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第120期 三维激光扫描技术在地铁保护区建设项目中的应用

2021-4-1 15:21
原作者: 机械工业勘察设计研究院 来自: 52监测网 收藏 分享 邀请

【52监测网】第120期 三维激光扫描技术在地铁保护区建设项目中的应用

第114期 低空遥感技术在城市轨道交通勘测设计中的应用

52监测网专家报告分享-第120期

《三维激光扫描技术在地铁保护区建设项目中的应用》
张德林 / 机械工业勘察设计研究院有限公司


机勘院介绍
机械工业勘察设计研究院有限公司(简称“机勘院”)始建于1952年9月,是国家大型综合性勘察设计单位,国家一类科研单位。隶属于中国机械工业集团有限公司(世界500强,排名第250名)。曾被国家建设部、国资委、工商行政管理总局和陕西省委、省政府等授予百余项殊荣。经过几十年的发展,公司形成了集工程勘察、测绘工程、工程设计、工程检测、工程承包、环境工程六大专业板块和国际工程于一体的建筑领域全产业链业务格局。


内容介绍

一、地铁保护区内建设项目管理与监督

1.西安城市轨道交通沿线控制保护区设置范围规定

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)规定:在城市轨道交通结构周边进行外部施工作业时,应制定安全可靠的作业方案和保护措施,外部作业不得影响城市轨道交通结构的正常使用功能、承载能力、耐久性和其他特殊功能,城市轨道交通沿线应设置控制保护区。

控制保护区范围设置
50m:地下车站与隧道结构外边线外侧50m内;
30m:地面和高架车站以及线路轨道结构外边线外侧30m内;
10m:出入口、通风亭、变电站等附属建、构筑物结构外边线外侧10m内;专用电缆沟、架空线等供电设施外边线外侧10m内;
100m:过河隧道、桥梁段结构外边线100m内;
(注:遇特殊的工程地质或特殊的外部作业时,应适当扩大控制保护区范围。)

2.地铁保护区保护区监督与管理的必要性

随着社会经济的快速发展,越来越多的地产商开发住宅、商场项目为了确保客流量、享受地铁带来的红利,大多会选在地铁沿线或出入口附近进行开发,地铁保护区内的深基坑施工项目越来越多,且多向着“深、近、大”的方向发展,保护区内进行的大面积的土体卸载,大直径管道从地铁结构上(下)方近距离通过,施工难度大、风险非常大,西安地处湿陷性黄土区域,在受水浸湿后,土结构迅速破坏并产生显著沉降,都会直接或潜在对地铁结构的安全构成威胁,稍有不慎都会产生安全事故。


3.地铁保护区内建设项目影响等级判定标准

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)规定:应结合城市轨道交通结构的安全保护要求,在作业实施前,确定外部作业影响等级。结合外部作业对城市轨道交通结构的主要响应特征及其安全保护要求合理选用结构安全控制指标。


当外部作业影响等级为特级、一级时,应对城市轨道交通结构进行安全评估;当外部作业影响等级为二级时,宜进行安全评估。

根据安全评估情况,对外部作业项目的基坑进行监测,同时对地铁结构进行监测,既要确保基坑支护结构体系的安全,同时要保证地铁结构、运营线路的安全。

4.保护区内建设项目管理监督、处置流程

保护区内建设项目管理监督:地铁保护区内建设项目在未按照相关规定办理审批手续前,坚决不允许开工。

保护区内建设项目审批、监管处置流程

5.保护区内建设项目监督执法

保护区执法:是指对轨道交通保护区内的建设活动进行巡查及监管,杜绝危及运营安全和妨碍地铁工程建设的事件发生。
保护区执法的内容:包括线路巡查、建设项目施工方案协调与审批、建设项目批后监护以及违法建设项目行政处罚。
不包括轨道交通自身的新建、扩建、改建、维修等施工作业。

执法大队巡查监护现场工作流程
1) 新发现的正在施工项目:若是抢修项目,可组织相关处室现场办公,否则现场挡停,要求报送资料,对于不服从管理的开展行政处罚;
2) 新发现的未施工项目:对于该类项目,及时联系施工单位负责人,要求报送资料,告知未经地铁办批准不准开工。
3) 已掌握的正在施工项目:若已获地铁办审批,则按批出要求进行监护;未获地铁办审批,要求立即停工,对于尚未申报资料的,要求尽快上报资料,已申报资料的,联系技术处了解审批中存在的问题,告知施工单位积极配合。对于不服从管理的开展行政处罚。
4) 已掌握的未施工项目:如果已获地铁办批准,则了解未施工原因,及时掌握开工信息;未获地铁办批准的,对于尚未申报资料的,要求尽快上报资料,已申报资料的,联系技术处了解审批中存在的问题,告知施工单位积极配合。

6.地铁保护区内建设项目审批及监管流程


二、地保区建设项目常用监测手段概述

◇ 监测对象
根据外部作业影响等级,需要对基坑支护结构、周邻环境(外部)及地铁结构(内部)进行监测。


当基坑规模较大,开挖深度较深时,还要增加监测项目:围护桩深层水平位移、锚索内力、地表沉降、管线沉降、周邻建筑物沉降等。

◇ 基坑支护结构(外部)监测内容方法
监测内容:围护结构顶部水平位移监测、基坑顶部、周边地表、周边建筑物沉降监测、周边管线、深层水平位监测、锚索应力监测、支护结构内力监测、支撑轴力监测、地下水位监测。监测方法:主要为人工监测。水平位移、竖向位移可采用测量机器人半自动化监测。

◇ 地铁结构监测方法(在建地铁结构人工监测
在建地铁项目,因未完成设备安装,施工单位较多,存在施工交叉,施工人员流动性大;在热滑前,不具备供电、通讯等条件,不能满足自动化监测要求时,多采取人工监测的方式对地铁结构进行监测。


结构竖向位移监测:结构竖向位移按照二等水准观测的技术要求,使用天宝DiNi03电子水准仪按附合或闭合水准线路。

结构水平位移、收敛监测:结构水平位移采用自由设站法,测量各个监测点三维坐标,通过计算可以得到观测点位移、收敛变形量。

◇ 地铁结构监测方法(地铁结构自动化监测
地铁运营后,一天中三分之二以上的时间是处于全封闭运营状态,不允许任何人进入轨行区,当地铁保护区内有工程建设时,为了项目顺利建设,同时确保地铁结构的安全,就必须进行自动化监测。

自动化监测系统一旦安装、调试完成后,就能实现自动化观测、记录、处理、存储等一系列功能。并且监测系统稳定可靠、精度高。


目前国内地铁自动化监测主要有:基于测量机器人自动化监测系统、基于光纤光栅自动化监测系统、基于多传感器集成监测系统。

1.基于测量机器人自动化监测系统

基于测量机器人的自动化监测系统由测量机器人监测站、控制计算机系统、通讯网络、传输系统、基准点、变形监测点构成。己经成功的应用在我国多个城市的地铁隧道自动化监测中,并且积累了很多的宝贵经验,有效解决了地铁运营期间人工测量无施测条件的问题,提供的精准监测数据有力的保障了各项目的顺利建设。


主要性能及技术优势
• 能够自动寻找、识别、精确照准目标;
• 自动测量、计算并且自动存储测量信息;
• 能够24小时全天候监测;
• 具有编程功能,可针对预定目标进行编程预设;
• 数据实时传输,成果在线浏览;

2.光纤光栅自动化监测系统

光纤传感技术是一种以光为载体、光纤为媒介、感知和传输外界信号 (被测量) 的新型监测技术,根据变化量并利用参考光信息可以解调出被测量的温度和应变值,在大坝、桥梁、电站、隧道及高层建筑物等大型民用基础设施的安全监测中效果非常好。


主要性能及技术优势
• 有(准)分布式、长距离、实时性;
• 耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧;
• 波长选择性好、不受非线性效应影响;
• 便于使用和维护、带宽范围大;

3.基于静力水准仪的多传感器位移监测技术

静力水准仪依据连通管原理,由电感传感器、液缸、浮子等部件构成,可测得任意时刻液缸内水位的变化量,并输出位移量,是地铁安全施工及运营监测的可靠技术手段,已广泛应用于地铁监测领域。


主要性能及技术优势
• 原理简单、方法可靠、长期稳定性高;
• 轻松实现远程移动式数据采集;
• 精度高、自动化性能好、操作便利;
• 全天候、远距离连续监测;
不足:受温度、气压、重力异常变化影响明显;

静力水准仪配备数据采集系统及软件处理系统,可对地铁结构进行实时、动态、全天候监测,稳定实现过程曲线绘制和测值报表输出。

三、三维激光扫描技术在地铁保护区建设项目中的应用

1.三维激光扫描技术

三维激光扫描技术:又称“实景复制技术”,是能通过激光测距,获取密集点云三维信息,并能快速重建三维模型及线、面、体等图型数据的技术手段。


三维激光扫描技术原理:通过激光回波的时间差(或相位差)计算距离,同时利用横向及纵向扫描角,计算出激光点的三维坐标。


2.工作流程

某地铁运营线路隧道受外部施工影响出现变形缝少量涌水,为了全方位分析外部施工对地铁结构的影响,采用三维激光扫描技术对受影响段进行变形分析,工作流程如下:

◇ 基准点及标靶点布设


◇ 架站扫描
隧道内以12米的间隔设站,保证每个扫描站均可观测到六个拼接靶球、两个检查点(起始、终止测站需观测基准点)。

现场架站扫描

每站扫描观测开始前,测量环境温度、大气压参数,输入仪器自动进行距离改正;整平仪器开始扫描观测;每站扫描观测结束后查看观测数据并记录观测情况,若无异常,搬站继续下一站扫描观测,至扫描观测结束。

◇ 点云数据预处理
外业扫描观测获取的点云数据预处理包括点云拼接、点云滤波、点云去噪。通过拼接多站点云数据、剔除多余点云数据最终得到完整的地铁隧道测区点云模型。


◇ 点云数据配准
初值采集进行两次独立扫描观测,通过两端的基准点将两次扫描点云数据进行匹配,对比了检查点的坐标、高程;对两次点云进行模型封装,生成了模型变化的色谱图,以此验证变形监测初值的准确性、可靠性。

精确、可靠的初值为后期隧道的变形观测提供了基准。后期扫描观测数据与初值进行配准、比对,即可分析得到测区的变形量。

通过基准点配准的隧道点云模型

◇ 精度检查
导出所有检查点坐标,对同一检查点的两次坐标、高程进行对比,得到检查点的误差值。检查点均匀布设测区,故检查点的误差值可反应整体点云模型精度情况。

经比较,检查点最大点位误差为1.3mm,中误差为0.8mm。而隧道变形监测精度要求为2mm,本次初始值的扫描观测精度完全满足规范要求。

检查点误差精度对比表

◇ 点云封装模型
使用逆向工程软件对两次独立扫描观测的点云模型分别进行封装,得到测区完整的三维网格模型。

封装完成的三维网格模型

◇ 模型数据对比
通过对两次独立扫描封装的三维网格模型进行对比,生成色谱图,可以得到测区的整体变化情况。

本次为短时间(4小时内)进行的两次独立观测,故对比两次独立扫描封装的三维网格模型可验证初始值的整体精度情况。

下图为两次独立扫描初始值的封装模型对比色谱图,从图中可以看出,平均偏差值为0.3mm-0.4mm。说明本次获取的初始值数据精确、可靠,可与后期扫描观测数据进行比对反映测区的形变状态。


3.工作难点

地铁隧道空间窄长、隧道内作业空窗期短、基准点不易长期保存、点云数据平差流程复杂、云数据噪点去除困难、点云数据量大,封装困难。

4.其他应用

(1)地铁结构测量及数字化建模
(2)变形缝、施工缝、特殊病害点建模
(3)地保区内工程建设前地铁现状调查
(4)地铁保护区内建(构)筑物健康监测


技术优势总结:
• 三维激光扫描技术突破原有“点-线“监测格局,实现了”面”的提升。全方位、立体对所有地铁结构可视物进行真三维数据采集。
• 精度高。经专业数据平台模型封装后,点云点位中误差可达到亚毫米级,完全真实地铁结构现状的三维数据。
• 点云数据用途广。可提取各种数据,如:限界、轨间距、轨道横向高差、隧道结构各种断面数据等。
• 效率高。扫描速率高达1,000,000点/秒,可在地铁运营夜间休整间隙期,快速扫描建模。
• 提交成果内容丰富。可快速封装模型,数据完整、清晰,可实现成果可视化、多样化、丰富化。

达到的目的:
• 为信息化施工提供依据;
• 验证外部施工保护专项方案的正确性、可靠性;
• 为优化设计提供依据;
• 达到了可靠性、技术性和经济性的统一,实现了技术先进性与经济合理性的统一。

应用前景:
传统变形监测方法均有着各自的不足,随着城市轨道交通的建设,全站仪、水准仪、测量机器人系统等传统监测手段以点代面的监测方式已经不能全面反映整体变形情况,也不能不能满足地铁大范围的监测需求,另一方面,这些传统监测方法作业效率低。

三维激光扫描技术作为全新的测绘技术,已经在变形监测领域取得了丰硕的研究成果,相对于常规手段具有采集数据全面、高效便捷、数字化、成果形式丰富多样、系统化等特点。未来三维激光扫描技术将在地铁监测中将发挥至关重要的作用,具有广阔的前景。

四、地铁监测中的科研及创新

自动化系统平台开发
”机勘智绘云”大数据云平台:面向测量测绘行业的业务管理方案;以项目管理为主线,涵盖项目过程中的各种文档管理,设备管理、人员 管理、专业计算、数据统计、报告生成、档案查询等。

西安地铁监护管理信息系统:该系统主要包括地上、地下三维一体化集成、空间量算、空间分析、监测数据、曲线查询展示、预警预报分析与评价等功能。对地铁运营过程提供全方位的监护数据,便于地铁运营技术决策。

智能测斜系统:智能测斜设备+APP控制软件,可实现单人高效测斜,大大提高工作效率和数据的可靠性。可高效、智能解决岩土工程深层水平位移监测,提供稳定、可靠、形式多样的监测数据。

规范编著、专利申请、优秀工程奖
该院主编的《西安市轨道交通工程监测技术规范》、在地铁测量监测方向获专利2项,软著1项,获优秀工程奖6项,获国家优秀QC小组奖1项,省级优秀QC小组奖2项,省科技厅创新奖1项。


五、总结与展望

1.由于地质条件和地保区建设工程的特殊性、周边环境的复杂性,对地保区内建设项目基坑工程及受影响区间隧道利用新技术进行监测和信息化施工,并及时进行内外部监测数据对比分析,确保工程和运营安全。

2.地铁保护区内建设项目,各参见方应建立起充分的沟通协调机制,“多方联动”以保证工程建设项目的顺利进行和地铁运营的安全可控。数据只有成为信息,并确保信息实时性、时效性和不间断性,才能创造更大的应用价值。

3.充分利用三维数据,探索BIM+GIS技术在地保区建设项目监测的应用,使数据和信息可传递、可共享、可视化和三维化,并为施工管控和全生命周期的运维服务。

4.工程安全监测的信息化自动化是必然趋势。

结束语:齐心协力,做实地保区保护工作。抓好顶层设计,谋划在前;强化过程控制,夯实基础;瞄准成果质量,扎实推进;积累成功经验,持续提高。

《三维激光扫描技术在地铁保护区建设项目中的应用》
张德林 / 机械工业勘察设计研究院有限公司
注:本文仅供个人研学交流,版权归原作者所有

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第119期 建设智慧高速,提升交通数字化治理能力发布时间:2021-03-17
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