李平生

摘 要：在建筑施工中，基坑雖然是一種臨時(shí)性工程，但是對(duì)確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的順利開展以及提升建筑工程的整體質(zhì)量都發(fā)揮了重要作用。基坑本身具有隱蔽性的特點(diǎn)，加上施工區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑容易出現(xiàn)變形甚至是坍塌等問題。建筑單位通過動(dòng)態(tài)的監(jiān)控基坑變形情況，可以及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，保證基坑的穩(wěn)定性。三維激光掃描技術(shù)具有高精度、高速度、高分辨率的特點(diǎn)，在基坑變形監(jiān)測(cè)中具有突出應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。熟練掌握三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用技巧，也成為提升建筑施工質(zhì)量的一種有效措施。

關(guān)鍵詞：基坑工程；變形監(jiān)測(cè)；三維激光掃描；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU196.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0112-02

1 三維激光掃描的基本原理及精度影響分析

1.1 三維激光掃描的基本原理

通過高速掃描、高頻社光束技術(shù)融合的技術(shù)形式，在其運(yùn)用的工程中，可以獲得反射信號(hào)并呈現(xiàn)出成像的技術(shù)特點(diǎn)。反射信號(hào)通過機(jī)內(nèi)處理技術(shù)的運(yùn)用，可以將帶有三維坐標(biāo)的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通常情況下將這種數(shù)據(jù)稱之為“點(diǎn)云”，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后，可以通過三維建模軟件的處理，構(gòu)建明確性的三維模型，并對(duì)后期的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析。在三維技術(shù)運(yùn)用的過程中，為了有效培養(yǎng)基坑監(jiān)測(cè)工作的系統(tǒng)性、全面性，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的技術(shù)運(yùn)用水平，并嘗試將三維激光有效的融入在基坑檢測(cè)中，從而為三維技術(shù)的有效運(yùn)用提供依據(jù)。

1.2 精度影響分析

在利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行基坑變形監(jiān)測(cè)的時(shí)候，點(diǎn)云的精度比較容易受到掃描距離的影響。如果掃描設(shè)備與被測(cè)物體之間的距離過遠(yuǎn)，則會(huì)導(dǎo)致掃描數(shù)據(jù)的精確度下降，一些細(xì)微的變形很難檢測(cè)到。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查，科學(xué)選擇掃描儀器的擺放位置，一般來說掃描儀器與被測(cè)物體之間的距離要控制在40m-60m之間，可以確保最終獲取的數(shù)據(jù)符合使用需要。同時(shí)，為保證后視點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)精度，可以選擇水準(zhǔn)儀和全站儀設(shè)備進(jìn)行后視點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的測(cè)量工作，通過多次測(cè)量將數(shù)據(jù)的平均值作為后視點(diǎn)和測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)，從而有效保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。此外，在進(jìn)行標(biāo)靶掃描的時(shí)候，盡量選擇小間距、高精度的點(diǎn)云掃描模式進(jìn)行精細(xì)掃描，使基坑變形監(jiān)測(cè)更具有精確性和完整性。

2 三維激光掃描在基坑監(jiān)測(cè)中的技術(shù)運(yùn)用

2.1 數(shù)據(jù)獲取階段

在數(shù)據(jù)獲取的過程中，其主要的工作內(nèi)容就是在項(xiàng)目運(yùn)行的過程中實(shí)現(xiàn)設(shè)站掃描技術(shù)，整個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)該對(duì)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行定位及架設(shè)分析。為了在技術(shù)操作的過程中充分滿足部分精度測(cè)量的準(zhǔn)確性，需要在掃描區(qū)域布設(shè)“掃描控制點(diǎn)”，這一控制點(diǎn)由GPS或是全站一起進(jìn)行傳統(tǒng)技術(shù)的控制測(cè)量，從而有效保證云坐標(biāo)的科學(xué)轉(zhuǎn)換。通過數(shù)據(jù)獲取技術(shù)階段的有效運(yùn)用，可以為邊坡監(jiān)測(cè)提供有效的保證，并且應(yīng)該考慮到邊緣光斑變形以及覆蓋等問題，從而有效縮短系統(tǒng)邊緣的進(jìn)度，有效減少掃描站的作業(yè)內(nèi)容。掃描過程中要盡可能多的獲取基坑變形數(shù)據(jù)，這樣才能在后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，有更多的事實(shí)依據(jù)，將基坑的變形情況更加真實(shí)和精確的表示出來。

2.2 數(shù)據(jù)處理階段

將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的篩選處理后，發(fā)送到計(jì)算機(jī)中，利用專門的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。目前常用的數(shù)據(jù)處理軟件有Laser Control（擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算）、Geomagic（擅長(zhǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比）等，技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際需要科學(xué)選擇處理軟件。這里以Laser Control為例，在導(dǎo)入數(shù)據(jù)后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次點(diǎn)云過濾，目的是為了消除無關(guān)數(shù)據(jù)或失真數(shù)據(jù)對(duì)最終的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。篩選條件可以人為設(shè)置，刪除冗余數(shù)據(jù)后，也可以減輕工作量。點(diǎn)云過濾后剩余的數(shù)據(jù)，按照一定的次序進(jìn)行排列，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行分組，組內(nèi)數(shù)據(jù)完成點(diǎn)云拼接，生成一個(gè)新的標(biāo)靶坐標(biāo)。每三個(gè)標(biāo)靶作為一組，對(duì)比坐標(biāo)差異，并進(jìn)行平差計(jì)算，取誤差最小的標(biāo)靶坐標(biāo)，提高監(jiān)測(cè)精度。

2.3 初步成果分析

在基坑變形監(jiān)測(cè)中運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在于可以獲得基坑的三維立體模型，并且可以用顏色加以區(qū)分，既方便人們進(jìn)行對(duì)比觀察，又能夠?qū)崿F(xiàn)基坑形變的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。這樣一來，如果基坑的形變幅度已經(jīng)危及建筑安全，建筑單位就可以根據(jù)基坑的三維立體模型，及時(shí)制定處理措施，保證基坑及整個(gè)建筑的安全。根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，技術(shù)小組要進(jìn)行充分的討論和分析，并對(duì)三維立體模型進(jìn)行完善。根據(jù)多組掃描數(shù)據(jù)，可以得到多個(gè)基坑立體模型。按照數(shù)據(jù)獲取的順序，進(jìn)行模型的對(duì)比。以第一次掃描結(jié)果為參照，分別進(jìn)行兩兩比較，得出隨時(shí)間推移基坑的變形情況。技術(shù)人員還可以利用軟件對(duì)基坑今后的變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，作為制定基坑變形應(yīng)對(duì)策略的參考依據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在實(shí)際基坑監(jiān)測(cè)案例中的應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

某高層建筑工程緊鄰工業(yè)園區(qū)，根據(jù)施工方案需要開挖深度為13m的深基坑。根據(jù)前期地質(zhì)勘查結(jié)果，施工區(qū)域表層為粉質(zhì)粘土，下部為砂礫土。從建筑布局上看，基坑的北側(cè)靠近工業(yè)園區(qū)的廠房，其余方向均為公路，對(duì)基坑形變影響較小。因此，選取基坑北角作為三維激光掃描的重點(diǎn)區(qū)域。

3.2 監(jiān)測(cè)工作的實(shí)際步驟

3.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)基坑平面設(shè)計(jì)圖，確定基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和標(biāo)靶的具體位置。對(duì)照施工現(xiàn)場(chǎng)情況，在基坑中將這些基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記出來。將測(cè)控元件分別放置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，并調(diào)整各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度，同一平面上的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)構(gòu)成一個(gè)水平網(wǎng)，以減少測(cè)量誤差。在水平網(wǎng)的中心位置，安裝一臺(tái)全站儀，可以精確測(cè)量標(biāo)靶的位置。在標(biāo)靶上連接一個(gè)紅外接收裝置，激光掃描儀進(jìn)行掃描時(shí)，標(biāo)靶上的紅外接收裝置可以捕捉信號(hào)。在監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)操作中，必須要保證標(biāo)靶、監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在實(shí)際位置與設(shè)計(jì)圖紙中的位置高度對(duì)應(yīng)。以全站儀測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，最大測(cè)角誤差不得超過3°，最大測(cè)距誤差不得超過1mm。技術(shù)人員觀察全站儀測(cè)量結(jié)果，如果實(shí)際誤差超過上述范圍，則應(yīng)當(dāng)重新調(diào)整設(shè)備并進(jìn)行第二次測(cè)量，直到結(jié)果精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 設(shè)站掃描

本次基坑變形監(jiān)測(cè)工作中，建筑公司使用的是美國原裝進(jìn)口的Systems Sense支架式3D激光掃描儀。為了避免其他因素對(duì)掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾，需要在兩站之間，放置3個(gè)位于同一直線上的公共標(biāo)靶?？梢允褂萌S激光掃描儀檢測(cè)公共標(biāo)靶是否呈一條直線，這樣獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度更高，并且方便后期進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總處理和分析。技術(shù)人員操作三維激光掃描儀，將分辨度調(diào)至“Super High”，對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行掃描，獲取掃描數(shù)據(jù)后，在將分辨率調(diào)制“Middle”，對(duì)基坑側(cè)壁進(jìn)行掃描?，F(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)，由于三維激光掃描儀的掃描面不能完全覆蓋基坑側(cè)壁，需要按照從上到下的原則，緩慢完成掃描。整個(gè)掃描時(shí)間大概持續(xù)6-8min。將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單整理后，發(fā)送至計(jì)算機(jī)上，利用專門的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

掃描儀獲取的大量數(shù)據(jù)，以三維坐標(biāo)的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中。計(jì)算機(jī)識(shí)別這些坐標(biāo)值后，按照一定的次序進(jìn)行排列，形成高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。技術(shù)人員在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到Laser Control軟件中，并依次完成對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的指向性處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的基本步驟為：首先，利用軟件自帶的功能，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入的同時(shí)，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初級(jí)過濾。例如，技術(shù)人員可以人為設(shè)定精確度作為篩選條件，那些精度達(dá)不到要求的數(shù)據(jù)，就會(huì)直接被篩除掉。這樣就極大的減輕了工作量；其次，還要對(duì)過濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列、組合和拼接?？梢詫⑾噜彽膬蓚€(gè)標(biāo)靶拼接，或是將數(shù)據(jù)容量相等或相近的兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行組合等。

3.2.4 三維建模

將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完成后，在計(jì)算機(jī)上可以得到若干組精確的坐標(biāo)值。此時(shí)打開計(jì)算機(jī)上的三維建模軟件，將暫存在數(shù)據(jù)庫中的多組坐標(biāo)值導(dǎo)入到建模軟件中，自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的基坑三維模型。將實(shí)際模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算機(jī)自動(dòng)標(biāo)記出兩者不重合的部分，既為變形部分。三維建模是三維激光掃描技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。應(yīng)當(dāng)獲取盡可能多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建出更加真實(shí)、精度更高的三維模型，這樣才能最大限度的找出基坑變形部位，為技術(shù)人員制定針對(duì)性的應(yīng)對(duì)方案提供了必要的參考。

3.3 三維激光掃描儀掃描成果

在基坑施工結(jié)束后，開始進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，前后共進(jìn)行6次三維激光掃描，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基坑北角支護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。最后將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件進(jìn)行處理和對(duì)比，構(gòu)建基坑的三維立體模型。每個(gè)模型分別用不同的顏色進(jìn)行表示，可以更加直觀的觀察出基坑在一段時(shí)間內(nèi)的變形情況。另外，在冠梁上設(shè)置3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別為CW1、CW3、CW6，在這三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上用全站儀進(jìn)行測(cè)量，將獲取的實(shí)測(cè)坐標(biāo)與三維激光掃描獲取的標(biāo)靶坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示誤差均在5mm以內(nèi)，且三維激光掃描獲取的坐標(biāo)精度更高。如表1所示。

4 結(jié)語

在建筑施工中，由于地質(zhì)條件特殊，或是上部建筑的荷載壓力較大，容易導(dǎo)致基坑發(fā)生變形，導(dǎo)致地基出現(xiàn)不均勻沉降，影響建筑的整體質(zhì)量和使用安全。因此，都做好基坑變形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)十分必要?？紤]到基坑本身具有隱蔽性的特點(diǎn)，需要借助于三維激光掃描技術(shù)，在非接觸的情況下獲取大量的基坑數(shù)據(jù)，并在計(jì)算機(jī)上建立三維立體模型，方便技術(shù)人員進(jìn)行對(duì)比觀察。在應(yīng)用三維激光掃描時(shí)，還可以同時(shí)使用全站儀，可以將全站儀獲取的數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充或驗(yàn)證。根據(jù)三維立體模型，技術(shù)人員及時(shí)制定基坑變形的應(yīng)對(duì)措施，切實(shí)保障了現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

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