李海濱，唐國(guó)茜，趙桂娟，馬慶偉，王光輝

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安公路研究院，陜西 西安 710054；3.中北工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

目前普遍應(yīng)用路基沉降監(jiān)測(cè)方法為離散的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，這些有限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)只能離散的反映目標(biāo)表面體的單點(diǎn)變形量，不能有效的反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體變形情況[1]。相比于傳統(tǒng)的沉降監(jiān)測(cè)方法，三維激光掃描技術(shù)無(wú)需預(yù)先埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，即可以非接觸的方式對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)進(jìn)行快速的掃描，進(jìn)而通過(guò)對(duì)獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理分析來(lái)掌握監(jiān)測(cè)區(qū)域的整體變形情況，不受目標(biāo)表面復(fù)雜程度的影響，獲取信息更加豐富全面，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的“點(diǎn)測(cè)量”方式向“面測(cè)量”、“形測(cè)量”方式的轉(zhuǎn)變，為科學(xué)研究和工程應(yīng)用提供更全面、更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2-3]。

通過(guò)三維激光掃描所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)三維信息可以直接反映所測(cè)目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，分析處理的數(shù)據(jù)可以很好的反映測(cè)區(qū)的實(shí)際情況，該技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是速度快、精度高且逼近原型[4]。目前三維激光掃描技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[5-7]，趙春江等通過(guò)3D數(shù)字化技術(shù)，解決了農(nóng)林植物-環(huán)境中的高通量信息獲取、情景感知和信息融合等問(wèn)題；孫學(xué)陽(yáng)等將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在礦井三維立體模型的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了礦井工程圖紙由二維形態(tài)上升到三維形態(tài)的轉(zhuǎn)換；倪曙等將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在隧道變形監(jiān)測(cè)中，得到隧道的變形量在-0.7～0.7 mm之間，與傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。相比三維激光掃描技術(shù)在農(nóng)林、礦井及隧道等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，三維激光掃描技術(shù)在路基沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還比較少。

在公路路堤拓寬的整體沉降觀測(cè)中引入三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)對(duì)整體路基拓寬區(qū)掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析其整體沉降信息，并與單點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，闡明并總結(jié)拓寬路基的沉降變化規(guī)律，為高等級(jí)公路路基拓寬工程中的整體沉降監(jiān)測(cè)分析提供一種新技術(shù)。

1 三維激光掃描監(jiān)測(cè)的工程應(yīng)用

隨著交通量的不斷增長(zhǎng)，石安高速公路的服務(wù)水平逐漸趨于飽和，因此需對(duì)石安高速公路進(jìn)行雙向四車道到雙向八車道的擴(kuò)建[8]，擴(kuò)建過(guò)程中，除了傳統(tǒng)的沉降板等單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，引入三維激光掃描儀進(jìn)行路堤整體沉降監(jiān)測(cè)，選定采用樁板復(fù)合地基處治的新建路基段(K435+550～K435+600)和常規(guī)水泥攪拌樁處治路基段分別進(jìn)行沉降觀測(cè)，具體的測(cè)點(diǎn)布置和觀測(cè)位置如圖1所示。

1.1 控制點(diǎn)布設(shè)

對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域路堤表面進(jìn)行三維激光掃描，為了保證掃描完成后獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以將整個(gè)測(cè)區(qū)完全覆蓋，本次監(jiān)測(cè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件建立A，B 2個(gè)測(cè)站，分別位于試驗(yàn)區(qū)域的兩端，由于掃描儀在每個(gè)測(cè)站獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)均在此測(cè)站的獨(dú)立坐標(biāo)系內(nèi)，而進(jìn)行路堤整體沉降分析需將兩測(cè)站獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，因此需通過(guò)布置控制點(diǎn)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一坐標(biāo)系，布設(shè)的2個(gè)控制點(diǎn)K1，K2，如圖1所示。

圖1 三維整體掃描控制點(diǎn)Fig.1 3D overall scanning control point distribution

1.2 工作流程

采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，其掃描工作流程如圖2所示。

圖2中，進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，首先需對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行掃描，把儀器架設(shè)到A測(cè)站，將球形標(biāo)靶架設(shè)在控制點(diǎn)位，對(duì)其位進(jìn)行自定義掃描；其次在A測(cè)站對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行360°掃描[9-11]。A測(cè)站掃描完成之后將儀器架設(shè)到B測(cè)站，步驟與A測(cè)站均相同。

在三維激光掃描時(shí)，激光穿透有水的目標(biāo)表面會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，因此禁止被掃描目標(biāo)表面有水，同時(shí)盡量在空氣濕度比較低時(shí)進(jìn)行掃描作業(yè)，因?yàn)榭諝鉂穸容^大時(shí)會(huì)導(dǎo)致激光產(chǎn)生折減，進(jìn)而影響測(cè)量精度。

圖2 三維激光掃描工作流程Fig.2 3D laser scanning workflow

1.3 沉降觀測(cè)與分析

結(jié)合研究需要共進(jìn)行四期的整體三維動(dòng)態(tài)掃描，每一期掃描間隔1個(gè)月時(shí)間，掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)拼接去噪等處理后匯總于圖3，不同的顏色代表不同的沉降值，通過(guò)辨析圖中顏色深淺可判斷該月對(duì)應(yīng)區(qū)域的整體沉降量。

由于掃描范圍為整個(gè)試驗(yàn)段，為避免大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)干擾、影響精度，增加計(jì)算成本等，數(shù)據(jù)分析只選取特征區(qū)域進(jìn)行，因此著重分析試驗(yàn)段中包含樁板結(jié)構(gòu)和水泥攪拌樁處治路段的對(duì)稱區(qū)域的整體沉降。

對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，明顯的差異沉降現(xiàn)象出現(xiàn)在新老路堤交接處；而老路堤由于經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的固結(jié)，基本無(wú)沉降變化。

對(duì)于樁板復(fù)合地基路段，施工初期此處沉降量比水泥攪拌樁處治區(qū)域的沉降量大(圖3)；后期樁板復(fù)合地基的沉降量較無(wú)樁板結(jié)構(gòu)處開(kāi)始明顯減少(圖4～圖6)。主要是由于施工初期樁板結(jié)構(gòu)下方土體未完全固結(jié)，到后期土體固結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定，樁板結(jié)構(gòu)中水泥混凝土板能夠承擔(dān)該結(jié)構(gòu)層上方土體的部分荷載，可明顯減小路基的整體沉降。

圖3 監(jiān)測(cè)區(qū)域不同時(shí)期的沉降量Fig.3 Settlement of the target surface in different periods

相比板樁復(fù)合地基路段，常規(guī)水泥攪拌樁處理的地基路段區(qū)域沉降明顯，經(jīng)過(guò)4個(gè)月的固結(jié)，該監(jiān)測(cè)區(qū)域中極個(gè)別點(diǎn)的最大沉降量達(dá)到6 mm左右，將樁板結(jié)構(gòu)和無(wú)樁板結(jié)構(gòu)的整體沉降量進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，樁板復(fù)合地基能夠有效的控制路基的差異沉降，并且三維激光掃描技術(shù)可以顯著的從整體角度判別沉降的差異。

2 三維激光掃描技術(shù)適應(yīng)性分析

為了對(duì)比分析三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，在石安高速公路鋪筑過(guò)程中，對(duì)新舊路基交接處、新建路堤的中心和路肩位置進(jìn)行觀測(cè)，并與路面道釘和沉降板等傳統(tǒng)的單點(diǎn)沉降觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步說(shuō)明三維激光掃描技術(shù)在公路改擴(kuò)建工程中路堤整體沉降監(jiān)測(cè)的適應(yīng)性。

2.1 單點(diǎn)沉降觀測(cè)

在新建路堤和路面基層填筑過(guò)程中，通過(guò)埋設(shè)沉降板來(lái)觀測(cè)樁板復(fù)合地基和水泥攪拌樁處治路段的對(duì)稱區(qū)域的路基沉降。路堤和路面基層填筑完成后，通過(guò)埋設(shè)道釘來(lái)對(duì)路面的沉降情況進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。雖然觀測(cè)點(diǎn)位布設(shè)越多則越能反映監(jiān)測(cè)區(qū)域的沉降情況，但由于布設(shè)點(diǎn)位會(huì)破壞上面層的整體性，影響其服務(wù)功能，因此沉降觀測(cè)時(shí)僅選擇有代表性點(diǎn)位，圖4為具體點(diǎn)位布設(shè)情況。

圖4(a)為沉降板觀測(cè)點(diǎn)位布置情況，圖4(b)為路面道釘布置情況，對(duì)圖4中的6個(gè)點(diǎn)位每隔7天進(jìn)行一次觀測(cè)，沉降趨勢(shì)如圖5和圖6所示。

從圖5(a)可以得出，由于樁板結(jié)構(gòu)混凝土板自重較大，導(dǎo)致施工初期板樁處的沉降量明顯大于非板樁處治路段。板樁處治路段的最大沉降量為8.1 mm，而水泥攪拌樁處治路段的最大沉降量為7.1 mm。但板樁結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)逐漸在圖5(b)和圖5(c)的過(guò)程顯現(xiàn)，半剛性基層填筑過(guò)程中，板樁處和非板樁處的沉降差逐漸減小，忽略個(gè)別測(cè)點(diǎn)在施工過(guò)程中的觀測(cè)誤差，在中、下面層填筑過(guò)程中，板樁處的沉降量明顯小于非板樁處。沉降板現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的新舊路基沉降趨勢(shì)與三維激光整體掃描結(jié)果一致。

圖4 具體點(diǎn)位布置Fig.4 Layout of the observation points

圖5 路堤、基層和中下面層填筑過(guò)程路段沉降Fig.5 Settlement of the embankment，base and middle base layer pavement construction

從圖6可以得出，測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3在路面結(jié)構(gòu)施工完成后，沉降趨勢(shì)基本一致，沉降均為隨著時(shí)間而逐漸增大。但是由于施工后期樁板結(jié)構(gòu)的整體效應(yīng)明顯顯現(xiàn)，因而樁板結(jié)構(gòu)區(qū)域沉降明顯小于水泥攪拌樁處治路段，樁板結(jié)構(gòu)區(qū)域最大沉降量為9.3 mm，而水泥攪拌樁處治路段最大沉降量為10.9 mm，兩者相差20.88%。經(jīng)過(guò)4個(gè)月的固結(jié)，新路堤中心線(測(cè)點(diǎn)2)的沉降差最小，為1.0 mm。水泥攪拌樁處治的新路堤路肩處(測(cè)點(diǎn)3)沉降差最大，為1.6 mm。

圖6 上面層鋪筑過(guò)程中路段沉降趨勢(shì)Fig.6 Settlement of the upper layer pavement construction

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析

由于三維激光掃描儀獲取的是離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[12-15]，對(duì)路基表面進(jìn)行兩次獨(dú)立的掃描，所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可能完全對(duì)應(yīng)，因此本節(jié)結(jié)合格網(wǎng)分析法和插值方法來(lái)確定每個(gè)格網(wǎng)交叉點(diǎn)的高程值，從而對(duì)測(cè)區(qū)的整體沉降信息進(jìn)行分析[16-18]，其中格網(wǎng)密度選用1 000*1 000，插值方法采用三次多項(xiàng)式插值法，重點(diǎn)將第一期與其余三期的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，插值結(jié)果表明各點(diǎn)的沉降分布服從正態(tài)分布，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沉降量對(duì)比匯總

將第1期與第2期掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有99.7%的點(diǎn)的沉降量位于-6～4 mm，其沉降量集中趨勢(shì)點(diǎn)(即絕大部分點(diǎn)的沉降量)在-3～-2 mm；將第1期與第3期掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有99.5%的點(diǎn)的沉降量位于-6～ 6 mm，其沉降量集中趨勢(shì)點(diǎn)出現(xiàn)在-3～-2 mm；將第一期與第四期進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有99.6%的點(diǎn)沉降量位于-6～5 mm，其沉降量集中趨勢(shì)點(diǎn)出現(xiàn)在-1～0 mm。

經(jīng)過(guò)4個(gè)月的固結(jié)，監(jiān)測(cè)區(qū)域的沉降量大都在1 mm左右，僅在路基不進(jìn)行處置路段的小范圍區(qū)域的沉降量達(dá)到6 mm左右，整體沉降量與傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，并且三維激光掃描可以測(cè)得整個(gè)測(cè)區(qū)的沉降，確保了沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.3 精度驗(yàn)證

對(duì)三維激光掃描監(jiān)測(cè)的整體沉降點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，并與單點(diǎn)沉降的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)三維激光掃描技術(shù)在路基整體沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的適用性。

2.3.1 單點(diǎn)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

通過(guò)對(duì)樁板結(jié)構(gòu)區(qū)域與無(wú)樁板結(jié)構(gòu)區(qū)域沉降趨勢(shì)的對(duì)比可以看出，三維激光掃描結(jié)果與沉降板現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，且三維激光掃描可以有效的判定整體的沉降，有效避免了單點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)路基沉降說(shuō)明的片面性，提高了路堤整體穩(wěn)定性的判定準(zhǔn)確度。

對(duì)路面道釘監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，圖7反映了從第1期至第4期，測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3的累計(jì)沉降變化量。

圖7 路面道釘測(cè)點(diǎn)沉降Fig.7 Settlement of pavement spike measuring points

由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，測(cè)點(diǎn)1，測(cè)點(diǎn)2，測(cè)點(diǎn)3的沉降差值分別為1.3，1.0,1.6 mm。

2.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果

為了確保沉降分析的準(zhǔn)確性，將第1期與各期的沉降結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)行格網(wǎng)分析時(shí)采用100*100和1 000*1 000這2種不同密度的格網(wǎng)[19]，對(duì)每一種格網(wǎng)都使用三種插值方法(線性插值、最鄰近差值和多項(xiàng)式差值)來(lái)獲取沉降對(duì)比分析的結(jié)果，最后通過(guò)計(jì)算測(cè)量結(jié)果的中誤差m[20]，評(píng)價(jià)文中采用的格網(wǎng)法處理數(shù)據(jù)的結(jié)果的精度。中誤差的計(jì)算采用式(1)。

(1)

式中i=1，2，3，…，n，其中n為插值總點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算所得結(jié)果中誤差絕對(duì)值最大值為2.5 mm，而路基施工規(guī)定的沉降工作測(cè)量誤差為±3 mm[21-22]，因此三維掃描結(jié)果準(zhǔn)確性符合要求。

表2將大多數(shù)插值點(diǎn)的沉降量進(jìn)行了匯總。從第1期到第4期，整體沉降量分布區(qū)間為0～1 mm，與路面道釘?shù)膯吸c(diǎn)最大沉降1.6 mm具有較好的一致性，觀測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性提高約38%，且三維掃描可獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域整體的沉降，再次說(shuō)明三維激光掃描技術(shù)在路基拓寬中的適用性。

表2 插值點(diǎn)的沉降量匯總

3 結(jié) 論

1)加寬路堤的路肩、路提加寬中心和新回路堤結(jié)合處相比，新老路堤交接處的差異沉降現(xiàn)象最明顯，三維激光掃描技術(shù)可以整體反應(yīng)路基改擴(kuò)建過(guò)程中的“面”沉降，避免“點(diǎn)”沉降監(jiān)測(cè)帶來(lái)的離散性。

2)三維激光掃描可以有效監(jiān)測(cè)路基整體沉降，在樁板處治路段和非樁板處治路段，沉降監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性分別提高41.6%和25.8%，不僅可以反應(yīng)常用的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，并且提高了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)經(jīng)過(guò)4個(gè)月的持續(xù)觀測(cè)和對(duì)比分析，三維激光掃描測(cè)的整體沉降量較單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的沉降量準(zhǔn)確性提高38%，且分析結(jié)果的誤差絕對(duì)值滿足精度要求，三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用到公路路基沉降監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。