基于地面激光掃描的拱橋變形監(jiān)控

劉 華 張永民 王京杭 王 晨

（中鐵橋隧技術(shù)有限公司）

0 引言

隨著城市地下交通建設(shè)發(fā)展，基坑開挖工程越來越普遍。基坑開挖不僅影響周邊市域交通的正常運營，還會導致地應力狀態(tài)重分布，引起土體變形[1]。這種土體非常態(tài)的現(xiàn)象可能危害臨近建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定性。拱橋橋臺與其基礎(chǔ)所受外力復雜，橋臺既承受上部結(jié)構(gòu)和本身自重，又承受臺后土壓力及活載，然后再傳遞給基礎(chǔ)，地基土常承受不對稱壓力荷載。因此拱橋基礎(chǔ)土體出現(xiàn)質(zhì)量問題將直接影響其橋臺沉降，進而造成橋梁整體的沉降，引發(fā)橋梁上部結(jié)構(gòu)病害[2-3]。因此，基坑開挖過程中有必要實施對橋梁空間變形快速且精準的監(jiān)控。

地面激光掃描技術(shù)利用設(shè)置于地面的激光掃描設(shè)備，獲取目標高精度點云數(shù)據(jù)。本項目利用該技術(shù)，首先建立不同施工工況下目標拱橋的點云模型，并通過特定的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對拱橋空間變形的及時監(jiān)控。

1 地面激光掃描技術(shù)

1.1 地面激光掃描工作原理

地面激光掃描系統(tǒng)由激光掃描儀、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺、軟件處理平臺等其余附屬設(shè)備構(gòu)成,是一種近年來新興的空間坐標數(shù)據(jù)獲取手段[4]。使用者可使地面激光掃描系統(tǒng)深入到大部分復雜的現(xiàn)場環(huán)境中,并實現(xiàn)各種類型和體量的物體三維數(shù)據(jù)完整的采集,從而快速建立由點云數(shù)據(jù)組成的實體。

地面三維激光掃描技術(shù)利用設(shè)立于地面的激光掃描儀向被測目標表面發(fā)射高強光束并接收，同時設(shè)備內(nèi)部的測距系統(tǒng)計算出光束水平角、垂直角和目標點距離。這些參數(shù)反映了單個測點的空間三維坐標，這些三維坐標以海量點的形式分布于三維空間內(nèi)即形成三維點云[5]。

1.2 點云數(shù)據(jù)簡介

點云數(shù)據(jù)即為包含被測目標表面各位置的空間三維坐標信息的高密度點集合。通常在被測目標為體量較大的構(gòu)筑物時，視角的限制導致單站掃描儀無法囊括全部目標表面。此時需要檢測人員根據(jù)現(xiàn)場條件在目標周圍設(shè)置多個測站以實現(xiàn)被測目標表面全覆蓋。

多站源數(shù)據(jù)分別處于相互獨立的空間坐標系下，將多站源點云由離散集成為整體的過程稱為點云拼接[6]。拼接過程要求相鄰測站間具有一定比例的重合部分，或擁有足夠數(shù)量的公共特征物。根據(jù)重合部分或?qū)卣魑飳崿F(xiàn)單測站間的空間變換，最終完成多站源數(shù)據(jù)的坐標系統(tǒng)一。對于某個特定的構(gòu)筑物，坐標系統(tǒng)一后的點云數(shù)據(jù)稱為該構(gòu)筑物的點云模型。

2 拱橋數(shù)據(jù)采集與模型建立

2.1 工程概況

該橋梁具有較長時間的運營歷史。引橋雙曲拱橋位于主線橋端部，內(nèi)側(cè)同T 梁橋相接，外側(cè)連接引道，各孔均為等截面懸鏈線無鉸拱，矢跨比1/4～1/5。該橋共四跨（34# 橋 墩～38# 橋 墩）， 跨 徑 布 置 為 3 ×34.9m+32.3m，其中36#承臺有37 根樁，37#承臺有36根樁，樁基為鉆孔灌注樁，樁長約為23m，樁基所在位置土體主要為黏土和砂土。

圖1 雙曲拱立面圖

該雙曲拱橋西側(cè)進行的城市地下軌道交通建設(shè)，需要開展基坑開挖。隨著施工的進行，逐漸向深處開挖的基坑很可能會對雙曲拱引橋造成不利影響?；庸こ毯投淹量赡軐﹄p曲拱引橋造成破壞，特別是臨近地鐵車站基坑的38 號墩處及其延伸出的高路基段。

2.2 數(shù)據(jù)采集

使用Leica 公司P50 型號三維激光掃描儀進行雙曲拱橋變形監(jiān)控工作。該儀器的參數(shù)功能可實現(xiàn)對雙曲拱橋數(shù)據(jù)的完整采集。由于該橋梁為跨江橋引橋，屬于非涉水橋梁，因此只需根據(jù)橋梁監(jiān)控需求并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在每跨范圍內(nèi)設(shè)置若干測站，即可較容易地保證數(shù)據(jù)完整度。由于本測量工程整體跨度適中，因此可采用設(shè)置并獲取公共特征物輔助后續(xù)點云拼接過程，以提高點云模型的精確度?，F(xiàn)場測點布置如圖2 所示，其中三角為測站位置所在。

圖2 測站位置示意圖

本文以基坑開挖前以及基坑開挖完成后兩個工況為研究對象，對雙曲拱橋?qū)嵤┛臻g變形監(jiān)控。

2.3 拱橋模型建立

使用掃描儀配套點云前處理軟件進行點云拼接，實現(xiàn)拱橋點云模型的建立。將獨立的測站導入軟件中，選擇軟件中基于標靶的點云拼接功能，依次對相鄰測站數(shù)據(jù)進行坐標系統(tǒng)一，最終實現(xiàn)整體拱橋點云模型的建立。見圖3。

圖3 雙曲拱點云模型

3 基于點云的拱橋變形監(jiān)控

3.1 坐標系統(tǒng)一

由于不同時間采集的不同工況下拱橋點云位于不同坐標系下，因此變形識別前需要使兩者坐標系統(tǒng)一。對于豎直坐標系，利用在兩次測量中都采集到的高程控制點的差值，對其中一個工況下的點云模型進行豎直方向的平移，同時以該高程控制點作為點云模型的坐標原點，實現(xiàn)豎直坐標系的統(tǒng)一。對于水平坐標系，這里選擇對齊兩個模型中橋梁側(cè)面同一位置測線的方法，即在橋梁點云側(cè)面相同高度位置，利用坐標值限制提取一段點云表面的直線。從俯視圖中觀察到該線段與平面坐標軸具有一定夾角，計算夾角度數(shù)同時對點云進行繞Z 軸的轉(zhuǎn)動，可以使得兩點云的水平坐標完成重合。統(tǒng)一后的坐標系如圖4 所示。

圖4 統(tǒng)一坐標系建立

3.2 測點選取與對比分析

該雙曲拱每跨橫向拱肋數(shù)量為16 個，選取每跨兩側(cè)的邊拱肋（1 號拱、3 號拱）與中間拱肋（2 號拱）作為變形監(jiān)控的對象。對每一根拱，在橫橋向取其橫截面左下角的角點作為高程提取點。在縱橋向，除每跨兩側(cè)拱腳外，中間部分以一定間隔取測點，如圖5 所示。

圖5 橫橋向與縱橋向測點選取

將測點縱橋向與高度坐標繪制成線型圖，如圖6 所示。

圖6 拱肋線型圖

圖6 中展現(xiàn)了各拱肋線型的平順程度。進一步分析兩個工況下對應測點的高程坐標，總體上基坑開挖后的高程結(jié)果較基坑開挖前的小，可以判斷基坑開挖對土體的影響在拱橋上得以體現(xiàn)，拱橋整體上產(chǎn)生向下的位移。具體來說，第四跨至第一跨的方向，各跨豎向變形差值出現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其原因在于第一跨距離基坑最近，受到影響較大，而第四跨距離基坑最遠，受到影響較小。具體數(shù)值上，第一跨中最大豎向位移為25.2㎝，第二跨中最大豎向位移15.8㎝，第三跨與第四跨最大豎向位移都為0.7㎝。橋梁同一跨內(nèi)，越靠近基坑側(cè)的拱肋，豎向位移也呈現(xiàn)增大的趨勢。經(jīng)對比，該結(jié)果與有限元理論計算結(jié)果相差較小，證明了數(shù)據(jù)分析的合理性，同時監(jiān)控結(jié)果表明在基坑開挖后雙曲拱橋仍處于較安全范圍內(nèi)。

4 小結(jié)

本研究將地面三維激光掃描技術(shù)應用于雙曲拱橋的變形監(jiān)控，實現(xiàn)了基坑開挖過程中拱橋空間變形識別，并得出以下結(jié)論：

⑴地面三維激光技術(shù)能夠高效地獲取橋梁點云數(shù)據(jù)，同時多個單站點云數(shù)據(jù)可以快速集成為代表橋梁表面位置信息的三維點云模型。

⑵基于橋梁三維點云模型，工程師可以以坐標為限制條件快速提取監(jiān)控相關(guān)參數(shù)，通過不同基坑開挖工況下的參數(shù)對比分析揭示開挖施工對拱橋變形定性與定量的影響，實現(xiàn)對基坑開挖過程中關(guān)鍵時刻的拱橋變形監(jiān)控。