三维激光扫描在顶管穿越高速路变形监测的应用

王智，张慧敏，沈璟璟，张育钱

(1.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038； 2.北京城市副中心站综合枢纽建设管理有限公司，北京 101117)

1 引 言

近年来，顶管工程穿越高速路项目越来越多，但高速路行车速度快，人工上路监测困难。但高速路路面过大的变形影响路面的行车安全，严重的情况下可能会引发安全事故。鉴于此，本文通过采用三维激光扫描技术对某顶管项目穿越某高速路期间进行扫描监测，扫描情况很好地反映了高速路面的变形，为产权单位后续处置提供数据支持。

2 工程概况

某污水管线管底高程为14.487 m～16.19 m，管顶高程 15.887 m～18.19 m，埋深现状路面以下 5.9 m～7.4 m，采用预制混凝土圆管，直径 1.0 m～1.4 m，采用顶进法施工。顶管穿越某高速段平面图及剖面图如图1～图2所示。

图1 顶管下穿高速路平面图

图2 顶管下穿高速路剖面图

由于西侧顶管顶进过程中，高速路面出现较大变形导致路面行车不平顺。受委托，开展对顶管期间下穿高速路监测工作。由于高速车流量大，人为上路监测困难，依托前期开展的大量三维激光扫描穿越道路的监测应用实践，采用TX-8三维激光扫描仪(仪器参数 <2 mm@120 m，<1 mm@80 m)对顶管穿越期间进行扫描。

3 扫描方案

在CZ-1、CZ-2上架设三维激光扫描仪，对中整平，对仪器高进行量取，在标靶点BB-1、BB-2、BB-3及BB-4、BB-5、BB-6支立直径 145 mm的球形标靶，开始外业扫描。现场监测点位示意图如图3所示。

图3 监测点位示意图

三维激光扫描时间与现场施工进展情况汇总如表1所示。

表1 扫描时间与现场施工进展情况汇总表

现场扫描完成后获取的是测站周边可视范围内所有的物体的点云，为便于数据分析需要先对点云数据进行数据拼接、地面提取、影响物剔除、两期数据合并及点云检测分析等操作，原始点云如图4所示，具体处理流程如图5所示。

图4 原始点云

图5 三维激光扫描数据处理流程

4 扫描结果分析

(1)2021.06.08与2021.06.02对比

获得2021年6月2日、2021年6月8日的las格式点云数据后，对其进行变形分析，得到变形色阶图(块沉降)及块沉降量直方图，如图6～图7所示。

图6 变形色阶图及块沉降量直方图(北侧道路)

图7 变形色阶图及块沉降量直方图(南侧道路)

①北侧道路

根据当时人工水准测量结果，CJ-3点沉降变形量为 -5.07 mm，CJ-4点沉降变形量为 -1.99 mm。由图6可以看到，在CJ-3、CJ-4点周边选取若干点云点并计算其变形量平均值(块沉降量)得到其平均变形量为 -4.03 mm、-1.34 mm，与水准测量真实变形量相比分别相差 1.04 mm、0.65 mm，将两次扫描结果与人工水准变形量的差值进行统计，如表2所示。

表2 扫描结果与人工水准测量变形量差值统计表

②南侧道路

根据当时人工水准测量结果，CJ-1点沉降变形量为 -17.27 mm，CJ-2点沉降变形量为 -5.67 mm。由图7可以看到，在CJ-1、CJ-2点周边选取若干点云点并计算其变形量平均值(块沉降量)得到其平均变形量为 -16.30 mm、-4.90 mm，与水准测量真实变形量相比分别相差 0.97 mm、0.77 mm，将两次扫描结果与人工水准变形量的差值进行统计，如表3所示。

表3 扫描结果与人工水准测量变形量差值统计表

(2)2021.07.16与2021.06.02对比

获得2021年6月2日、2021年7月16日的las格式点云数据后，对其进行变形分析，得到变形色阶图(块沉降)及块沉降量直方图，如图8所示。

图8 变形色阶图及块沉降量直方图(南侧道路)

根据当时人工水准测量结果，CJ-1点沉降变形量为 -29.46 mm，CJ-2点沉降变形量为 -37.82 mm。由图8可以看到，在CJ-1、CJ-2点周边选取若干点云点并计算其变形量平均值(块沉降量)得到其平均变形量为 -28.60 mm、-36.70 mm，与水准测量真实变形量相比分别相差 0.86 mm、0.88 mm，将两次扫描结果与人工水准变形量的差值进行统计，如表4所示。

表4 扫描结果与人工水准测量变形量差值统计表

根据图7可以看出，西侧顶管从高速隔离带顶进至接收完成期间：南侧道路西侧顶管轴线上方累计变形量在 -22 mm～-29 mm之间，东侧顶管轴线上方累计变形量在 -31 mm～-37 mm之间。

《工程测量标准》(GB50026-2020)中10变形监测10.1一般规定表10.1.3变形监测的等级划分及精度要求(mm)中，二等垂直位移监测变形观测点高程中误差为 0.5 mm。实际扫描结果与人工水准测量结果变形量差值约 0.8 mm，小于2倍的测量点位中误差(1 mm)，基本可以得出三维激光扫描成果达到二等水准测量精度要求。

5 结 论

顶管顶进期间，高速路面出现明显变形。通过三维激光扫描非接触测量手段，及时有效地填补了常规测量监测困难的空白，提供了准确有效的监测数据，为后续产权单位决策提供数据支撑。在实际工程应用中针对人工沉降不具备条件的情况，可以采用三维激光扫描技术代替。