基于沉降自动化监测系统在不良地质作用下的应用.pdf

91建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing基于沉降自动化监测系统在不良地质作用下的应用泽仁多吉1，张康财2，杨静2（1.西藏天路股份有限公司，西藏 拉萨 850005；2.中电建安徽长九新材料股份有限公司，安徽 池州 247099）摘要：以某市下穿既有地铁站的地下三层岛式地铁车站作为自动化监测方案的项目应用实例，简述了不良地质作用下沉降自动化监测系统的工作原理及核心算法，并提出了“基准角差分”的计算方法，相对准确地求得变形点的方位角。经实践测试，该监测方案及数据处理方法对类似工程的沉降自动化监测具有一定的参考意义和实用价值。关键词：沉降自动化监测；不良地质；下穿既有地铁；施工安全中图分类号：TP277；U416.1 文献标识码：A 文章编号：2096-3815（2023）04-0091-040引言随着城市轨道交通工程建设的快速推进，地铁车站基坑及区间隧道施工向纵深发展。轨道交通工程建设常常遇到各种复杂地质条件，一方面为保障施工安全，对监测技术手段提出了更高的要求；另一方面，受地铁沿线施工活动扰动的影响，地铁车站基坑及区间隧道可能会产生附加变形，由此产生一定的安全隐患1，因此在工程建设及运营过程中必须加强变形监测。当前，监测技术已由人工值守测量发展成了远程实时的自动化监测2-6，通过自动化监测系统，实现远程地对沉降、水平位移数据进行实时采集及信息化管理，从而尽可能地减少或避免工程灾害的发生。1自动化监测系统的构成及原理1.1系统的构成从整体上讲，自动化沉降监测系统由监测主体机器人（主要包括全自动高精度全站仪）、CDMA通讯模块、监测软件系统（WebMos）、数据处理专用服务器4部分构成。各组成部分相互关系如图1所示。图1自动化监测系统的主要构成部分1.2监测实现原理完整的监测流程主要由以下3步组成：（1）操作者远程通过WebMos监测系统的监控模块向现场监测机器人发出指令，监测机器人接收操作指令后，按照设置的测量程序及测量时间对变形点和校核点进行逐点扫描、记录、计算及自校，并将测量数据返回到监测服务器。通过Internet网络及DTU通讯模块来实现计算机与测量仪器之间的通讯，这样只92建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing需保证测试现场有CDMA（或GPRS）无线通信信号，即可实现远程对测量仪器进行实时操控。（2）监测软件系统通过调用监测服务器的数据库获得各监测点所测得的监测数据（包括平面及高程在内的三维变形量），并通过系统的数据分析模块对监测数据进行整理、计算与分析。（3）根据三维变形量值绘制变形时程曲线。1.3基准角差分的算法模型系统的算法模型是系统开发设计的核心7。在监测系统中，为提高监测精度，消除外界误差造成的影响，利用基准点坐标，采用MRDiff（Multiple Real-time Difference）多重实时差分技术求得各变形点的坐标变化量。（1）基准角的差分改正。在长期的监测过程中，由于列车运行、仪器微动等因素不可避免地会造成水平度盘零方向的变化，这对水平方位角的精准测量具有重要影响，因此须有效地消除这方面的测量误差。用0iJH表示基准方位角，用表示基准点其它周期测量所得的方位角，那么与基准方位角相比，存在方位角误差iH：0iiJJiHHH=式（1）如果仅仅求出多个监测基准点的平均值作为基准方位角，并不能准确反映这一差异，故本文提出了“基准角差分”，以相对准确地求得变形点的方位角。假设设置J1、J2、J33个基准点，则可以组成C23=3个基准角，可以依据下式求出每个基准角在2期观测中的变化值Hij：式（2）在3个基准角的变化值Hij中，通过对比，找出绝对值最小的角度，假设此角度为H13，那么仪器方位漂移的改正值即用此角度2个基准点的“方位角差异”（即H1、H3）的平均值表示。同时，在每个测量周期测得的方位角测量值PH中同步计入求得的“方位角差异”H，以求得误差较小的相对精准的方位角HP：HHHPP=式（3）（2）计算公式。综合以上基准角的差分改正方法，每周期各变形点的三维坐标可由以下公式计算求得：+=+=+=000sinsincoscoscosZVdZYHVdYXHVdXPPPPPPPP 式（4）式中：X0、Y0、Z0监测站的坐标值。若设（X1P，Y1P，Z1P）表示第1周期变形点的初始坐标值，则相比第1周期各测点的变形量为：=111PPPPPPPPPZZZYYYXXX 式（5）（3）精度分析。对式（5）进行微分运算，求得三维坐标测量的精度估算公式：式（6）根据elmert点位误差估计公式：222ZYXPmmmm+=式（7）即P点的点位中误差：式（8）基于以上的算法公式及误差处理公式，编写自动化监测软件的数据处理核心算法，自动计算各监测点的变形量。2自动化监测过程本文设计的自动化监测方案主要由以下3个过程组成：（1）建立监测控制网。确定监测的区域范围后，按照GB 509112013城市轨道交通工程监测技术规范及GB/T 503082017城市轨道交通工程测量规范要求，选取测量基准点，通过常规方法测得各基准点的平面坐标及高程，以隧道前进方向为北向，完成隧道内统一监测坐标系统的建立。（2）确定自动定位数据并调试系统。安装测量仪器及信息通讯模块后，进行基准点和监测点的远程监测测试，测试连接成功后，对监测系统进行调试。以基准点的3次观测测回测量值作为基准点原始数据，进行基准角的差分改正后，作为各监测点的初始值。（3）日常监测。通过自动化监测系统及CDMA 控制，按照设定的观测测回数，自动完成各测点的日常常规监测。3项目应用3.1项目概况本文选取某市某-3层岛式地铁车站作为自动化监测方案的应用实践，该站是和既有线路的换乘车站，车站总长177.9 m，车站标准段宽23.7 m，覆土约3.0 m，地面设计标高8.5 m，标准段底板埋深为27.44 m。本站大小里程端均为盾构始发；本场地范围内主要特殊岩土有风化岩、残积土和软土。软土的力学性质差，易于被扰动。场地内淤泥质土为欠固结土，欠固结土体工后沉降较大，可能引起地表或上覆建构筑物的不均匀沉降或者变形，同时影响桩基的侧摩阻力。风化岩和残积土泡水软化后强度会明显降低，变形会加大。在基坑开挖过程中，为避免风化岩、残积土遇水崩解，从而引起基坑垮塌等安全事故，采取了对本项目影响区内进行全面、系统的监测，并及时反馈监测信息，确保地铁隧道93建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing的安全和工程的顺利进行。3.2自动化监测方案的实施3.2.1监测控制网的布设及稳定性检核（1）监测控制网的布设。根据本监测项目的监测范围要求，为确保影响区内进行全覆盖监测，在每条隧道布设8个基准点（同时在基准下方布设8个“L型”弯勾点作为高程校核点），在施工影响范围外，隧道双线每端布置4个基准点。（2）基准网（基准点）检核方法。本项目基准点稳定性检核一般分为竖直方向与水平方向稳定性检核，水平方向稳定性检核时采用后方交会法及极坐标法进行，竖直方向稳定性检核采用二等水准测量的方向进行。具体做法如下：基准点竖直方向稳定性检核：基准点竖向稳定性检核采用水准测量（二等）的方法进行，同时采用独立高程坐标系统。首先在施工影响范围区之外、稳定的区域各找到3个运营监测点，作为高程检核起算点BM1BM3，BM4BM6；然后与断面基准点、施工影响区域内的运营监测点进行联测，形成一条闭合的水准路线，进而推算出其他基准点的高程值。联测不少于2次，取平均值作为其最终的高程值。基准点竖直方向稳定性的检核频率为12月1次，若发现异常则随时对基准点进行改正。沉降监测主要技术要求如表1所示。表1沉降监测主要技术要求等级高程中误差/mm相邻点高差中误差/mm视线长度/m前后视距差/累计差往返较差，附合或环线闭合差主要作业方法和观测要求二等0.70.33且501.5 m/5.0 m1.0n按二等水准测量技术要求作业基准点水平方向稳定性检核。（下列检核方法中，检核点、基准点、测站点编号仅为示意，具体编号根据现场情况进行编码）首先在CZ01（安装强制对中装置）安置全站仪，采用极坐标法测量控制网的基准点（JZ01JZ08），计算出每2个基准点之间的相对距离，通过与基准点（JZ01JZ08）初始相对距离的比较判定基准点稳定性。为避免出现数据误差，定期对相互之间的基准点进行检核。水平位移监测主要技术要求如表2所示。表2水平位移监测主要技术要求等级相邻基准点的点位中误差/mm平均边长/m测角中误差/最弱边相对中误差水平角观测测回数距离观测测回数1级仪器一等1.52001.01/200 000943.2.2监测断面及断面内监测点布设监测测点的布置严格遵守GB 509112013城市轨道交通工程监测技术规范要求。该地铁站施工影响既有地铁线路的范围里程为：既有地铁线路的左右线里程ZDK17+593.9ZDK17+743.9，YDK17+593.9YDK17+743.9。在施工范围影响区的每条隧道左右线各布设1台全自动全站仪，共计2台，左右线隧道均布设监测断面16个，共计32个。监测断面布置如下表3所示。表3既有地铁线路监测断面布置表既有地铁线路左线断面布置既有地铁线路右线断面布置断面号里程备注断面号里程备注Z01ZDK17+743.9监测断面Y01YDK17+743.9监测断面Z02ZDK17+733.9监测断面Y02YDK17+733.9监测断面Z03ZDK17+723.9监测断面Y03YDK17+723.9监测断面Z04ZDK17+713.9监测断面Y04YDK17+713.9监测断面Z05ZDK17+703.9监测断面Y05YDK17+703.9监测断面Z06ZDK17+693.9监测断面Y06YDK17+693.9监测断面Z07ZDK17+683.9监测断面Y07YDK17+683.9监测断面Z08ZDK17+673.9监测断面Y08YDK17+673.9监测断面Z09ZDK17+663.9监测断面Y09YDK17+663.9监测断面Z10ZDK17+653.9监测断面Y10YDK17+653.9监测断面Z11ZDK17+643.9监测断面Y11YDK17+643.9监测断面Z12ZDK17+633.9监测断面Y12YDK17+633.9监测断面Z13ZDK17+623.9监测断面Y13YDK17+623.9监测断面Z14ZDK17+613.9监测断面Y14YDK17+613.9监测断面Z15ZDK17+603.9监测断面Y15YDK17+603.9监测断面Z16ZDK17+593.9监测断面Y16YDK17+593.9监测断面ZCZZDK17+670测站YCZYDK17+670测站JZ1ZDK17+783.9 基准点断面JY1YDK17+783.9 基准点断面JZ2ZDK17+773.9 基准点断面JY2YDK17+773.9 基准点断面JZ3ZDK17+563.9 基准点断面JY3YDK17+563.9 基准点断面JZ4ZDK17+553.9 基准点断面JY4YDK17+553.9 基准点断面本监测项目的车站轨行区及盾构隧道区间的监测断面测点布置方式如下：在车站的轨行区的每个断面的道床、侧墙各布置3个三维变形监测点，其中道床布置2点、侧墙布置1点；在盾构隧道区间范围的每个断面的道床、中腰线、隧道顶部各布设5个三维变形监测点，其中道床、中腰线各布置2点，隧道顶部布置1点。3.3监测结果反馈由于地铁工程的复杂性，在设计、评估阶段不能完全考虑建造过程的安全性，因此地铁施工过程动态监测显得非常重要。本文通过自动化系统实现了动态监测，对自动化监测数据实时采集与处理，及时停供监测数据，将自动化监测数据实时上传到安全预警与应急平台，同时每月对基准点检核的数据及报告上传系统，及时向业主和各参建单位进行信息94建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing波进行钢结构的无损探伤。采用雷达波检测时，钢结构的表面需清洁后方能安装雷达波检测设备，雷达波检测的具体步骤与超声检测方法相同。3.3墙体施工质量的无损检测墙体作为建筑工程重要的承重结构构件，要有足够的强度承载建筑荷载。为了保证工程的整体质量和安全性能，必须对墙体施工质量进行严格的控制，确保工程质量达到要求。墙体具有平面尺寸大、厚度小的结构特点，全面检测工作量极大，因此对墙体的施工质量检测以抽检为主。超声波回弹法是一种较为常用且有效的墙体材料检测手段。墙体施工质量检测时，应根据墙体的类别、位置、受力特点等设计测点布置方案。可以将墙体划分为若干块独立的检测点进行检测，检测点的布置应尽量随机，并包含位于边缘、角部的测点，因为这些部位都是受力比较复杂的部位，常受邻近墙体微弱振动的影响。对于一些不规则结构物或者局部存在的缺陷，可以将超声波探头沿一定方向布置到待检部位，通过对不同位置处声速值的比较来确定其是否合格。如果墙体施工质量较高，内部混凝土浇筑密实且无开裂，则超声波回弹频率保持平稳均匀，呈现规律性变化波形；如墙体内部结构存在间隙或出现裂缝，波形可出现紊乱现象。通过研究不同测点波形的特征，可对墙体内部结构的状况进行判定。4结语在建筑业蓬勃发展的今天，社会对建筑工程检测的要求越来越高，既希望能准确地检测出房屋的工程质量或健康状况，又不希望检测作业对建筑结构造成损伤，影响使用安全。因此，为了确保工程质量，就需要不断地提升建筑工程的施工水平，而这也离不开无损检测技术。因此，加大对无损检测技术研发的投入，促进其技术水平不断提升，将有利于推动建筑产业的可持续、健康、稳定的发展。参考文献：1 曹立人.土木工程中钢结构无损检测技术及其应用J.中国建筑装饰装修，2023（4）：60-62.2 宋阳.探析钢结构无损检测技术J.安徽建筑，2023，30（2）：176-177.收稿日期：2023-04-17作者简介：刘向开，高级工程师、一级建造师，从事结构检测工作，现供职于九江市建设工程质量检测中心。通信地址：江西省九江市濂溪区长虹大道30号。快速反馈，指导施工，真正做到信息化施工，保障新建区间隧道的顺利贯通和既有隧道的安全运营。4结语本文介绍了自动化监测系统的主要构成及基本原理，为相对准确地求得变形点的方位角提出了“基准角差分”的计算方法；以具体工程为应用实例，较为详细地阐述了自动化监测方案在不良地质作用以及下穿既有地铁线路共同影响下的实施过程，为相关类似工程监测提供了一种可参考的实践方案。参考文献：1 陈方敏.道路施工对邻近地铁隧道影响实测研究J.矿山测量，2018，46（1）：61-66.2 张昭.自动化监测技术在地铁隧道施工中的应用J.自动化与仪器仪表，2017（7）：178-179，182.3 崔天麟，肖红渠，王刚.自动化监测技术在新建地铁穿越既有线中的应用J.隧道建设，2008，28（3）：359-361.4 魏长寿.自动化监测技术在基坑监测中的应用J.矿山测量，2018，46（6）：117-121，126.5 张俊家，冷先伦，盛谦，等.自动化监测技术在隧道施工安全预警中的应用J.公路工程，2019，44（2）：14-18，68.6 刘亮.自动化监测技术在地铁隧道施工中的应用J.数字通信世界，2018（9）：186.7 葛继空，李卫军.基于测量机器人的深基坑自动化监测系统优化研究J.测绘技术装备，2021，23（4）：11-15.收稿日期：2023-07-25作者简介：泽仁多吉，硕士研究生，工程师，主要从事道路施工、矿山开采、边坡安全监测等领域工作，现供职于西藏天路股份有限公司。通信地址：安徽省池州市贵池区九华山大道98号。（上接第 86 页）