制梁場沉降的因素和規(guī)律，但他們的研究僅僅是從理論上分析其變化的規(guī)律，并未對預(yù)制梁場進(jìn)行長期的監(jiān)測，因此本文提出一種新的方法，通過三維激光掃描技術(shù)分析不同時期預(yù)制梁場的沉降變化，分析不同階段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實現(xiàn)梁場的變形監(jiān)測，從而保證預(yù)制梁的施工質(zhì)量。

2 梁場監(jiān)測方法

2.1 監(jiān)測方法概述

本文基于三維激光掃描技術(shù)提出一種新的梁場沉降監(jiān)測方法，以采集到的梁場地面一期點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將自制的三棱錐作為永久固定的控制點(diǎn)標(biāo)靶，進(jìn)行不同期數(shù)據(jù)的高精度拼接，通過對比多期點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析梁場在該段時期內(nèi)的沉降量，及時對梁場進(jìn)行支護(hù)防護(hù)，尤其是梁場臺座部分變形，必須嚴(yán)格控制其變形，技術(shù)路線圖如圖1 所示。

圖1 梁場長期監(jiān)測技術(shù)路線

2.2 點(diǎn)云拼接

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的精度直接關(guān)系到沉降分析的結(jié)果是否準(zhǔn)確，因此本文提出一種新的方法進(jìn)行拼接。在空間內(nèi)三個兩兩相交的面能夠形成一個空間點(diǎn)，根據(jù)這個原理選取三棱錐作為標(biāo)志物，通過擬合三棱錐的三個平面，相交成為一個控制點(diǎn)。在梁場附近不會產(chǎn)生沉降變形且視野開闊的位置澆筑至少三個永久固定的三棱錐，并且三棱錐所在位置不能相近或位于同一平面，每期數(shù)據(jù)的采集都需要將三棱錐包含在內(nèi)，兩期數(shù)據(jù)通過三棱錐的控制點(diǎn)進(jìn)行拼接，圖2為自制三棱錐。

圖2 三棱錐標(biāo)志物

為了達(dá)到高精度拼接效果，擬采用算法實現(xiàn)空間坐標(biāo)點(diǎn)配準(zhǔn)，拼接原理如圖3 所示。相同點(diǎn)集在不同坐標(biāo)系下坐標(biāo)值是不同的。設(shè)第一期點(diǎn)集的坐標(biāo)矩陣為A，第二期點(diǎn)集坐標(biāo)矩陣為B。將B 轉(zhuǎn)化到A 可認(rèn)為是經(jīng)歷了繞X、Y、Z 坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)和整體坐標(biāo)系的平移。

圖3 空間坐標(biāo)拼接原理

設(shè)C 為將B 經(jīng)過旋轉(zhuǎn)和平移后得到的矩陣，則：

使誤差函數(shù)最小求解θ、α、β 以及γ、λ、μ 可視為無約束最小的優(yōu)化問題。采用Mtalab 的很容易求解到最后轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本文以宜賓至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段為工程依托，宜賓至昭通高速公路彝良（海子）至昭通段，路線起于昭通市彝良縣海子鎮(zhèn)K144+910，止于昭通市昭陽區(qū)北閘鎮(zhèn)K237+600，全長93Km。全線按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計時速80Km/h，路基寬度24.5m。其中梁場所處位置為陡坡填方地段，采用粉砂質(zhì)泥巖、粉質(zhì)粘土和卵石作為回填土質(zhì)，地面鋪設(shè)混凝土，圖4 為梁場現(xiàn)場監(jiān)測圖。

3.2 梁場點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及處理

采集數(shù)據(jù)時要盡量保證梁場臺座的數(shù)據(jù)密度均勻，由于梁場面積大，單站掃描并不能保證數(shù)據(jù)的完整，需要進(jìn)行多站數(shù)據(jù)采集，各站之間通過靶標(biāo)球拼接，三個靶標(biāo)球的擺放不能位于同條直線上，并且兩站之間的距離在10m 左右為宜，在適宜的溫度下進(jìn)行掃描，見圖5。

圖5 梁場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

依據(jù)第2.2 節(jié)所述方法，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行批量化的降噪處理，尤其是梁場臺座部分，要保證該部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)的原始幾何形狀和完整性。每站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)降噪之后通過靶標(biāo)球進(jìn)行拼接，兩期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三棱錐獲取的公共特征點(diǎn)進(jìn)行拼接，要保證其拼接精度。

3.3 梁場沉降分析方法

3.3.1 基于曲面的沉降分析

本文提出采取曲面擬合的方法，依據(jù)第一期梁場點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，對后期梁場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于點(diǎn)云是無序、離散的，兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可能存在同一參考點(diǎn)。為此，采用曲面擬合算法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到兩期點(diǎn)云的近似地表曲面?；诖?，本文依據(jù)梁場第一期面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過編制MATLAB 算法程序獲得了梁地面曲面，見圖6。

在回歸分析中，測定值與按回歸方程預(yù)測的值之差為殘差，點(diǎn)云的標(biāo)準(zhǔn)化殘差落在(-2，2)區(qū)間以外的概率≤0.05。若點(diǎn)云的標(biāo)準(zhǔn)化殘差落在(-2，2)區(qū)間以外，可在95%置信度將其判為異常點(diǎn)，不參與回歸直線擬合，由圖6 曲面擬合的殘差圖中可以看出，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)皆為可靠值，曲面擬合較為真實；在圖7 中，通過對比第一期的理論地形曲面，結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)地面沉降基本在2-3cm，但是該方法只能看出梁場的整體沉降，而無法分辨其沉降趨勢。因此本文將通過線形分析該梁場的地表沉降。

圖7 曲面偏差分析

3.3.2 地面沉降線形分析

在兩期點(diǎn)云數(shù)據(jù)中分割出關(guān)心剖線處的點(diǎn)云帶條。以劃框算法分別計算兩期點(diǎn)云帶條的高程線。對兩條高程線做差，即可得到梁場地面任意剖線的沉降曲線。劃框算法的步驟如下：（1）將點(diǎn)云帶條縱向分為n 段；（2）對每一段點(diǎn)云求平均值，得到中心點(diǎn)坐標(biāo)；（3）將中心點(diǎn)連接構(gòu)成梁場地表面線；（4）對兩條地表線做差，得到沉降曲線。在該項目中，劃框的尺寸縱向0.2 m×橫向0.1 m。劃框中所屬第i(i=1,2,…,n)段點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割公式為：

按上述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得到該梁場不同剖線的沉降曲線，如圖8 所示。從圖8 中可以看出整個梁場的整體沉降趨勢，圖中所有曲線均處于梁場填方范圍。外側(cè)曲線相對與內(nèi)側(cè)曲線沉降量更大。從沉降線形分布來看，整個梁場的整體呈將維持在2-3cm，與曲面分析基本吻合，表明通過曲面分析法進(jìn)行整體分析是準(zhǔn)確的。梁場外側(cè)部分區(qū)域修建了擋土墻，以及填方厚度和壓實度的不同，可能是引起剖線上不同部位沉降值不同的主要原因。因此，在陡坡上修建填方梁場時，需要注意控制填方土厚度和壓實度均勻，并且擋土墻應(yīng)在填方范圍內(nèi)連續(xù)修建，確保梁場沉降均勻，這可以大幅降低梁場沉降對預(yù)制梁線形的影響。

圖8 梁場沉降變形曲線

4 結(jié)論

本文依托實際工程針對梁場沉降變形的長期監(jiān)測提出了基于三維掃描的梁場監(jiān)測新方法，研發(fā)了基于三棱錐的點(diǎn)云精確拼接方法，對宜昭高速項目的填方梁場進(jìn)行了監(jiān)測與應(yīng)用，對梁場地面沉降進(jìn)行了分析與評估，本文提出的方法不僅能夠提高梁場監(jiān)測的精度和效率，同時能夠獲取梁場的整體變形，對實際工程有著重要的指導(dǎo)意義。