黃紹維 工程師/台灣世曦空資部
陳彥貝 工程師/台灣世曦BIM整合中心
焦子銘 工程師/台灣世曦BIM整合中心
楊定國 計畫工程師/台灣世曦空資部
顏俊銘 主任/台灣世曦嘉南工程處
盧祥偉 副理/台灣世曦BIM整合中心
林曜滄 土木技師/代理副總經理/台灣世曦
一、前言
營建工程屬高危險性作業，於工程全生命週期中落實職業安全管理系統，可有效地降低工安意外發生的頻率。透過工程監測的手法，可監控不確定因素所帶來的災害。常見的方式，包括於規劃設計階段分析後，所評估的允許變形值，在施工中使用不同的監測資料，來管控工程是否符合安全，過去以人工測量方式取得監測資料，以經緯儀、水準儀量測空間變化值；大地開挖工程常使用傾度管、支撐應變計、鋼筋計、水壓計等，監控較不確定因素所帶來的地盤變化。隨著科技日新月異，以二維(2D)資訊影像，進行影像辨識進行監測管理，在多數工地皆可見到其蹤跡。近年來三維(3D)資訊影像的發展，透過三維點雲來源與組成技術之準確度，以及使用高精密雷射掃描儀，有效地降低過去人工測量所帶來的人為誤差、儀器誤差，將工程監測技術顯著地躍升了一大步。
應用案例，係於台南市區鐵路地下化工程計畫(以下簡稱南鐵計畫)，南鐵計畫擋土形式，主要使用連續壁(深度介於30-35米)，搭配擋土支撐(本標5撐6挖)以穩定土壤以及壁體，並分別於連續壁內和土壤中設置傾度管，以每2日一次之頻率，透過自動化監測系統，監測其變位量，而人工經緯儀測量，則於每階支撐架設完成與拆除支撐完成後，檢測其連續壁變位。經引入三維點雲技術，監測開挖工程拆撐後(完成筏式基礎底板並拆除3、4階支撐)連續壁體之變位量，相較於人工採經緯儀屬單點測量，光達掃描可較全面的了解整體連續壁之變位情形，由「點」位移量擴展為「面」的變形量觀測，達到更佳的監測成果。
二、設計容許變形值
本案例擋土連續壁之混凝土設計強度為280 kgf/cm2，深度為33M，厚度為1M，採逐階拆撐方式，完成地下結構體，經RIDO分析方法，支撐使用TYPE B1形式。使用三維點雲技術，監測連續壁體之示範位置於UK357+759~UK357+786.8，在完成筏式基礎頂板，拆除第三、四階支撐後，其容許變位值應為33mm，壁體彎矩值134.69 T-M/M，此處採用經緯儀，控制點高程為E.L.=5.0M（地表下-12.0M)，詳細計算書如表1。
表1 TYPE B1開挖擋土結構計算
三、經緯儀量測
為監測在移除後連續壁體之變位情形，以每20m間距，設置觀測點，詳細點位如圖1。於拆除第三、四階支撐前，量測初始值，並於移除後進行2次量測(圖2)。其東西向變位量介於+1~-19mm；垂直高程最大沉陷量為2mm，皆在設計允許變位值內，安全無虞。
圖1 觀測點位置圖
圖2 經緯儀量測圖
四、自動化監測系統工程監測
本工程透過每2日一次的自動化監測系統，來監測連續壁之變位情形，以間距100M於壁體內，以及壁體外土中設置傾斜管，SID-4設置位於與本示範場域之連續壁最為鄰近，於施工期間計算最大累積變化量(mm)，警戒值和行動值分別為±24.81mm、±34.87mm，本月最大累積變化量如表2，於第三、四階支撐高程介於9-12m處，變位值為6.848mm，符合安全範圍內。
表2 傾斜儀(擋土壁體內 SID-04-X向位移量)
五、三維光達雷射掃描
三維光達雷射掃描為一種透過影像擷取，來獲得三維空間點雲資料的測量技術；不同於傳統測量之儀器，有觀測範圍的限制，觀測一次僅能獲得單點資料。光達雷射掃描，為空間上進行「面」的觀測，測距可達800M，精確度可小於5mm，達到更全面的量測。本標使用RIEGL VZ-400i 超高性能3D雷射掃描儀，儀器具備兩個高效能處理器，獲取掃描數據後，處理器一可進行位置估計(使用GNSS/IMU/環境傳感器)，接著處理器二將掃描數據轉換為RIEGL數據庫後，做即時MTA分析，並自動線上拼接，流程如圖3所示。常見應用於土木工程、城市建模、監測、建築資訊模型(BIM)等。
圖3 自動拼接流程圖
光達雷射掃描之位置，共計14個掃描站數，分別於第三、四階拆除支撐前後進行兩次光達掃描，各次單點掃描，採點雲套疊經度校正，以確保各站點雲精度不影響變位數值，點雲精度介於2~3mm，掃描站位置如圖4。另使用4個地面控制點，設置為已知座標，以進行點雲座標轉換，將點雲模型建立在TWD97座標系統下，點雲模型之絕對精度為0.0049m。接著進行兩期資料變位分析，將點雲資料透過體素分析(3D Voxel Analysis)，轉換為三維網格資料，以色調方式呈現連續壁體體的變位程度，變位值介於-0.01m~0.01m，顏色以藍色系至紅色系表示，變位數值小於-0.01m為綠色，大於0.01m則呈現桃紅色，圖5為使用三維光達掃描之現況圖。
圖4 掃描站GPS位置圖
圖5 光達掃描現況圖
現況圖中兩期資料顯示，第三、四支撐已拆除(圖7)，並在牆面上新增鋼筋與貼上防水布，網格資料結果於拆支撐區呈現桃紅色，表示變位值大於1cm，圖9為未拆支撐區變位均小於1cm，色調為黃色與藍色，圖8中紅色方框於拆撐前後之現況如圖10、11，原支撐區上方於突起物(圖12)，拆撐後已將突起物處理並貼上防水布(圖13)，因此變位小於-1cm，呈現綠色(圖8中白色圓圈處)。
圖6 未拆除第三、四階支撐
圖7 拆除第三、四階支撐(貼上防水布)
圖8 三維網格資料(東側連續壁)
圖9 三維網格資料(西側連續壁)
未拆除支撐東、西側連續壁，牆面被結構物遮擋(圍苓)，僅有表面結構物點雲資料，支撐系統已拆除，因此整體而言，此處變位為負值，小於-1cm，呈現綠色，東、西側連續壁均有相同之結果，三維光達技術為高精度之量測技術，將點雲資料轉換為網格資料後，搭配現況照片再進行變位結果之研判，以釐清判讀之盲點。
圖10 未拆除第三、四階支撐(彩色點雲)
圖11 拆除支撐後，貼上防水布(彩色點雲)
圖12 牆面突起物(彩色點雲)
圖13 清除牆面突起並貼上防水布(彩色點雲)
透過分析網格資料，讀得兩時期體素(voxel)資料變化量，相較於傳統測量採單點觀測，快速地獲取影像資料，在開挖工程時，於拆除支撐解壓階段，即時的監控「整個連續壁面」的變位情形，可全面性地了解壁體潛在的風險，一旦變位超過設計容許值，針對該處立即進行改善，大幅地降低開挖工程失敗的機率。
六、結語
南鐵計畫於土方開挖及結構體施作期間，使用三維影像處理辨識監測連續壁體於拆除支撐前後之壁體變位情形，能更周全地監測連續壁面的變化，不但可提高變位可信度，亦可透過光達影像技術，使監測成效及品質成果能有效地提升。
本案例三維光達雷射掃描，係應用人力蒐集場址點雲，故監測頻率會受人力限制，掃瞄週期相對較長。本研究下一步，擬引入自動化設備，如應用於工地的AGV（無人搬運車）、或越障型機器人（輪型、人型或四足型）。以週期性蒐集空間資訊，再應用自動4D點雲模型比對，分析場址變位趨勢。透過4D變位趨勢分析，讓工程師能快速掌握工地狀態判斷情勢，場址安全就能進一步獲得提升，對營建產業導入科技創新應用，再增添未來成果可期應用的深度與廣度。
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載；未經允許請勿任意轉載】
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