趙 濤，弓建新，樊 榮，郭華平

(太原明遠(yuǎn)工程監(jiān)理有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

高壓輸電線路轉(zhuǎn)角塔基礎(chǔ)一般采用4個(gè)獨(dú)立的淺基礎(chǔ)，其中2個(gè)受拉、2個(gè)受壓，在附近開(kāi)挖機(jī)坑時(shí)桿塔基礎(chǔ)的不均勻沉降或基坑變形較大會(huì)容易引起桿塔的傾斜。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于原有土層土壓力降低，考慮到基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力的作用，基坑四周的土壤會(huì)向基坑內(nèi)移動(dòng)并發(fā)生形變，這種形變的移動(dòng)速度以及變形變化量將會(huì)影響桿塔基礎(chǔ)施工的安全性，因此，在基坑周?chē)寥雷冃蔚谋O(jiān)測(cè)問(wèn)題上需要采取相應(yīng)的策略及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)明顯的變形，并針對(duì)土壤的參數(shù)對(duì)可能發(fā)生的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

針對(duì)輸電線路桿塔的基坑監(jiān)測(cè)文獻(xiàn)研究較少，已有研究主要集中在輸電線路桿塔的分析。文獻(xiàn)[1]分析了輕型井點(diǎn)降水技術(shù)在輸電線路桿塔基礎(chǔ)流沙基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[2]針對(duì)臨近深基坑高壓輸電桿塔基礎(chǔ)加固進(jìn)行設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[3]研究了風(fēng)荷載作用下基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近輸電桿塔的影響；文獻(xiàn)[4]分析了輸電線路基坑人工開(kāi)挖施工安全管理；文獻(xiàn)[5]分析了特高壓輸電線路塔基外敷降阻策略；文獻(xiàn)[6]提出了基于柔性石墨防腐蝕材料的桿塔樁基緊湊型接地?？梢钥闯?，針對(duì)輸電線路桿塔基坑監(jiān)測(cè)管控研究較少，也未見(jiàn)激光雷達(dá)SLAM定位成像方面的文獻(xiàn)。

因此,本文利用激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路桿塔基坑施工過(guò)程中的檢測(cè)以及管控。

1 輸電線路桿塔基坑施工

輸電線路的施工過(guò)程主要包括基坑開(kāi)挖、桿塔施工以及架線施工。其中，基坑開(kāi)挖作為電力線路施工的首要工作，在很大層面上影響著后續(xù)工程的開(kāi)展情況。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)工作內(nèi)容，主要包括相應(yīng)的施工設(shè)備、施工人員的實(shí)施情況，利用相應(yīng)的輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)安全管控，按照工程項(xiàng)目的規(guī)章制度和管理?xiàng)l例進(jìn)行施工作業(yè)?；娱_(kāi)挖的監(jiān)測(cè)通常利用視頻、成像和激光雷達(dá)等輔助手段實(shí)現(xiàn)設(shè)備和人員運(yùn)行的安全監(jiān)控。因此，在針對(duì)輸電線路桿塔基坑的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和成像方面，整體質(zhì)量的好壞影響著對(duì)施工過(guò)程和施工進(jìn)度的把控，也影響著后續(xù)的施工進(jìn)程。

在基坑施工過(guò)程中需要對(duì)基坑開(kāi)挖的全過(guò)程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握相應(yīng)的土壤以及護(hù)壁結(jié)構(gòu)的力學(xué)數(shù)據(jù)，從而確保施工過(guò)程的安全。一方面需要對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中隨著深度變化而變化的土壤性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定是否在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生相應(yīng)的土壤位移，從而確定基坑支護(hù)的有效性和合理性；另一方面，還需要考慮隨著四周開(kāi)挖環(huán)境的變化而導(dǎo)致周?chē)渌矬w對(duì)基坑的影響。尤其是針對(duì)相應(yīng)的土壤位移、土壤沉降等變化速率較大的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 基于SLAM的雷達(dá)位姿圖成像算法

基于SLAM的雷達(dá)位姿圖成像算法原理如圖1所示。

圖1 算法原理

圖1說(shuō)明了SLAM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。雷達(dá)處理單元將動(dòng)態(tài)和靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)對(duì)相應(yīng)雷達(dá)傳感器的速度進(jìn)行估計(jì)。測(cè)距元件對(duì)連續(xù)狀態(tài)以及雷達(dá)獲取的速度信息進(jìn)行相應(yīng)的變化估計(jì)。掃描對(duì)比元件則能夠通過(guò)與雷達(dá)掃描結(jié)果進(jìn)行序列對(duì)比實(shí)現(xiàn)相應(yīng)位置的變化識(shí)別。最終，循環(huán)元件則能夠用于計(jì)算相應(yīng)位置變化的相對(duì)量，這類(lèi)相對(duì)估計(jì)量則構(gòu)成了位姿圖。SLAM算法能夠通過(guò)對(duì)圖像的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信息的處理和估計(jì)。這個(gè)過(guò)程需要由雷達(dá)探測(cè)器組成的元件繪制相應(yīng)的圖像[7]。

a.雷達(dá)預(yù)處理。雷達(dá)預(yù)處理的目標(biāo)是在笛卡兒傳感器坐標(biāo)下找到相應(yīng)的位置矢量和速度變化。在僅考慮靜態(tài)目標(biāo)的前提下，地圖構(gòu)建過(guò)程則需要將移動(dòng)目標(biāo)剔除。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，利用雷達(dá)運(yùn)動(dòng)估計(jì)，對(duì)傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的識(shí)別，利用傳感器的算法對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，其中運(yùn)動(dòng)物體的速度計(jì)算式為

-vr,i=vS,xcosφi+vS,ysinφi

(1)

vr,i為物體i的實(shí)際速度；vS,x和vS,y分別為物體的水平x和y軸的分速度；φi為高度角。

式(1)僅針對(duì)靜態(tài)物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，針對(duì)其他情況，本文采用隨機(jī)采樣一致算法。

b.測(cè)距。為估計(jì)土壤等物體移動(dòng)的速度以及連續(xù)傳感器量測(cè)之間的相對(duì)位置，需要利用測(cè)距儀對(duì)上述物理量進(jìn)行觀測(cè)，本文使用無(wú)跡卡爾曼濾波。該方法能夠在非線性環(huán)境中含有噪聲量測(cè)的情況下提供更加準(zhǔn)確的估計(jì)，并且無(wú)需在線計(jì)算雅可比矩陣。

(2)

x、y為位置坐標(biāo)；φ為高度角；v為周?chē)矬w移動(dòng)速度；k為校正系數(shù)；bδ為偏差。

c.掃描匹配。掃描匹配用來(lái)估計(jì)當(dāng)前與雷達(dá)掃描預(yù)測(cè)的相對(duì)變化，使用2D點(diǎn)對(duì)點(diǎn)ICP算法。ICP算法核心思想維計(jì)算2組觀測(cè)點(diǎn)P和Q之間最近點(diǎn)對(duì)的最小距離。假設(shè)原始平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)估計(jì)值為t0和θ0，當(dāng)前估計(jì)值為tk和θk，迭代關(guān)系式為

(3)

最小距離dk+1計(jì)算式為

(4)

R為變換矩陣。

d.回環(huán)檢測(cè)。回環(huán)檢測(cè)是為了識(shí)別先前已掃描位置，減少成像中不必要的位姿估計(jì)累積。

e.SLAM位姿圖。SLAM位姿圖能夠在給定相關(guān)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。假設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)為xi=[xi,yi,φi]T。Z為獨(dú)立量測(cè)量，描述xi到xj之間的相對(duì)變化。位姿圖即為p(X|Z)在非歸一化后驗(yàn)的分布，節(jié)點(diǎn)為xi，邊為zij及該邊方向變化的不確定性[8]。

3 基于激光雷達(dá)的線路桿塔基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)決策預(yù)警以及查詢(xún)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是數(shù)據(jù)的輸入和收集的過(guò)程，需要針對(duì)輸電線路基坑施工過(guò)程中的土壤數(shù)據(jù)、沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)、水平位移數(shù)據(jù)、深層水平位移數(shù)據(jù)、沉降觀測(cè)原始數(shù)據(jù)、基坑基本數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行采集和輸入。這類(lèi)數(shù)據(jù)需要在激光雷達(dá)定位、無(wú)線傳感器采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行處理，從而形成具有辨識(shí)性、可編輯的數(shù)據(jù)類(lèi)型，經(jīng)過(guò)相應(yīng)存儲(chǔ)可以進(jìn)一步為數(shù)據(jù)分析做準(zhǔn)備。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架

數(shù)據(jù)分析主要針對(duì)數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析，數(shù)據(jù)的分析算法主要包括多因素綜合分析以及多參數(shù)變量計(jì)算。通過(guò)數(shù)據(jù)的分析和處理，形成對(duì)原始數(shù)據(jù)的編輯，形成進(jìn)一步的數(shù)據(jù)決策預(yù)警系統(tǒng)的輸入。

數(shù)據(jù)決策預(yù)警系統(tǒng)是針對(duì)輸電線路桿塔基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果的重要指標(biāo)。在輸電線路桿塔基坑施工過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相應(yīng)的施工進(jìn)程和安全穩(wěn)定性，因此針對(duì)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果進(jìn)行預(yù)設(shè)安全值的校核，通過(guò)相應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)，如果出現(xiàn)相應(yīng)的異?；蚴鹿蕜t需要進(jìn)行報(bào)警處理。根據(jù)事故或異常狀況的嚴(yán)重情況不同可以分為1級(jí)、2級(jí)和3級(jí)報(bào)警。報(bào)警數(shù)據(jù)一方面能夠指導(dǎo)基坑施工的安全作業(yè)，另一方面能夠提升系統(tǒng)在這方面數(shù)據(jù)應(yīng)用的有效性。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)警決策的數(shù)據(jù)再進(jìn)一步處理形成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，這一部分則可以通過(guò)系統(tǒng)的應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)。

數(shù)據(jù)的查詢(xún)主要包括數(shù)據(jù)抽取模塊、數(shù)據(jù)可視化處理模塊、報(bào)表生成查詢(xún)模塊和基坑基本信息查詢(xún)模塊。這類(lèi)查詢(xún)數(shù)據(jù)是面向終端用戶(hù)的直接窗口，不僅反映了系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的透明、可視化的基本特征，而且能夠體現(xiàn)系統(tǒng)在輸電線路桿塔基坑作業(yè)中的指導(dǎo)意義。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程

在輸電線路桿塔基坑施工過(guò)程中需要定期或不定期的重復(fù)獲取變形數(shù)據(jù)，通過(guò)各種分析方法確定基坑的變形狀態(tài)，針對(duì)激光雷達(dá)定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確了解基坑的安全狀況，利用本文系統(tǒng)進(jìn)行基坑信息的實(shí)時(shí)傳輸和發(fā)布，主要包括基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和處理、監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)發(fā)布和反饋。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)流程如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)流程

a.監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理。對(duì)輸電線路施工過(guò)程中所接觸到的土壤、地形、周?chē)h(huán)境等數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整合，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分類(lèi)，形成相應(yīng)的原始數(shù)據(jù)。對(duì)這類(lèi)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的讀寫(xiě)和處理，存入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)可以形成多樣化的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步方便后期對(duì)基坑狀態(tài)進(jìn)行分析。

b.數(shù)據(jù)分析和處理。輸電線路桿塔基坑施工過(guò)程中，形變數(shù)據(jù)主要是在數(shù)據(jù)管理庫(kù)中獲得的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上得到的形變過(guò)程、形變規(guī)律和形變幅度，對(duì)這類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理得到形變?cè)颉⑿巫兞恳约芭c其相關(guān)的因素，從而為后續(xù)基坑作業(yè)施工提供相應(yīng)的安全指導(dǎo)。在這一過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析主要應(yīng)用相應(yīng)的灰色模型、時(shí)間序列模型和回歸模型。

c.基坑狀態(tài)信息發(fā)布和反饋?；訝顟B(tài)信息的發(fā)布和反饋是數(shù)據(jù)的應(yīng)用環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)施工單位、項(xiàng)目單位、監(jiān)測(cè)部門(mén)進(jìn)行信息發(fā)布，可以有效提升各類(lèi)信息在不同層面、不同對(duì)象之間的傳輸有效性和分析多樣性，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的反饋質(zhì)量，從而有針對(duì)性地對(duì)基坑狀態(tài)進(jìn)行相關(guān)的處理，形成修改或最終決策。

4 應(yīng)用效果分析

本文根據(jù)某地實(shí)際需求開(kāi)挖一處16 m、尺寸為25 m×20 m的基坑，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，圖4中單位為mm。

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)

考慮到項(xiàng)目所在地的地理環(huán)境較為復(fù)雜，結(jié)合周邊環(huán)境情況以及以往施工經(jīng)驗(yàn)，利用本文系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)相應(yīng)的激光雷達(dá)測(cè)距算法，并通過(guò)分析對(duì)比，實(shí)現(xiàn)具體施工內(nèi)容的綜合分析。結(jié)果如表1所示。

表1 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)基坑沉降數(shù)據(jù)，施工現(xiàn)場(chǎng)中A點(diǎn)、B點(diǎn)的沉降變形較小，C點(diǎn)和D點(diǎn)的沉降變形稍大。沉降過(guò)程與施工作業(yè)的流程順序和周?chē)h(huán)境密切相關(guān)，沉降分為初始階段、變化階段和穩(wěn)定階段。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，最大沉降值為12.7 mm，沉降率為0.8 mm/d，根據(jù)相應(yīng)系統(tǒng)的預(yù)警功能，提醒施工作業(yè)人員進(jìn)行邊坡支護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑的穩(wěn)定性操作，最終實(shí)現(xiàn)基坑的沉降值和變化速率滿(mǎn)足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

綜上，在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析均反映了基坑施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)變化情況，說(shuō)明在本項(xiàng)目基坑過(guò)程中受到環(huán)境影響的可能性較小，施工過(guò)程整體安全可控，在各個(gè)階段均未發(fā)出報(bào)警信號(hào)，各項(xiàng)測(cè)試順利通過(guò)，為后續(xù)基坑進(jìn)一步施工提供了技術(shù)保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用激光雷達(dá)測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路桿塔基坑施工過(guò)程中的檢測(cè)以及管控。經(jīng)過(guò)對(duì)輸電線路基坑施工作業(yè)流程以及相應(yīng)激光雷達(dá)成像測(cè)距原理的分析，利用本文所提出的系統(tǒng)對(duì)某項(xiàng)目的基坑支護(hù)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)分析可知，本文系統(tǒng)在輸電線路桿塔基坑施工作業(yè)管控過(guò)程中是有效的，不僅能夠提升基坑本身施工作業(yè)流程的安全和可控能力，并且能夠有效提升對(duì)周?chē)h(huán)境因素以及其他相鄰桿塔之間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析的有效性。本文系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)的輸電線路桿塔基坑施工作業(yè)。