基于視頻監(jiān)測的沖孔灌注樁斜巖判別技術(shù)研究

張金龍

（中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司 蘭州730030）

0 前言

巖溶地帶復(fù)雜多變的地質(zhì)條件給工程帶來很大的工程難題，巖溶處理不當(dāng)，往往會造成嚴(yán)重的工程事故。近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，土地供應(yīng)日顯不足，高層建筑作為高效利用土地的構(gòu)筑物，其發(fā)展規(guī)模逐漸壯大。隨著建筑物高度的升高，對地基承載力的要求也逐漸提高，大部分都采用樁基礎(chǔ)，以提供強(qiáng)大的承載能力。而在巖溶地帶采用樁基礎(chǔ)，并采用傾斜巖面作為持力層，樁端承擔(dān)的荷載會很大，從而造成樁基沉降過大導(dǎo)致事故等，同時(shí)，在進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的施工事故，因此，近年來，不少學(xué)者對巖溶區(qū)斜巖地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)的施工進(jìn)行研究。

王澤林等人［1］研究了斜巖條件下大直徑嵌巖樁的施工方法；郭鈺鋒［2］基于武廣客運(yùn)專線重點(diǎn)工程，總結(jié)了水中地質(zhì)為裸露強(qiáng)風(fēng)化斜巖的樁基施工方案；凌勁［3］通過有限元數(shù)值模擬分析，研究了斜巖條件下樁基礎(chǔ)的承載力特性；徐華［4］基于對巖溶地帶沖孔灌注樁施工方法的探討，確定了在巖溶地質(zhì)條件下，沖擊鉆更為合適的使用方法；黃永偉等人［5］基于喀斯特地貌下沖孔灌注樁施工中出現(xiàn)的施工問題，總結(jié)了更為有效的沖孔灌注樁施工管理方法；歐陽柱［6］通過分析巖溶地帶不良地質(zhì)條件下樁基礎(chǔ)的質(zhì)量問題，并總結(jié)出解決樁基礎(chǔ)質(zhì)量缺陷的多種方法；鞏明等人［7］研究了高強(qiáng)斜巖地質(zhì)條件下，潛孔鉆輔助鉆孔灌注樁施工的方法。

經(jīng)工程建設(shè)實(shí)踐可知，巖溶地帶巖面地層情況復(fù)雜，巖面層多出現(xiàn)傾斜狀態(tài)，在傾斜巖面上進(jìn)行沖孔灌注樁施工時(shí)，容易出現(xiàn)如偏孔、卡錘、塌孔等工程問題，導(dǎo)致施工進(jìn)度停滯不前、施工成本隨之增大等問題。目前，對于巖溶地帶傾斜巖面的研究僅有少數(shù)。在實(shí)際施工過程中，施工現(xiàn)場的沖孔灌注樁斜巖的判斷需依靠人工全過程實(shí)時(shí)監(jiān)測，存在人工判斷不準(zhǔn)確、不及時(shí)等問題，且發(fā)現(xiàn)斜巖后，需進(jìn)行人工測量并計(jì)算得到斜巖的傾斜角度，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，人工成本高，施工效率低。

1 基于視頻監(jiān)測斜巖判別方法介紹

在巖溶地帶進(jìn)行沖孔灌注樁施工，遇到斜巖時(shí)，隨沖錘沖進(jìn)樁孔的鋼絲繩會發(fā)生斜向抖動(dòng)、偏位，且有明顯振幅，當(dāng)斜巖未能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)時(shí)，易出現(xiàn)斜孔、塌孔等現(xiàn)象。因此，需要應(yīng)用視頻監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測沖孔灌注樁的施工過程，并判斷是否存在斜巖及其角度，但是由于視頻所監(jiān)控的鋼絲繩偏位情況較難捕捉，因此需要在鋼絲繩上安裝反光條，提供更為明確的跟蹤目標(biāo)，便于視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)對圖像進(jìn)行處理?；谝曨l監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁施工過程中遭遇斜巖的判別流程如圖1所示。

圖1 “兩點(diǎn)一線”結(jié)構(gòu)模式Fig.1 “Two-point and One-line”Structure Pattern

視頻圖像處理過程：視頻圖像灰度化?視頻圖像直方圖均衡化?視頻圖像降噪處理?視頻圖像目標(biāo)邊緣監(jiān)測?視頻圖像分割處理。

1.1 視頻圖像處理

本文提出的視頻監(jiān)測系統(tǒng)采用“兩點(diǎn)一線”的結(jié)構(gòu)模式，通過實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控沖孔灌注樁施工過程，并將視頻信息以數(shù)據(jù)流的形式上傳至控制系統(tǒng)進(jìn)行視頻圖像處理。

1.1.1 視頻圖像灰度化

由于視頻監(jiān)測所采集的視頻圖像為彩色［8］，而彩色圖像的數(shù)據(jù)量相對較大，因此需要進(jìn)行灰度化處理。視頻監(jiān)控系統(tǒng)接收到視頻數(shù)據(jù)后，為提高控制系統(tǒng)對視頻圖像的處理效率，首先對視頻圖像進(jìn)行灰度化處理。

1.1.2 視頻圖像直方圖均衡化

視頻圖像經(jīng)灰度化處理后，需要進(jìn)行對比度強(qiáng)化處理，本文采用直方圖均衡化［9］的方法，強(qiáng)化視頻圖像中目標(biāo)與背景之間的對比度，即將視頻圖像的直方圖，由比較集中分布的灰度區(qū)域，通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為均勻分布的灰度區(qū)域。

1.1.3 視頻圖像降噪處理

監(jiān)控系統(tǒng)在采集視頻圖像時(shí)，圖像數(shù)據(jù)在傳輸過程中容易受到外部環(huán)境的影響，如噪聲的干擾等，導(dǎo)致視頻圖像信息發(fā)生畸變，可能影響對目標(biāo)的監(jiān)測，因而需要進(jìn)行視頻圖像降噪處理［10］。

1.1.4 視頻圖像目標(biāo)邊緣檢測

為了提高視頻圖像檢測效率，需要對視頻圖像進(jìn)行處理，提取監(jiān)測目標(biāo)的邊緣，圖像處理時(shí)，僅選定監(jiān)測目標(biāo)及其附近圖像進(jìn)行邊緣監(jiān)測。視頻圖像邊緣檢測［11］的具體實(shí)施步驟如下：

⑴濾波，視頻圖像的邊緣檢測主要基于求導(dǎo)計(jì)算，受降噪影響，視頻圖像的邊緣強(qiáng)度有所下降；

⑵目標(biāo)邊緣增強(qiáng)，利用算法將目標(biāo)區(qū)域中的灰度突出顯示；

⑶目標(biāo)檢測，通過篩選視頻圖像中目標(biāo)灰度幅值較大的點(diǎn)來完成；

⑷定位，更為準(zhǔn)確地確定目標(biāo)邊緣的位置。

1.1.5 視頻圖像分割處理

通過視頻圖像目標(biāo)邊緣檢測后，可對圖像進(jìn)行分割，并進(jìn)一步對目標(biāo)外的背景圖像進(jìn)行灰度化處理，從而極大地降低視頻圖像的數(shù)據(jù)量，提高視頻圖像處理效率。本文采用灰度閾值分割方法對視頻圖像進(jìn)行分割處理［10］，其原理為將輸入的視頻圖像f（a，b）到輸出的視頻圖像g（a，b）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換公式如下所示：

其中T為分割閾值；f（a，b）為輸入的視頻圖像在（a，b）處的灰度值；g（a，b）為輸出的視頻圖像在（a，b）處的灰度值，對于目標(biāo)的視頻圖像，g（a，b）取1，而視頻圖像中目標(biāo)外的背景圖像像素，g（a，b）取0。

1.2 斜巖傾斜角度判別計(jì)算原理

經(jīng)過視頻圖像處理后，得到了經(jīng)過分割的視頻圖像，監(jiān)控系統(tǒng)中對分割出來的目標(biāo)，即裝有反光條的鋼絲繩，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，主要監(jiān)測鋼絲繩的偏位情況，通過反光條的位置變化，判斷鋼絲繩的上升與下降距離，在反光條發(fā)生偏位時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)通過算法實(shí)時(shí)計(jì)算偏位位移及角度，并預(yù)測樁底斜巖的傾斜角度。基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁施工示意圖如圖2所示。

圖2 沖孔灌注樁斜巖視頻監(jiān)測簡圖Fig.2 Schematic Diagram of Video Monitoring ofDiagenetic Rock of Punched Cast-in-place Pile

傾斜角度的計(jì)算原理如下：通過布置2 臺不同方位的相機(jī)，同時(shí)對沖孔灌注樁施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確預(yù)測同角度方位斜巖，如圖3所示，為2臺相機(jī)監(jiān)測面與鋼絲繩偏位情況的幾何關(guān)系圖。

圖3 相機(jī)監(jiān)測面與鋼絲繩偏位幾何關(guān)系Fig.3 Geometric Relationship between the CameraMonitoring Surface and the Deviation of Wire Rope

反光條豎向位移及水平位移計(jì)算公式如下：

其中，Hji，xji分別為沖錘第i次沖進(jìn)后相機(jī)j監(jiān)測到反光條的豎向位移、水平偏位位移，其中j=1，2。反光條偏位角度計(jì)算公式如下：

其中，Hi，xi分別為沖錘第i次反光條的實(shí)際豎向位移、水平偏位位移。

由此得到反光條偏移角度θi為：

2 基于視頻監(jiān)測斜巖判別方法的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

廣州市某綜合交通樞紐開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊位于廣州市花都區(qū)，主要包括住宅樓、商鋪和相應(yīng)配套（幼兒園、派出所等），住宅樓高度81.8～97.8 m（至屋面），其他公建配套建筑高度均不大于24.0 m。本次詳細(xì)勘察階段為項(xiàng)目（二期）安置區(qū)地塊，建筑面積約為115 118 m2，共建設(shè)5 棟住宅樓，1 座幼兒園，暫定地上最高26～28 層，設(shè)地下室2 層，局部地下3 層。本工程結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅樓抗震設(shè)防為丙類，幼兒園抗震設(shè)防為乙類；基礎(chǔ)擬采用鉆（沖）孔灌注樁樁基礎(chǔ)，擬采用微風(fēng)化灰?guī)r作為基礎(chǔ)持力層，預(yù)估最大柱底軸力13 000 kN。

2.2 現(xiàn)場施工應(yīng)用

本項(xiàng)目沖孔灌注樁施工流程如圖4所示。

圖4 基于視頻監(jiān)測技術(shù)的沖孔灌注樁斜巖判別施工流程Fig.4 Construction Flow Chart of Slant Rock Discrimination of Punch in Pile Based on Video Monitoring Technology

2.2.1 現(xiàn)場裝置安裝

在沖孔灌注樁樁機(jī)附近放置2 臺相機(jī)，并將其固定于三腳架上，用于不同方位實(shí)時(shí)監(jiān)測沖孔灌注樁施工過程，在沖錘上方的鋼絲繩上等距安裝多條反光條，為相機(jī)提供明確的跟蹤目標(biāo)，并監(jiān)測沖錘沖進(jìn)深度。安裝多條反光條可防止第一條反光條隨沖錘沖進(jìn)后進(jìn)入樁孔后導(dǎo)致相機(jī)跟蹤目標(biāo)丟失?？刂平K端為平板電腦，由施工人員控制。相機(jī)與反光條裝置的安裝如圖5所示。

圖5 相機(jī)裝置及反光條安裝Fig.5 Camera Installation and Reflective Strip Installation

2.2.2 現(xiàn)場施工視頻圖像處理

完成現(xiàn)場裝置安裝后，開始沖孔灌注樁施工，根據(jù)沖擊錘遇到傾斜巖面時(shí)，鋼絲繩會發(fā)生傾斜抖動(dòng)的特點(diǎn)，相機(jī)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程，并實(shí)時(shí)將視頻數(shù)據(jù)通過無線連接傳輸至視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)中，進(jìn)行視頻圖像處理，視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 沖孔灌注樁施工視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)Fig.6 Video Monitoring and Control System for Punching Pile Construction

⑴沖孔灌注樁施工視頻圖像灰度化

將視頻圖像通過灰度化處理后，原視頻圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橛貌煌叶鹊燃壉硎镜幕叶葓D像，如圖7所示。

圖7 沖孔灌注樁施工視頻圖像灰度化處理Fig.7 Graying Processing of Video Image of Punch Filling Pile Construction

⑵沖孔灌注樁施工視頻圖像直方圖均衡化

對灰度化后的沖孔灌注樁施工視頻圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理后如圖8所示。

比較圖8?和圖8?可以發(fā)現(xiàn)，通過均衡化處理后，強(qiáng)化了目標(biāo)與背景之間的對比度。圖8?反映出灰度化視頻圖像的灰度值集中分布于的高值區(qū)間，其他的低值區(qū)間像素點(diǎn)分布較少。通過均衡化處理后，視頻圖像的灰度均勻分布，在整個(gè)灰度區(qū)間呈現(xiàn)出平均分布的趨勢，如圖8?所示。

圖8 沖孔灌注樁施工視頻圖像直方圖均衡化處理Fig.8 Histogram Equalization Processing of Video Images of Punch Filling Pile Construction

⑶沖孔灌注樁施工視頻圖像降噪處理

降噪結(jié)果如圖9 所示，對比圖9?與圖9?可看出，降噪后的視頻圖像相對平滑，且噪聲點(diǎn)減少。

圖9 沖孔灌注樁施工視頻圖像降噪處理Fig.9 Noise Reduction Processing of Video Image of Punch Filling Pile Construction

⑷沖孔灌注樁施工視頻圖像邊緣檢測

通過圖像邊緣檢測方法，得到目標(biāo)邊緣如圖10所示。

圖10 沖孔灌注樁施工視頻圖像目標(biāo)邊緣檢測Fig.10 Target Edge Detection in the Video Image of Punch Filling Pile Construction

⑸沖孔灌注樁施工視頻圖像分割處理

對沖孔灌注樁施工過程中背景與目標(biāo)進(jìn)行分割處理，視頻圖像分割如圖11所示。

圖11 沖孔灌注樁施工視頻圖像分割處理Fig.11 Video Image Segmentation Processing of Punch Filling Pile Construction

2.2.3 沖孔灌注樁施工斜巖實(shí)時(shí)監(jiān)測

視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并處理視頻中每一幀圖像的反光條，判斷鋼絲繩是否發(fā)生明顯偏位，并由控制終端通過智能算法計(jì)算反光條的豎向位移及偏位，從而計(jì)算出斜巖的傾斜角度，并根據(jù)反光條偏位情況判別是否存在沖孔灌注樁樁底是否存在斜巖。在斜巖傾斜角度超過15°時(shí)，視頻監(jiān)測控制系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警，停止沖孔灌注樁施工，施工人員根據(jù)預(yù)測的斜巖傾斜角度對樁底斜巖進(jìn)行處理，處理完成后繼續(xù)沖孔灌注樁的施工。在工程中選取4 根樁進(jìn)行測試，測試內(nèi)容為人工測量斜巖角度與視頻監(jiān)測技術(shù)測量角度結(jié)果對比，其中人工測量方法主要為利用量尺測量鋼絲繩偏移量以及測量樁深并計(jì)算對應(yīng)斜巖角度，對比結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，視頻監(jiān)測結(jié)果與人工測量結(jié)果基本一致，而在效率上，視頻監(jiān)測技術(shù)在斜巖判別上有明顯的優(yōu)勢。

表1 斜巖傾斜角度測量結(jié)果數(shù)據(jù)對比Tab.1 Comparison of Measurement Results of Inclined Rock Inclination Angle

3 結(jié)論

本文針對巖溶地區(qū)沖孔灌注樁施工過程可能遇到斜巖情況的特征，基于視頻圖像處理技術(shù)，建立了視頻監(jiān)測系統(tǒng)，對視頻圖像進(jìn)行灰度化、直方圖均衡化、降噪處理、目標(biāo)邊緣監(jiān)測以及分割處理，設(shè)置斜巖傾斜角度計(jì)算算法及自動(dòng)預(yù)警功能，實(shí)現(xiàn)了沖孔灌注樁斜巖的智能識別及智能化施工，節(jié)省了人力物力，提高了施工效率，為類似工程的斜巖判別及處理方法提供借鑒。