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矿区桥梁变形监测的三维激光扫描技术
2019-11-04
在桥梁变形监测中,多采用全站仪或 GPS 对桥上少数关键点的坐标进行单点监测,存在外业劳动强 度大、效率低等不足,同时由于观测点数量有限,仅能表现桥梁部分结构下沉及移动信息,对于桥梁结构变形监测 一直缺乏有效的技术手段。以位于某矿区铁路桥煤柱二块工作面、08201 工作面上方的桥梁为监测对象,使用 Riegl VZ-1000 型三维激光扫描仪,获取了两期铁路桥加固后完整的点云数据,通过拟合关键部位重心、特征线等 步骤,较为精确且全面地得到桥梁位移及倾斜信息,反映出桥梁在空间三个维度上的姿态变化。通过对桥体侧面 进行精细化建模,获得桥梁结构上的变形信息,分析是由于沉降及倾斜不均匀导致桥边跨、桥拱...
Series No. 520 October 2019 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 520 期 2019 年第 10 期 矿区桥梁变形监测的三维激光扫描技术 顾元元1,2 陈冉丽3 吴 侃2 王 瑞2,4 周大伟1,21 ( 1. 江苏省资源环境信息工程重点实验室,江苏 徐州 221116;2. 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116; 3 . 石家庄铁路职业技术学院,河北 石家庄 050041 4. 江西理工大学应用科学学院,江西 赣州 341000) 摘 要 在桥梁变形监测中,多采用全站仪或 GPS 对桥上少数关键点的坐标进行单点监测,存在外业劳动强 度大、效率低等不足,同时由于观测点数量有限,仅能表现桥梁部分结构下沉及移动信息,对于桥梁结构变形监测 一直缺乏有效的技术手段。以位于某矿区铁路桥煤柱二块工作面、08201 工作面上方的桥梁为监测对象,使用 Riegl VZ-1000 型三维激光扫描仪,获取了两期铁路桥加固后完整的点云数据,通过拟合关键部位重心、特征线等 步骤,较为精确且全面地得到桥梁位移及倾斜信息,反映出桥梁在空间三个维度上的姿态变化。通过对桥体侧面 进行精细化建模,获得桥梁结构上的变形信息,分析是由于沉降及倾斜不均匀导致桥边跨、桥拱等位置产生的弯 曲、扭剪应力效果,造成桥梁结构损坏。研究表明:使用三维激光扫描技术进行矿区桥梁变形监测,丰富了桥梁变 形监测中数据的展现形式,突破了传统监测方法中单点监测的限制,有助于大幅提升矿区桥梁等建筑物变形监测 精度和工作效率。 关键词 三维激光扫描技术 桥梁 变形监测 下沉 倾斜 中图分类号 TD17,P237 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2019)-10-188-06 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201910030 Mine Bridge Subsidence Monitoring Based on 3D Laser Scanning Technique 1 ,2 Chen Ranli3 Wu Kan2 Wang Rui2,4 Zhou Dawei1,22 Gu Yuanyuan ( 1. Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering of Jiangsu Province,Xuzhou 221116,China; 2 . School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116, China;3. Shijiazhuang Railway Vocational and Technical College,Shijiazhuang 050041,China; 4 . School of Applied Science,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,China) Abstract In the process of monitoring bridge deformation,the conventional monitoring method usually uses the total station or GPS to perform single-point monitoring on the coordinates of a few key points on the bridge,which has the disadvan⁃ tages of high labor intensity and low efficiency in the field,and only can be expressed due to the limited number of observa⁃ tion points.The sinking and moving information of the bridge structure has been lack of effective technical means for the defor⁃ mation monitoring of the bridge structure.In this paper,the bridge over 08201 working face and railway bridge coal pillar No.2 working face of a mining area is used as the monitoring object.The Riegl VZ-1000 3D laser scanner is used to obtain the com⁃ plete point cloud data after the reinforcement of the two railway bridges.It is more accurate by fitting the key points of the key parts and the characteristic lines.The bridge displacement and tilt information is comprehensively obtained,reflecting the atti⁃ tude variation of the bridge in three dimensions of space. Fine-tuning the side of the bridge body to obtain the deformation of the bridge structure,and analyzing the bending and torsional shear stress effects of the bridge span and the bridge arch due to uneven settlement and tilting,resulting in structural damage.The study results show that the application of 3D laser scanning enriches the display form of data in bridge monitoring,breaks through the limitation of single point monitoring in traditional monitoring methods,besides that,it is also help for improving the precise and efficiency of deformation monitoring of bridges and other buildings in mining area. Keywords 3D laser scanning technique,Bridge,Deformation monitoring,Subsidence,Tilt 基收稿金项日目期 国201家9自-0然8-科17学基金项目(编号:51604266)。 作者简介 顾元元(1996—),男,硕士研究生。通讯作者 吴 侃(1963—),男,教授,博士,博士研究生导师。 · 188 · 顾元元等:矿区桥梁变形监测的三维激光扫描技术 2019年第10期 桥梁运载负荷大,其安全运营一直是人们关注 的重点问题。通过变形监测方法判断桥梁健康状况 并进行预警,是桥梁生产运营阶段不可或缺的一 环。桥梁变形监测内容主要包括桥墩变形、桥面线 工作面上部地表(图 1)。全长约 48.63 m,共三跨。 拱桥上部结构是由拱圈及其上方的构件组成。桥面 净宽 4.5 m,包括行车道、人行道及两侧的栏杆等构 [8] 件 。该区域内地貌类型属于丘陵与山前倾斜平原 过渡类型,地表有一定的起伏,以低缓丘陵为主要 特征,多为新生界松散及半固结沉积物覆盖,所涉 及工作面的大煤层属二叠山西组。08201 工作面标 高-260~-310 m,地面标高+140~+150 m,走向长平 均290 m,倾向长平均 120 m,平均煤厚为 5.2 m,平均 倾角18°。 [1-2] 形和挠度、主梁位移以及塔柱摆动 。虽然桥梁监 测对象类别较多,但概括起来主要有水平及竖直方 向的位移。传统监测手段是利用水准仪、全站仪或 GPS对布设在桥体上某些既定的点进行多次观测,得 到测点的三维坐标,以部分点的位移来反映桥梁的 整体移动情况。该类方法以其独特的灵活性及高精 度一直沿用至今,但是存在自动化程度不高、作业效 [3-4] 。 率低等不足 近年来,大量学者对桥梁变形监测方法进行了 [5] 研究。刘芳亮等 在分析广东江顺大桥几何结构特 点、受力状态、GPS系统安装维护难度、经济性等因素 后,在桥梁关键部位布设测点,建立了 GPS 观测系 统,使用差分定位后的测量精度可达到厘米级,通过 数据统计分析,认为桥梁位移变形协调且对称,大桥 结构处于安全状态。该方法监测数据量少且需要选 择合适的观测时段,并且需要采用正确的数据校正 模型来减少电离层延迟、对流层延迟和多路径效应, [ 6] 监测自动化程度不高。黄生享等 分析了苏通大桥 工程监测需要,基于测量机器人和 GPS 自主研发了 远程实时监测系统,该系统可以实时、全天候、自动 获取观测点的三维坐标。通过在桥梁关键部位布设 GPS 监测点和棱镜相结合的方式,长期、实时地获取 了桥梁索塔和钢箱梁的位移数据,为苏通大桥安全 评估及预警提供了可靠依据。该系统具有操作简 单、自动化程度高等优势,但测量机器人需要长期固 定,需要采取专业的保护措施,设备运行成本高,观 测距离和棱镜识别的准确性和稳定性也是不确定因 素之一。 经预计,工作面全采后对该桥影响的下沉值为 2 890~2 990 mm。由于石拱桥结构整体性比较差, 若地下煤层开采后,拱桥沉降不均,发生弯扭,可能 会导致拱角发生破坏,致使全桥结构不稳定。 该石拱桥为浆砌片石结构,纵断面如图 2 所示。 若采动影响到桥梁,由于桥梁的基底面积较小、重心 较高,很容易受到破坏从而影响铁路正常运营。为 相对而言,应用三维激光扫描技术进行变形监 测,可以获取目标整体海量数据,满足一般的生产实 践需要,设备操作简单灵活,可显著改善操作人员的 作业环境。目前该技术在桥梁变形监测方面应用 案例有限,国内也未形成统一的科学理论和作业规 [ 9] 此,采用在原桥拱圈内侧套拱方法进行加固(图3) , 拱圈加固厚度为60 cm,主筋采用 ϕ 22 mm钢筋,与原 桥采用锚杆连接,并在桥梁两侧均设置钢筋网,使桥 梁内外连接成整体,增强桥梁的抗弯和抗扭曲能力, 防止扭曲变形,使得桥体下降均匀,从而保证桥梁结 [ 7] 范,数据处理方面很大程度上还需要人工干预 。 为实现对矿区桥梁变形的高精度、高效率监测,本研 究以某矿区铁路桥煤柱二块工作面、08201工作面上 方的桥梁为例,采用三维激光扫描技术进行监测分 析。 [ 10] 构安全与稳定 。加固方案实施后,需要从整体上 监测桥梁结构的变形情况,在桥面布置的常规观测 [ 6,11] 站只能监测到桥面位移等信息 无法提取到桥体详细的倾斜、扭曲等信息 ,监测信息有限, [ 12-13] 。采用 1 桥梁概况 羊牛薛铁路支线上跨牤牛河的一座上承式实腹 三维激光扫描方式,不仅能分析出铁路桥详细的空 间姿态变化,还能获取桥梁结构的变形信息。 石砌拱桥,位于某矿区铁路桥煤柱二块工作面、08201 · 189 · 总第520期 金 属 矿 山 2019年第10期 2 . 2 外业数据采集 三维激光扫描外业数据采集流程与传统测量类 似,包括制定观测方案、实地踏勘选点、高精度控制 [14-15] 测量、三维激光扫描等 。 (1)制定观测方案。扫描前根据相关资料,了解 现场地理环境及工作面实际开采情况,确定地表下 沉影响边界,选取影响边界以外的控制点作为每次 [ 16] 扫描的基准点 。 (2)实地踏勘选点。根据现场情况,选取沉陷区 域以外的稳定区域布设控制点,由于扫描角度及遮 挡的原因,沿桥梁两侧及桥面共布设了 6 个扫描站, 目的是完整采集桥墩、桥面、桥拱等结构的信息。 (3)控制测量。控制网采用闭合导线形式布 设,按照三等导线精度进行观测,采用徕卡 TM30 测 量机器人(测角精度为 0.5 s,测距精度为 1 mm± -6 ×10 )对控制点进行观测,控制网测量完毕后进行 [17] 1 简易平差等工作 。 ( 4)三维激光扫描。由于现场条件限制,将扫描 2 . 1 外业扫描仪器精度 本研究外业监测数据采集使用Riegl VZ-1000三 数据采集与处理 仪架设在已知点上,在另一个已知点上布设标靶用 作后视,多站扫描之后获得观测对象的完整点云数 据。 2 维激光扫描仪,仪器主要的技术指标如表1所示。 2 . 3 数据预处理 外业数据采集完毕以后,由于数据量大、含有很 多噪声点,且每站点云坐标不统一,需要对数据进行 [ 18] 预处理,主要包括去噪、配准、分割等 。 (1)去噪。由于存在树木、植被遮挡以及行人、 车辆等原因,点云数据中会含有少量的离散点。为 降低这部分噪声点对后续数据处理的影响,需要将 这部分噪声点剔除。 Riegl VZ-1000 三 维 激 光 扫 描 仪 标 称 精 度 为 2 mm/100 m,本研究扫描仪与铁路桥的直线距离约 5 m,铁路桥整体测量距离为 5~50 m,测量误差约 2 1 ( 2)配准。在扫描时,每站扫描数据都处于仪器 mm,较常规的全站仪、GPS 等具有更高的精度,满足 桥梁变形监测要求。 自身的坐标系中。本研究采用后视定向方式将点云 · 190 · 顾元元等:矿区桥梁变形监测的三维激光扫描技术 2019年第10期 转换至大地坐标系,后视定向方法本质上也是利用 标靶拼接方式,Riscan Pro 软件还提供了一种精配准 方式。该功能基于点云数据生成一定数量的光斑平 面,调整各期相同光斑平面法向量的夹角达到最小, 墩提取3根水平棱线,统计斜率k的变化情况,结果见 表4。 [19] 从而使得各期点云达到最高配准精度 。 ( 3)分割。由于三维激光扫描初扫是 360°全方 位扫描,而且扫描距离约1 km,会采集到大量的冗余 [ 20] 数据,需要从中分割出有用数据 。 3 桥梁变形监测 3 . 1 水平移动及下沉值提取 在 Riscan Pro 软件中提取两期桥墩相同部位的 点云,经过间隔为0.01 m重采样之后,计算桥墩重心 [21] 的变化信息 ,结果如表2所示。 # 由表2可知:1 墩沿水平方向移动48 mm,竖直方 由表4可知:水平斜率接近0,证明桥梁在横桥向 上几乎是水平的。由于铁路桥宽度为 4.5 m,斜率差 与宽度的乘积可视为左右两侧在竖直方向上下沉差, # 向上下沉 290 mm;2 墩沿水平方向上移动 46 mm,竖 直方向上下沉 289 mm;桥梁顺桥向两端发生不均匀 沉降,沉降差为9 mm,由桥墩下沉计算的顺桥向倾斜 值为0.81 mm/m。 # # 1 墩位置左右下沉差为 8.39 mm,2 墩左右下沉差为 # 20.08 mm,即桥梁在横桥向整体向南倾斜,1 墩位置倾 在扫描期间,使用高精度全站仪测量了铁路桥 首尾两端的两个控制点,结果如表3所示。 # 斜量为 1.86 mm/m,2 墩位置倾斜量为 4.46mm/m。可 # # 见,2 桥墩倾斜量大于 1 桥墩,桥梁在一定程度上发 生了扭曲。 3 . 3 顺桥向数据分析 用同一平面沿横桥向中轴线在首末两端边跨起 始位置截取厚度为 0.045 m 的切片,两平面相距 40 m,沿竖直方向选取同一位置的点,测量各自的下沉 值,结果如图5所示。 对比表 2、表 3 可知:由于控制点位置远离桥墩, 因此水平移动相差 5 mm,在竖直方向上相差 4 mm, 与点云拟合得出的桥墩变形情况保持一致。 3 . 2 横桥向数据分析 由于铁路桥长度(48.6 m)远大于宽度(4.5 m),沿 横桥向采用直线方程拟合。由于坐标系 X 轴沿顺桥 向方向,因此将提取的桥墩棱线投影至YZ面上,使用 二维直线方程 y = kx + b 拟合棱线。由于直线点云是 线性的、均匀的,所以利用两点式的直线方程式进行 线性插值。图 4 所示用线性插值逼近的方法拟合棱 线1的结果,拟合的均方根误差为1.145 mm。每个桥 由图 5 可知:桥梁左侧部分下沉均值为 295.6 · 191 · 总第520期 金 属 矿 山 2019年第10期 mm,标准差为 3.978 mm,右侧部分下沉均值为 324 mm,标准差为 2.47 mm,下沉值在均值附近上下波 动,具有偶然性和随机性,在误差理论上属于偶然误 差;下沉差为28.4 mm,即桥梁右侧下沉大于左侧,最 大下沉量位于桥梁右侧边跨起始位置,为324 mm,顺 桥向倾斜值为0.71 mm/m,倾斜角度与水平方向的夹 角约2.5″。 基变形值小于 2 mm,在扫描仪精度范围内可以忽略 不计。在监测的时间范围内桥梁加固达到了预期效 果,桥梁结构能够保持一定的稳定性。 参 考 文 献 [ 1] 邓咯中,谭志祥,姜 中国矿业大学出版社,岩20,1等4..变形监测及沉陷工程学[M].徐州: Deng Kazhong,Tan Zhixiang,Jiang Yan,et al.Deformation Monitor⁃ ing and Subsidence Engineering[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology Press,2014. 3 . 4 桥梁结构变形 为监测铁路桥自身结构变形,在每一期数据上 沿桥梁侧面切下厚度为0.45 m的切片,利用特征点将 两期桥梁侧面数据对齐,以便进行比较。将第一期 桥侧面点云,即2018年4月采集的点云封装成面,与 第二期侧面点云数据比较,结果如图 6 所示,标准偏 差为4.3 mm。 [2] 余鸿儒,王佐才,段大猷,等.基于应变监测的桥面板弯曲变形测 量[J].安徽建筑,2019,26(3):151-154. 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