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研究生:王益嘉
研究生(外文):WANG,I-CHIA
論文名稱:三維雷射掃描技術應用於鋼板樁安全檢測
論文名稱(外文):Three-dimensional Laser Scanning Technology and Application in Safety Monitoring of Steel Sheet Pile
指導教授:趙鳴趙鳴引用關係
指導教授(外文):CHAO,MIN
口試委員:林冠洲陳振華趙鳴
口試委員(外文):LIN,KUAN-CHOUCHEN,CHENG-HUACHAO,MIN
口試日期:2020-07-16
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:營建工程研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:三維雷射掃描點雲圖鋼板樁安全監測數據模型
外文關鍵詞:3D laser scanningpoint cloud imageSteel sheet pilesafety monitoringdata model
DOI:3908078apple
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基坑破壞往往給周圍帶來嚴重不良影響,如影響附近管線的正常使用,坑內工程樁的傾斜,附近房屋的開裂,特別是由於整體失穩導致地下結構部分不能正常施工。因此需要對支撐系統與擋土壁的受力、鄰房的沉陷與傾斜、土壤的穩定、地下水位的變化等進行謹慎的監控,確保在安全之情況下進行。
3D雷射掃描器為近年來所發展的一項能夠紀錄空間資訊的新工具,隨著科技的提升為年年的持續增長,三維雷射掃描儀也不同於以往的舊型掃描儀,在操作上簡易使用,其精度也越來越高,所獲得的數據 (稱之為點雲圖) 也較為清晰 ; 三維雷射掃描儀除可自動化的360度掃描,無限制的旋轉各個角度,亦可拍攝,並不再只侷限於一個範圍內,可幫助後續處理點雲數據時更加快速、精準。儀器容易攜帶,對於掃描數據能藉由WIFI 遠端操控儀器來下載並查看,針對施工時的監測,記錄變化過程,決定應對措施。
為確保施工安全,乃經由安全監測系統之建立,在施工期間隨時進行壁外傾斜管觀測,並立即執行回饋分析,以維護基礎開挖及施工之安全。利用FARO-Focus3D S120 3D掃描儀針對基地鋼板樁進行掃描,依據所記錄之點雲資料,建立數值模型,探討3D掃描儀掃描的數據模型與壁外傾斜管觀測數據之差異。
本研究方法,經現地實證結果確認可對掃描範圍全面進行多切面,取得相關重要點位資料,能使鋼板樁變位量完整呈現,立即執行回饋分析,能確保基礎開挖之安全,因此可做為現行基礎開挖工程中一項具體可行的技術方案。

The damage of foundation pit always makes a negative impact on the surroundings, such as affecting the normal use of nearby pipelines, tilting the engineering piles in the pit and cracking the nearby houses. Especially, because of the overall instability, the underground structure cannot be constructed normally. Therefore, it is necessary to monitor carefully the support system, load-carrying capability of bulkhead, subsidence and tilt of neighboring buildings, soil stability and the change of groundwater level and ensure they are conducted in a safe condition.
The 3D laser scanner has been developed recently and become a new tool to log space information. With the yearly advanced development of technology, the 3D laser scanner is totally different from old scanners. It is easier to use, better precision, and its data (so-called point cloud images) is clearer. The 3D laser scanner not only has automatic 360-degree scanning and ultimate rotation control, but also consists of photographing function that doesn’t limit to a certain range, helping to process the point cloud data more precisely and rapidly. Easy to carry, the scanned data in this machine can even be downloaded and checked by WIFI remote control equipment, recording any changes in construction while monitoring so that relevant measures can be performed.
In order to ensure the construction safety, the safety monitoring system is established. During the construction, the inclinometer casing on the outside of the wall is observed, and the feedback analysis is carried out immediately to keep the safety of foundation excavation and construction. FARO S120 3D Laser Scanner is used to scan the sheet piles of the foundation. According to recorded point cloud data, the numerical model is constructed to discover the difference between the data of numerical model and the inclinometer casing on the outside of the wall by using the 3D scanner.
The research method of this study is confirmed by the empirical results to conduct multiple-faceted scan range and acquire essential position data. In this way, the displacement of steel sheet piles can be shown completely and the feedback analysis can be carried out immediately to ensure the safety of foundation excavation. Therefore, it can be a feasible concrete technical solutions of current foundation excavation engineering.

目錄
中文摘要 ii
Abstract iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xi
第 1 章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-1-1 研究背景 1
1-1-2 研究動機 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究架構與內容 2
1-4 研究流程 3
第 2 章 文獻探討 4
2-1 深開挖分析 4
2-1-1 前言 4
2-1-2 底面剪力破壞 4
2-1-3 上舉力破壞 5
2-1-4 擋土壁的變形 6
2-1-5 地表沉陷 6
2-1-6 對環境的影響 7
2-1-7 鋼板樁在深基坑工程中的應用 8
2-1-8 鋼板樁圍堰在工程中的應用 8
2-2 三維雷射掃描 9
2-2-1 逆向工程(Reversed Engineering) 9
2-2-2 三維雷射掃描介紹 10
2-2-3 何謂點雲資料 11
2-2-4 三維雷射掃描的應用 11
2-3 小結 13
第 3 章 本研究基地環境與其工程概要 14
3-1 基地環境 14
3-1-1 基地調查點、高程及地層柱狀圖 14
3-1-2 地下水文 15
3-1-3 現地標準貫入試驗 15
3-1-4 土層資料 15
3-1-5 開挖區排水 16
3-1-6 臨時擋土設施 16
3-1-7 鋼板樁與支撐施工順序說明 20
3-2 安全觀測 21
3-2-1 擋土牆變形及傾斜觀測 21
3-2-2 擋土牆壁體支撐應變計觀測 24
3-2-3 鄰近建築物與道路沉陷觀測 26
3-2-4 鄰近建築物之傾斜觀測 26
3-2-5 基地內隆起桿觀測 26
3-2-6 觀測井避免破壞 27
3-3 小結 28
第 4 章 本研究案例之三維雷射掃描計畫 29
4-1 掃描設備 29
4-1-1 儀器規格 29
4-1-2 掃描範圍 31
4-1-3 掃描理論與技術 32
4-1-4 雷射掃描儀的限制 33
4-1-5 共軛球擺放 33
4-2 處理點雲數據軟體 34
4-2-1 FARO SCENE軟體介紹 34
4-2-2 Autodesk ReCap軟體介紹 38
4-2-3 Autodesk ReCap研究方法 41
4-2-4 PointSense Heritage通過集成點雲進行快速三維建模 41
4-3 小結 42
第 5 章 傾斜觀測與三維掃描結果之分析 43
5-1 掃描作業流程 43
5-1-1 外業掃描作業 44
5-1-2 內業處理作業 44
5-2 案例地點 45
5-2-1 各階段壁外傾斜管量測數據 46
5-2-2 沉陷控制點量測值 50
5-2-3 各施工階段支撐應變計量測值 53
5-2-4 中間柱隆起點量測值 56
5-3 基地雷射掃描 57
5-4 點雲數據處理 60
5-5 壁外傾斜管數據與Lidar切面數據分析 69
5-6 小結 70
第 6 章 結論與建議 72
6-1 結論 72
6-2 建議 73
參考文獻 74
參考網站 75
附錄 77

表目錄
表 3 1 基地土層資料表 16
表 3 2 鋼板樁規格表 18
表 4 1 FARO Laser Scanner S120儀器的基本規格整理 30
表 4 2 FARO SCENE功能規格 35
表 4 3 Autodesk ReCap功能說明 40
表 5 1 沉陷控制點量測值 (S1-S9) 51
表 5 2 沉陷控制點量測值 (S10-S18) 52
表 5 3 支撐系統量測值 (VG-101~ VG-106) 53
表 5 4 支撐系統量測值 (VG-201~ VG-206) 54
表 5 5 支撐系統量測值 (VG-301~ VG-306) 55
表 5 6 中間柱隆起點量測值 (H-1~H-9) 56
表 5 7 中間柱隆起點量測值 (H-10~H-18) 56
表 5 8 SO-1點 Lidar與壁外傾斜管量測值差異約<0.4cm 69
表 5 9 SO-4點 Lidar與壁外傾斜管量測值差異約<0.1cm 70
附表 1 鑽探深度及取樣數量統計表 86
附表 2 編號S0-02傾斜管量測數據 87
附表 3 編號S0-03傾斜管量測數據 88
附表 4 編號S0-01傾斜管量測數據 89
附表 5 編號S0-04傾斜管量測數據 90

圖目錄
圖 1 1 研究流程圖 3
圖 2 1 上舉力破壞示意圖 5
圖 2 2 伴隨開挖所產生的擋土壁與地盤的變形 6
圖 2 3 開挖所引起地盤沉陷之型態 7
圖 3 1 基地鋼板樁近照 17
圖 3 2 基地鋼板樁施工照片 17
圖 3 3 基地怪手式震動機 17
圖 3 4 基地擋土支撐 19
圖 3 5 基地施工構台與擋土支撐 19
圖 3 6 鋼板樁施工順序說明圖 20
圖 3 7 傾斜管數值測讀器-1 21
圖 3 8 傾斜管數值測讀器-2 22
圖 3 9 Digitilt經典測斜儀系統 22
圖 3 10 Digitilt探頭 23
圖 3 11 重型控制電纜 23
圖 3 12 DataMate II讀數器 23
圖 3 13 DigiPro2 軟件 24
圖 3 14 支撐應變計量測 25
圖 3 15 GK-404 型振弦讀出器 25
圖 3 16 道路沉陷點觀測 26
圖 3 17 水位觀測井量測 27
圖 3 18 水位觀測井量測儀器 27
圖 4 1 FARO Focus3D S (資料來源:FARO) 31
圖 4 2 掃描視野360度圖示 31
圖 4 3 掃描理論 32
圖 4 4 掃描原理相位差法圖示 32
圖 4 5 平面圖規劃站位 33
圖 4 6 SCENE軟體介面與實際掃描物件 35
圖 4 7 移動對象過濾 37
圖 4 8 ReCap 軟體介面與實際掃描物件 39
圖 4 9 Autodesk ReCap支援掃描資料格式 40
圖 5 1 掃描作業流程圖 43
圖 5 2 觀測系統平面配置示意圖 45
圖 5 3 編號S0-02傾斜管量測曲線圖 46
圖 5 4 編號S0-03傾斜管量測曲線圖 47
圖 5 5 編號S0-01傾斜管量測曲線圖 48
圖 5 6 編號S0-04傾斜管量測曲線圖 49
圖 5 7 地表沉陷控制點示意圖 50
圖 5 8 共軛球放置位置平面示意圖 59
圖 5 9 創建欲處理放置用之專案 60
圖 5 10 將欲處理檔案拖移至 FARO SCENE中 61
圖 5 11 開啟預處理設定 61
圖 5 12 FARO SCENE中布置掃描 62
圖 5 13 FARO SCENE中進行優化布置 62
圖 5 14 多餘對象刪除前 63
圖 5 15 多餘對象刪除後 63
圖 5 16 創建點雲專案 64
圖 5 17 載入點雲資料 64
圖 5 18 載入點雲資料 65
圖 5 19 繪製切面參線 65
圖 5 20 執行切面指令 66
圖 5 21 輸入切面間格20公分 66
圖 5 22 輸入切面厚度1公分 67
圖 5 23 切面資料 67
圖 5 24 挑選所需切面 68
圖 5 25 對各別切面進行每50公分的點位資料獲取 68
附圖 1 基地地理環境示意圖 77
附圖 2 鑽孔位置示意圖 78
附圖 3 地層剖面圖 79
附圖 4 安全支撐平面配置圖 80
附圖 5 安全支撐立面圖 81
附圖 6 安全支撐詳細圖(一) 82
附圖 7 安全支撐詳細圖(二) 83
附圖 8 安全支撐詳細圖(三) 84
附圖 9 地表沉陷控制點示意圖 85


參考文獻
․中華民國大地工程學會編印(2001年)。中華民國內政部內營字第 9085629 號令頒佈,「建築物基礎構造設計規範」。
․台北市土木技師公會(2002年)。「實用開挖擋土支撐工程設計手冊」。
․陳永國(2004年)。「3D雷射掃描技術應用於隧道變形量測之研究」碩士論文,國立中興大學/土木工程學系。
․李學(2007年)。「鋼板樁支護結構的試驗研究與有限元分析」,碩士論文,天津大學/結構工程系。
․王美花(2008年) 。「鋼板樁支護的穩定性分析及經濟性研究」,碩士論文,中國石油大學/岩土工程系。
․中華民國內政部建築研究所(2008年)。「建築物基礎施工大地監測之作業準則」。
․中華民國/內政部營建署(2011年)。「建築物耐震設計規範」。
․簡茂洲(2012年)。擋土支撐之力學行為及側向變位量與管理值之關係,台北市土木技師公會。
․黃秀帆(2015年)。「三維雷射掃描應用於管線定位」,碩士論文,正修科技大學/營建工程系。
․邱顯晉、林金成(2015年)。電子計算機土木水利工程應用研討會「三維雷射掃描儀應用於鐵路隧道空間資訊與檢測之案例探討」。
․內政部營建署(2016年)。「建築技術規則建築構造編」,第65條。
․中華民國大地工程學會(2017年)。「建築物基礎構造設計規範」編修。
․林保宏、陳東均(2019年)。「BIM與雷射掃描於工程品管之應用-土木水利工程學刊,第31卷 第二期」。


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