非接触式测量方法在运营高速公路沉降监测中的探索应用

非接触式测量方法在运营高速公路沉降监测中的探索应用

申文永

140426199006130410

摘要：以北京市某地铁盾构隧道工程穿越某高速公路为背景，分析传统测量方法在运营高速公路沉降监测中的局限性，并提出了一种基于三维激光扫描技术的非接触式测量方法。通过三维激光扫描技术和静力水准测量监测数据的对比，证明三维激光扫描技术监测数据的有效性，从而验证了基于三维激光扫描技术的非接触式测量方法在运营高速公路沉降监测具有一定的实用价值。

关键词：非接触式测量方法；三维激光扫描技术；高速公路；沉降监测

0引言

随着中国城市化进程的加快，交通拥堵问题日渐严峻，许多城市加快了城市轨道交通建设的步伐。在地铁线路盾构区间下穿高速公路时，会对路面造成影响。为确保高速公路在运营期间的行车安全和路面结构安全，施工过程中要对其进行监测，若发现异常及时发出预警并采取相应措施控制险情。

本文以北京市某地铁盾构隧道工程穿越某高速公路为例，由于该高速公路为运营中的全封闭道路，车流量大，日均车流量达到数十万。传统的水准测量沉降监测方法虽然精度高，但是需要采取封路措施，并且在道路路面布设监测点进行作业。然而按照道路产权单位管理办法规定，无法断交进行监测作业，更不允许在路面布设监测点等可能破坏路面的行为。基于上述原因，本文提出了一种基于三维激光扫描技术的非接触式测量方法，并通过三维激光扫描技术和静力水准测量监测数据的对比，证明三维激光扫描技术监测数据的有效性，足以满足全封闭状态下的运营高速公路沉降监测要求。

1三维激光扫描技术简介

三维激光扫描技术基本原理是利用高速激光扫描测量的方法，可大面积、高分辨率、快速地获取物体表面各个点的三维坐标、反射率、颜色等数据信息，进而快速建立1:1真彩色三维点云模型。

三维激光扫描技术特点主要如下：①非接触式测量方式；②采样率高、高精度、高分辨率；③没有白天和黑夜的限制；④数据化采集方式兼容性好；⑤主动性、动态性、实时性和直观性；⑥可配合外置相机、GPS系统使用；⑦仪器结构紧凑、防护性强。

2高速公路监测方案

2.1工程背景简述

2020年，北京某地铁下穿某高速公路，施工过程中不可避免的会对上方土体稳定性造成影响，导致地面沉降。一旦地面沉降过大将会直接影响地铁隧道的施工安全以及施工质量，甚至还会使施工周围的建筑物以及路面等造成不同程度的破坏。因此需要对此高速公路进行沉降监测。

2.2主要工作内容

该高速公路受施工影响的监测长度约500米，主要工作内容包括：①获取监测区域附近的高精度控制点坐标；②建立地面临时标靶若干，用于坐标转换；③建立三维激光测量用高精度控制网；④通过高精度三维激光测量技术获取监测数据；⑤数据处理获取监测点坐标，通过数据比较获得相应沉降量；⑥编制地表沉降监测报告。

2.3监测数据采集

（1）确定监测范围。通过RTK放样出盾构隧道轴线，轴线两侧1倍隧道埋深即为监测范围。

（2）控制网的建立。在监测范围外绿化带或人行道上选取合适位置，建立反光标靶和工作基点，用作三维激光扫描的目标点和架站点。利用地铁工程的控制点作为该工程的首级控制点，通过全站仪导线测量的方式，获取反光标靶和工作基点的三维坐标。从而建立三维激光测量使用的高精度控制网。

（3）监测数据采集。用三维激光扫描仪对监测范围内的地面和反光标靶进行扫描，获取点云数据。

2.4监测数据处理

（1）数据格式转换与预处理。用专业软件将原始点云数据转换为可处理格式。处理过程主要包括分析去噪、数据抽稀，通过优化的算法进行自动去除噪点。

（2）坐标转换。在进行点云拼接处理之前，首先要进行坐标系纠正。利用全站仪测得的标靶坐标，计算坐标转换七参数。通过坐标转换而将不同测站下的点云数据转换到同一坐标系。

（3）注册拼接。在任意站点云数据中，扫描点间的相对位置关系是正确的，而不同站点云数据中点的相对位置关系的正确与否，则取决于是否处于同一个坐标系下。大多数情况下，单站点云数据无法建模，需要以其中的一站作为基准站，以另一站作为辅助站，寻找共同的特征点进行配准。

（4）平差去噪。从各站点云提取几何特征，依据将拼接完成的全部点云进行整体数据平差。

（5）粗差剔除。原始点云数据包含了大量的粗差、错误和无关信息，如运动目标反射信号、局部的跳变数据、前景遮挡数据等。利用数据处理软件，采用手工交互操作方式进行粗差剔除。

（6）监测点选择及提取。沿区间隧道轴线上选取了9-10个监测点，通过提取监测点坐标，获得监测点的沉降变化。

3监测数据成果分析

地表沉降监测从2020年10月28日起至2020年12月28日，共完成沉降监测点位19个，监测周期19期。以盾构区间左线为例，编制沉降监测成果报表，并绘制时程曲线图，见图1。

图1盾构区间左线上方地表时程曲线图

由上图可知，左线施工时地面沉降累积变化最大点位为5号，累积变化量为-3.9mm；地表沉降累计变化最小点位为4号，累积变化量为-1.9mm。所有监测点累计变化平均值为-2.7mm。监测周期内部分点位变化较为剧烈，考虑到可能收到行驶车辆影响。后续数据变化平缓。

4监测数据准确性验证

该地铁穿越高速公路的同时，下穿高速公路下方的既有线区间。为验证三维激光扫描仪数据的准确性，选取在建地铁左线与既有线相交点位的静力水准测量数据，二者进行比较。

图2既有线隧道结构沉降时程曲线图

由上图可知，盾构区间左线施工时既有线隧道结构沉降累积变化最大点位为SJC-01-06，累积变化量为-1.6mm；隧道结构沉降累积变化最小点位为SJC-04-06，累积变化量为-0.5mm。所有监测点累计变化平均值为-1.1mm。整体数据变化平缓。

考虑到地面沉降监测时间为白天，车流量大；而隧道沉降监测时间为列车停运阶段。通过数据对比，沉降变化平均值差值为1.6mm，二者基本一致。

5结论

本文采用三维激光扫描仪对高速公路地面沉降进行数据采集，使用专业软件进行数据处理，通过19期监测数据获取了隧道施工影响范围内高速公路地面沉降情况，得出如下结论：

(1)受隧道施工影响，高速公路最大沉降为-3.9mm，平均沉降为-2.7mm，远小于控制值±20mm，说明隧道施工时加固措施到位，控制沉降效果明显。

(2)通过三维激光扫描技术和静力水准测量监测数据的对比，证明三维激光扫描技术监测数据的有效性，能够突破传统测量方式在运营高速公路监测中的局限性，从而验证了基于三维激光扫描技术的非接触式测量方法在运营高速公路沉降监测具有一定的实用价值。

参考文献：

[1]倪飞,王浩丞,杨艺卓,杨小波.三维激光扫描技术在高速公路运行非接触式变形监测中的应用[J].测绘通报,2021(03):164-166.

[2]成枢,朱玉明,牛英杰,董加江.三维激光扫描技术在高速公路沉降监测中的应用[J].矿山测量,2020,48(03):20-23+40.

[3]高爱林,张轩轶,陈庆来.高精度非接触测量在运营高速路的沉降监测[J].都市快轨交通,2010,23(05):88-91.

[4]张莞玲,赵莲莲.基于三维激光扫描的公路沉降监测研究[J].自动化与仪器仪表,2022(05):74-78.

[5]GB50026-2020.工程测量标准[S].

[6]CH/Z3017-2015.地面三维激光扫描作业技术规程[S].