城市地下河箱涵結(jié)構(gòu)測(cè)繪技術(shù)研究

楊超斌，吳華勇，黃 帆，李慶海

（上海市建筑科學(xué)研究院，上海市200032）

0 引 言

城市河流、疏?；蚺潘韧ǖ莱嗣魍诤拥?，也常暗埋有地下河，地下河主體結(jié)構(gòu)常采用單箱單室或多室的密閉框架箱涵結(jié)構(gòu)形式[1]。

地下河箱涵結(jié)構(gòu)因?yàn)槠浒德竦膶傩?，在運(yùn)營(yíng)年限較長(zhǎng)后，其周邊環(huán)境與原始情況必然存在較大出入，尤其鄰近箱涵的保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)不可避免地存在非法搭建、不正當(dāng)施工現(xiàn)象，都會(huì)對(duì)箱涵的運(yùn)營(yíng)安全造成不利影響。為此需要對(duì)暗埋箱涵的地下準(zhǔn)確位置及走向、對(duì)應(yīng)的地上周邊環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪，排查可能影響箱涵正常工作的安全隱患，通過(guò)建模分析箱涵上部荷載變化情況，從而進(jìn)一步保證箱涵的安全使用。

為解決上述難題，需綜合運(yùn)用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量、RTK 測(cè)量、3D 掃描等先進(jìn)技術(shù)。文中依托典型的實(shí)際工程案例進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述，研究成果可為后續(xù)開(kāi)展此類(lèi)結(jié)構(gòu)測(cè)繪工作提供一定的參考借鑒依據(jù)。

1 工程概況

上海市楊浦區(qū)楊樹(shù)浦港-虬江水系地下河箱涵段位于國(guó)定路和密云路之間，全長(zhǎng)2120 m，建于20 世紀(jì)80 年代，暗埋箱涵段為復(fù)旦大學(xué)校區(qū)地下的一條暗河，河水從東走馬塘流入涵洞，經(jīng)過(guò)箱涵匯入虬江。

暗埋段箱涵結(jié)構(gòu)形式為單箱三室鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1 所示。地下河箱涵已長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)了30 多年，材料老化、退化，加上污水對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期腐蝕侵害，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度的缺陷和損傷，特別是箱涵結(jié)構(gòu)的位置走向及其地面周邊環(huán)境的變遷應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的勘察測(cè)繪，以評(píng)定地形地貌的變化對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)受力的影響，綜合分析箱涵結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，從而分析評(píng)定結(jié)構(gòu)安全。

圖1 箱涵結(jié)構(gòu)橫截面（單位：mm）

2 主要技術(shù)手段和方法

2.1 無(wú)人機(jī)進(jìn)行周邊環(huán)境調(diào)查

通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)箱涵沿線(xiàn)的地形、地貌進(jìn)行實(shí)景建模，排查可能影響箱涵正常工作的安全隱患。通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)獲得箱涵沿線(xiàn)地表的三維影像數(shù)據(jù)，可量化分析箱涵沿線(xiàn)附近一定范圍內(nèi)地形地貌的變化，查看箱涵附近是否有工程施工等不利因素[2]。將箱涵上方的地物地貌建模后，可形成立體化的三維坐標(biāo)可視化數(shù)據(jù)，并結(jié)合箱涵結(jié)構(gòu)整體3D 掃描成果，對(duì)箱涵對(duì)應(yīng)地表的高程和覆土厚度進(jìn)行分析擬合，對(duì)箱涵的結(jié)構(gòu)受力分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的工作流程及詳細(xì)技術(shù)路線(xiàn)如圖2 所示。還應(yīng)輔以人工巡查方式，組建巡查小組，通過(guò)對(duì)箱涵沿線(xiàn)巡視，輔以拍照、攝像、記錄等方式對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，對(duì)存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)加以梳理分析，并重點(diǎn)排摸。

圖2 無(wú)人機(jī)外業(yè)飛行技術(shù)路線(xiàn)

2.2 暗埋箱涵結(jié)構(gòu)走向定位測(cè)量

2.2.1 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

導(dǎo)線(xiàn)控制網(wǎng)以箱涵工作井外GPS RTK 所測(cè)的控制點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，沿箱涵行進(jìn)路線(xiàn)布設(shè)一條導(dǎo)線(xiàn)，組成如圖3 所示的附合導(dǎo)線(xiàn)。

圖3 導(dǎo)線(xiàn)控制網(wǎng)示意圖

箱涵內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)需布設(shè)強(qiáng)制對(duì)中臺(tái)，高度約1.8～2.0 m，相鄰對(duì)中臺(tái)之間間距約50 m，對(duì)于全長(zhǎng)2120 m 的箱涵段約布設(shè)42 個(gè)強(qiáng)制對(duì)中臺(tái)。

實(shí)地布設(shè)時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：一是相鄰點(diǎn)間通視良好，便于測(cè)角和量距，即確保每一個(gè)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)與相鄰導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)通視，以便后視定向、校核；二是點(diǎn)位應(yīng)布設(shè)強(qiáng)制對(duì)中臺(tái)，做好標(biāo)志，便于安置儀器；三是導(dǎo)線(xiàn)相鄰邊長(zhǎng)之比不宜大于1∶3；四是導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)應(yīng)有足夠的密度，分布較均勻，便于控制整個(gè)測(cè)區(qū)。

2.2.2 外業(yè)觀(guān)測(cè)

由于測(cè)量作業(yè)區(qū)域的特殊性，以及為了合理安排作業(yè)時(shí)間，導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量分兩部分觀(guān)測(cè)：一是箱涵工作井外地面控制測(cè)量，在每個(gè)箱涵工作井外設(shè)置2～3 個(gè)地面控制點(diǎn)，采用GPS RTK 方法施測(cè)。導(dǎo)線(xiàn)觀(guān)測(cè)前，預(yù)先解算地面GPS 控制點(diǎn)之間的邊長(zhǎng)，施測(cè)過(guò)程中首先用全站儀檢驗(yàn)控制點(diǎn)的精度，滿(mǎn)足要求后進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量。注意在觀(guān)測(cè)中，必須觀(guān)測(cè)GPS 控制點(diǎn)間的連接角和連接邊，作為傳遞坐標(biāo)方位角和坐標(biāo)之用。二是箱涵內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，待進(jìn)入箱涵作業(yè)后，從第一個(gè)工作井外地面控制點(diǎn)起沿箱涵測(cè)至下一工作井地面控制點(diǎn)。箱涵內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)全部設(shè)置在強(qiáng)制對(duì)中臺(tái)上。

2.3 箱涵內(nèi)部三維掃描

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，為信息數(shù)字化發(fā)展提供了必要的生存條件。三維激光掃描技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒(méi)有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)[3]。

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)箱涵的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、建模，以此來(lái)量化箱涵的空間尺寸。采用三維激光掃描技術(shù)還可對(duì)箱涵表觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面數(shù)字化，包括精細(xì)化斷面和激光影像數(shù)據(jù)。

為了將所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)及影像資料統(tǒng)一至上海城市坐標(biāo)系，具體施測(cè)時(shí)采用APM 絕對(duì)定位法。該定位法使用帶兩個(gè)棱鏡的特制基座和一個(gè)球形棱鏡進(jìn)行組合定位，使用一臺(tái)全站儀在掃描的同時(shí)跟測(cè)三個(gè)棱鏡?，F(xiàn)場(chǎng)工作情況如圖4 所示。

圖4 APM 定位法作業(yè)示意圖

掃描完成后，可在TMSOffice 軟件中直接使用三個(gè)棱鏡的空間坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的批量配準(zhǔn)。APM 定位法的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)業(yè)拼接工作簡(jiǎn)單，外業(yè)工作需要一臺(tái)全站儀配合。

3 測(cè)繪成果

通過(guò)無(wú)人機(jī)航拍測(cè)繪，結(jié)合箱涵結(jié)構(gòu)整體3D掃描成果，對(duì)箱涵對(duì)應(yīng)地表的高層和覆土厚度進(jìn)行分析擬合，同時(shí)對(duì)箱涵邊界的建筑物侵入情況進(jìn)行分析。

本次測(cè)繪以松花江路與政修路路口為起點(diǎn)，里程設(shè)為0，終點(diǎn)位于國(guó)定路和政民路路口，里程約2000 m，全景如圖5 所示。

圖5 箱涵與周邊環(huán)境全景

圖6 楊浦地下河箱涵頂部高程及地表地物高程對(duì)比曲線(xiàn)圖

根據(jù)地表航拍數(shù)據(jù)和箱涵3D 掃描數(shù)據(jù)分析，可以得到箱涵地表高程、箱涵頂板高程和箱涵覆土厚度數(shù)據(jù)。通過(guò)周邊環(huán)境調(diào)查和箱涵測(cè)繪結(jié)果可以看出，箱涵段主要下穿政修路、復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué)、政肅路、邯鄲路、復(fù)旦大學(xué)，上方地表主要為城市交通道路、居民樓、綠化空地，地表標(biāo)高平均高程約為4.76 m，箱涵覆土厚度在0.9～2.3 m。箱涵在地面的投影位置主要與7 幢建筑、2 處綠化空地發(fā)生交叉，其中里程500～550 m 附近的4 號(hào)建筑上海有聯(lián)華宸酒店公寓頂部高程達(dá)25.2 m。目前發(fā)現(xiàn)正在施工的項(xiàng)目?jī)商?，后續(xù)應(yīng)持續(xù)關(guān)注箱涵的病害開(kāi)展及變形情況，關(guān)注后期施工是否存在堆載、卸載等工況（見(jiàn)圖6）。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中依托某城市地下河暗埋箱涵段結(jié)構(gòu)測(cè)繪實(shí)際工程案例，詳細(xì)闡述了該類(lèi)地下結(jié)構(gòu)測(cè)繪的技術(shù)方法、實(shí)施流程及成果。匯總主要研究成果包括如下幾個(gè)方面：

（1）采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)箱涵的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、建模，以此來(lái)量化箱涵的空間尺寸，還可以檢測(cè)結(jié)構(gòu)的表面損傷。采用三維激光掃描技術(shù)可對(duì)箱涵表觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面數(shù)字化處理，包括精細(xì)化斷面和激光影像數(shù)據(jù)，為箱涵的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、維護(hù)管理提供高效的全面檢測(cè)和分析手段。

（2）通過(guò)無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)箱涵沿線(xiàn)的地形、地貌進(jìn)行實(shí)景建模，排查可能影響箱涵正常工作的安全隱患，并結(jié)合箱涵結(jié)構(gòu)整體3D 掃描成果，對(duì)箱涵對(duì)應(yīng)地表的高程和覆土厚度進(jìn)行分析擬合。

（3）導(dǎo)線(xiàn)控制網(wǎng)以箱涵工作井外GPS RTK 所測(cè)的控制點(diǎn)為起算數(shù)據(jù)，在每個(gè)箱涵工作井外設(shè)置2～3 個(gè)地面控制點(diǎn)，沿箱涵行徑路線(xiàn)布設(shè)一條導(dǎo)線(xiàn)，采用GPS RTK 方法施測(cè)。施測(cè)過(guò)程中首先用全站儀檢驗(yàn)控制點(diǎn)的精度，滿(mǎn)足要求后進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量，從而完成地下河暗埋箱涵結(jié)構(gòu)的位置走向準(zhǔn)確測(cè)繪。

（4）航空攝影測(cè)量、RTK 測(cè)量、3D 掃描等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目的綜合運(yùn)用，成功解決了相關(guān)工程技術(shù)難題，可為后續(xù)開(kāi)展此類(lèi)結(jié)構(gòu)測(cè)繪工作提供一定的參考借鑒依據(jù)。