三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用分析

赵汝斌

(福建省建筑科学研究院， 福建 福州 350025)

0 引言

近几年，随着城市建设速度的加快，市区内基坑工程的建设数量逐年增加，而在城市内进行深基坑的施工，可能会随着基坑的挖掘影响周围建筑的基础，改变建筑的稳定性，因此，在施工过程中，需用多种方法监测基坑是否变形。基坑施工过程需及时了解其变形情况，以确保工程的安全性。

1 三维激光扫描技术

1.1 概述

三维激光扫描技术是一种现代化的信息获取手段。该技术可以应用于基坑变形等工程中，具体操作为分析基坑工程具体的施工方案，考察施工团队的整体水平，以此为前提，从整个工程中选择某个区域作为监测的范围，接着，根据范围内工况，选择适合的扫描仪，找到监测点的位置，得到监测数据。依据现场所采集的数据，构建三维模型，展开分析，完成对比验证。

1.2 扫描方式

首先，根据工程概况制定监测方案，技术人员应分析设计图纸，并实际现场勘察的基本情况，确定工程基准点的位置，设置控制网。控制点之间应保证相互通视，并覆盖整个监测区域。确定监测范围与控制点后，随即用全站仪测量。测量工作的重点是确定中心位置的坐标，以减少后期坐标拟合的工作难度与工作量。

其次，进行设置站点扫描。扫描工作进行中，需根据每个区域的特点，选择不同的分辨率，对于全景扫描可以使用较低的分辨率，而对于局部扫描，可使用较高的分辨率。

接着，过滤接收到的点云数据。扫描后得到的数据是带有三维坐标的数据集。为建立三维模型，需筛选所有的数据，清除数据中的杂波，把不属于测量区域的数据删除，并在所有数据的基础上，适当缩小点云的密度，以此提高模型构建的效率。另确定所有坐标的中心点，并与其他坐标拟合，可建立完整的工程坐标系。

以上三个步骤操作结束后，使用建模软件根据最终得到的数据，建立支护结构的三维模型。

2 三维激光扫描技术的应用与优势

2.1 应用

以某基坑工程为例，位于城市的市中心，周围有很多商用、民用建筑，紧邻交通主干道，由于是在旧有的烂尾基坑工程上进行施工，要先把已有的基坑回填，并拆除坑内的支撑结构，随后再开始施工。

首先根据基坑的形状，设定基坑内数个坐标，并确定中心坐标的位置，设定扫描密度，从而减少外出监测的次数与工作量，确保自身监测不会影响周围环境的情况下，在范围内布置数个监测点，并确定每个点的坐标与基准点，随后用仪器扫描并得到数据。随后，对云点数据进行预处理，根据这些数据可以确定空间的变形情况，了解变形量的大小。预处理是筛选数据的过程，而进行数据预处理的原因是，用进行扫描的过程中，会因为周围环境的影响，出现很多杂点，增加了数据的存储量，同时由于基坑周围的环境较为复杂，为得到准确的数据，需进行多测站的扫描，由此，需要对这些数据进行拼接。数据拼接的处理过程是：进行优化处理，并把它转化为通用的数据格式，使用Geomagic软件进行处理，待数据经过优化后，需基于数据完成对变形量的分析，基坑变形量的提取与工程的稳定与安全直接相关，且用这项技术得到的数据也更加全面。因此，应使用相应的技术处理软件进行处理，并建立模型。处理步骤包括以下几点：用软件分析数据特点后，确定模型整体的大小，以及点、线、面的位置；构建三角形和曲面；对于点，还可以根据现场照片给点云赋以颜色，获得更加写实的模型数据。最后，根据最终结果，把不重要的点剔除，而它确定点位置的同时，也可以生成分析表。根据表中的结果，确定基坑的变形情况，工程人员可根据这一情况，对基坑整体的变形情况进行分析处理。

但在基坑工程应用时还必须注意的一点是：合理确定基准点以及工作基点的位置，并优化布设工作，这些点布设的准确性，将直接影响最后的结果。要求布设网的设置必须达到常规布设的标准，扫描目标和控制点之间的距离不可以超过100m，每个控制网之间有良好的通视，控制网网形合理。待所有基准点的位置确定后，可以使用全站仪等设备测量每个基准点以及坐标配准点的中心坐标。基于此，该技术扫描得到的数据即可为基坑变形情况的分析提供数据支持。

2.2 优势

三维激光扫描技术的优势在于数据获取的全面性以及分析手段的先进性。在本工程案例中，通过在基坑周围等位置设置基准点，并设置多个坐标配准点，采集数据并完成所有数据的分析与处理。

从图中可以直观地看出，相对于第一次观测，冠梁的内侧向内（西）整体位移，同时发生了沉降变形。侧向位移值从直方图中可以直观地看出，大部分分布在13mm左右。局部位移已达30mm。根据现场情况，局部位移大的位置有可能是表面泥浆附着或脱落造成。

图一 东侧上部支护结构偏差（Delaunay三角网）

为了测试三维扫描的精度，将三维变形与基坑深层土体侧向位移测试（以下简称测斜）结果相比较。将11月22日测试值与9月28日位移值对比，支护结构东侧测斜孔C1、C2从1米至10米深度位移增量值如下表所示：

位移增量(mm)深度(m) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C1孔 5.75 1.68 2.76 3.95 5.12 8.09 9.48 10.79 11.97 12.74 C2孔 9.21 10.14 11.23 10.53 10.94 12.27 12.43 16.17 16.2 14.28

从测斜结果可以看出，测试面附近的测斜孔位移量与扫描变形结果较为吻合。

从上述的理论分析和对比结果可以看出，目前的工程应用中，将三维建模的方法应用于基坑监测工作是可行的，但还有很大的改进余地。

由此，总结出用三维激光扫描技术进行基坑监测，可以缩小数据获取的误差，保证了数据的精度，而它也可以根据数据的特征，描述数据，深度刨析数据中包含的信息，方便人们充分运用数据完成监测与模型构建工作，而在高密度的监测环境中，也可以控制所有监测点位置的误差，保证所有误差的平均，完成所有数据的监测。因此，它也有着其他技术无法比拟的优势。

3 结语

综上所述，三维激光扫描技术在基坑变形监测中的应用，可以全面、准确地采集并分析基坑变形数据，并从数据中了解基坑的整体变形情况，把变形量的大小直观的展示出来。但因为其在基坑工程中的应用较少，技术方案还需进一步优化，从精度提升，数据后处理手段，多源数据融合等方面促进技术的发展与在工程中的应用。

[1]倪家明,黄茂英. 三维激光在桥梁监测中的应用[J]. 城市建设理论研究(电子版),2016,(33):122-123.