基于測量機器人的高支模變形監(jiān)測研究與應(yīng)用

盧松耀，梁龍昌，何廣靜

(1.廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

?

基于測量機器人的高支模變形監(jiān)測研究與應(yīng)用

盧松耀1，梁龍昌1，何廣靜2

(1.廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

在高支模變形監(jiān)測中，針對高支模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、事故突發(fā)等特點，提出了以高精密的測量機器人為主體的測量設(shè)備，通過自由設(shè)站混合基點網(wǎng)進(jìn)行了高支模變形監(jiān)測，為提高高支模變形預(yù)警自動化與智能化提供了新的思路。

高支模；測量機器人；基準(zhǔn)點；變形監(jiān)測；變形分析

一、引 言

高支撐模板系統(tǒng)簡稱為高支模，是指水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過8 m，或跨度超過18 m，施工總荷載大于10 kN/m2的模板及其支撐系統(tǒng)[1]。模板支撐系統(tǒng)連接構(gòu)件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現(xiàn)象頻發(fā)[2]，而且事故通常在工程施工過程中突然發(fā)生，從而造成群死群傷的惡性傷亡事故[3]，具有事故突發(fā)性和高危性。為確保支撐模板系統(tǒng)穩(wěn)固和安全，必須對支撐模板系統(tǒng)進(jìn)行實時變形監(jiān)測。

以往高支模監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)儀測量沉降、全站儀(經(jīng)緯儀)測量平面位移，費時費力且精度不高，監(jiān)測人員和儀器在高支模支架下作業(yè)，安全無法保障。為提高測量的精度和效率，保障安全施工，本文通過具體工程實例闡述采用徠卡測量機器人進(jìn)行高支模的沉降和平面位移測量的新測量手段，并取得了顯著成效。

二、高支模變形監(jiān)測特點

高支模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種連接構(gòu)件多，在布設(shè)變形監(jiān)測點時要考慮測量機器人的通視條件。高支模坍塌事故具有突發(fā)性，在工程連續(xù)施工過程中，需要對高支模進(jìn)行持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，及時獲取高支模變形數(shù)據(jù)，指導(dǎo)高支模工程安全施工。高支模工程環(huán)境復(fù)雜，在施工工地上有很多施工車輛和機械設(shè)備。在變形監(jiān)測中，要顧及監(jiān)測人員人身安全和施工對變形監(jiān)測系統(tǒng)的影響。

三、變形監(jiān)測技術(shù)

1.自由設(shè)站混合基點網(wǎng)

變形監(jiān)測需建立多周期變形觀測的統(tǒng)一、可靠基準(zhǔn)，對基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行檢核、復(fù)測。利用測量機器人進(jìn)行變形監(jiān)測，機器人(測站)的坐標(biāo)通過后方交會基準(zhǔn)點實時改正得到，同時通過測量機器人可以獲得監(jiān)測點的三維空間坐標(biāo)。變形監(jiān)測一般需要建立監(jiān)測基準(zhǔn)，以及布設(shè)測站點和監(jiān)測點，涉及基準(zhǔn)點、工作基點和監(jiān)測點的布設(shè)[4], 根據(jù)高支模變形監(jiān)測的特性，本文采用了一種混合基準(zhǔn)點網(wǎng)布設(shè)方法[5](如圖1所示)。在變形區(qū)外穩(wěn)固、不易破壞的地方布設(shè)基準(zhǔn)點(圖1中J1—J4)。基準(zhǔn)點上不設(shè)站，只安裝強制對中棱鏡。工作基點(圖1中GJ1-GJ3)設(shè)在便于監(jiān)測點進(jìn)行觀測的任意合適的位置，稱為自由設(shè)站。但一經(jīng)選點，需要設(shè)立穩(wěn)固的觀測設(shè)施，如強制對中裝置。

圖1 混合基點網(wǎng)示意圖

2.單點極坐標(biāo)法

單點極坐標(biāo)法是測量機器人測量目標(biāo)點的重要方法。如圖2所示，需要測定監(jiān)測點到測站的距離，測量監(jiān)測點測站連線與兩個已知點連線的夾角。設(shè)全站儀在B點觀測值分別為：水平角α、垂直角β、斜距S，則C點坐標(biāo)為

式中，αBC=αBA+α。

圖2 極坐標(biāo)法示意圖

極坐標(biāo)法簡單實用，但需要作定向點角度距離檢查，并通過重復(fù)觀測來提高監(jiān)測點成果的可靠性。

3.測量機器人及其自動化監(jiān)測技術(shù)

瑞士Leica生產(chǎn)的精密測量機器人綜合長距離的自動精確照準(zhǔn)、小視場、數(shù)字影像采集等先進(jìn)技術(shù)，具有精度高、速度快、測量全自動化的特點，可以全天候無間斷工作，即使被監(jiān)測物發(fā)生最細(xì)微的結(jié)構(gòu)變形，也能及時發(fā)現(xiàn)[6]，因此選擇該儀器為主要的變形監(jiān)測設(shè)備。

武漢大學(xué)測繪學(xué)院針對常見的工程變形監(jiān)測應(yīng)用，基于Leica測量機器人SDK開發(fā)了一套測量機器人變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件[7]。本文采用該系統(tǒng)進(jìn)行高支模變形監(jiān)測的研究與應(yīng)用，以提高高支模變形監(jiān)測的自動化、智能化水平。

變形監(jiān)測自動化系統(tǒng)軟件功能如圖3所示。文件管理模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的文件管理；初始化設(shè)置可以進(jìn)行氣象改正設(shè)置；學(xué)習(xí)測量可以進(jìn)行測量目標(biāo)點學(xué)習(xí)；自動測量中如果觀測出現(xiàn)意外錯誤，如誤差超限、目標(biāo)被遮擋等則系統(tǒng)自動報警，并進(jìn)行相應(yīng)的延遲處理或重復(fù)執(zhí)行等操作。在所有的測量過程都順利完成之后，則通過相應(yīng)的指令將數(shù)據(jù)讀取到計算機中，同時對原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時改正，得到差分處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。

四、高支模變形監(jiān)測系統(tǒng)

高支模變形監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。圖中測量機器人采用Leica生產(chǎn)的TCA1800全站儀，并配備武漢大學(xué)開發(fā)的自動變形監(jiān)測軟件，提高了高支模變形監(jiān)測的自動化水平?；鶞?zhǔn)點不設(shè)站但強制對中安置徠卡圓棱鏡，監(jiān)測點強制對中裝置棱鏡，工作基準(zhǔn)點為帶有強制對中裝置的觀測墩，采用自由設(shè)站、極坐標(biāo)和邊角交會技術(shù)方法，測定基準(zhǔn)網(wǎng)點和各變形點的三維坐標(biāo)。由測量機器人、計算機及通信電纜建立基站，測量人員可以在離高支模較遠(yuǎn)的安全地帶進(jìn)行變形監(jiān)測。

圖3 自動變形監(jiān)測軟件

圖4 高支模變形監(jiān)測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本文以永龍隧道及道路工程橋梁高支模變形監(jiān)測為例，監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)如圖5所示，高支模12號墩上蓋梁橫斷面的監(jiān)測點布設(shè)如圖6所示?；鶞?zhǔn)網(wǎng)布設(shè)在監(jiān)測點的同一側(cè)。在工作基點上架設(shè)測量機器人，需要觀測的監(jiān)測點和基準(zhǔn)點上安裝棱鏡和強制對中裝置，其中基準(zhǔn)點布設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū)的穩(wěn)固區(qū)。監(jiān)測系統(tǒng)布置完成后，設(shè)置測量機器人對基準(zhǔn)點和監(jiān)測點進(jìn)行持續(xù)周期性自動化觀測。通過對基準(zhǔn)點和變形點的持續(xù)的周期性觀測結(jié)果進(jìn)行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形量，并進(jìn)行安全和穩(wěn)定性等分析，得出變形體的變形趨勢。

圖5 高支模變形監(jiān)測網(wǎng)

圖6 蓋梁橫斷面監(jiān)測點布設(shè)圖

為了使監(jiān)測成果能更好地指示變形方向,以平行于監(jiān)測斷面為Y坐標(biāo)軸、垂直于監(jiān)測斷面方向為X坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系統(tǒng)。

五、變形監(jiān)測結(jié)果與分析

本文高支模變形監(jiān)測中，業(yè)主和設(shè)計方根據(jù)相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，對高支模監(jiān)測提出變形預(yù)警值、控制值和精度要求等：

1) 監(jiān)測點水平位移及沉降變形量每期不能超過2.0mm。

2) 監(jiān)測點水平位移預(yù)警值為10mm、控制值為15mm。

3) 監(jiān)測點沉降預(yù)警值為8mm、控制值為10mm。

4) 監(jiān)測點相對于工作基準(zhǔn)點的監(jiān)測精度要求為1mm。

5) 根據(jù)變形情況，觀測頻率為20～30min監(jiān)測一次。

本文高支模變形監(jiān)測基于測量機器人配合武漢大學(xué)開發(fā)的自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件，可以大大提高監(jiān)測效率和監(jiān)測精度，每期監(jiān)測時間不到4min。應(yīng)工程施工要求，在施工過程中持續(xù)監(jiān)測，時間一般在20h左右，每隔20～30min進(jìn)行一次周期監(jiān)測并提交監(jiān)測報表。

高支模變形監(jiān)測每期觀測均進(jìn)行基準(zhǔn)點網(wǎng)基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗[8]和平差、監(jiān)測點變形分析。在進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)點數(shù)據(jù)處理時，采用組合后驗方差法進(jìn)行基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性校驗，只取用穩(wěn)定的基準(zhǔn)點作為參考。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用科傻網(wǎng)平差系統(tǒng)和測量機器人變形監(jiān)測內(nèi)業(yè)軟件系統(tǒng)，可方便地得到基準(zhǔn)網(wǎng)點和監(jiān)測點的坐標(biāo)[9]。對數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加分析得出各期變形量和累計變形量，還可以得到每個點上直觀的二維或三維圖。

監(jiān)測結(jié)果分析以12號墩的同一斷面上的3對監(jiān)測點(如圖6所示)為例。監(jiān)測點在Z方向(沉降)的變形過程曲線如圖7所示，從第1期到第4期其變形都很小，由于澆注施工原因，荷載逐漸增加，沉降量增大，在Z方向累計變形最大值為-8mm，有一種趨勢性的變形但變形緩慢，變形量在可控范圍，隨著時間的推進(jìn)，逐漸放慢，澆注施工對支模系統(tǒng)安全不造成影響。從曲線圖還可看出，每一對監(jiān)測點變形量非常接近，且趨勢一致，其沉降量主要是地基下沉引起。

圖7 12號墩變形監(jiān)測Z方向變形曲線

同樣，可繪制X、Y方向變形過程曲線(DX值“+”表示垂直于橋墩蓋梁向北位移)。由支架頂部監(jiān)測點12-3、12-5、12-7 X方向變形過程曲線看，支撐的支架水平方向上的變形隨澆注施工，因荷載增加有緩慢上升，監(jiān)測點變形方向無規(guī)律，變形量均較小，最大1.7mm，通過高精度測量機器人的密集周期監(jiān)測，監(jiān)測出了這種微小的變化。

根據(jù)各點的周期監(jiān)測成果，可以進(jìn)行建模分析和變形預(yù)報，通過變形過程曲線能清楚地看出變形情況和趨勢，再根據(jù)設(shè)定的預(yù)警值，即可進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。每周期監(jiān)測完成均生成該周期監(jiān)測成果表，包括變形量、累計變形量和簡單的分析報告。每次澆注結(jié)束后第3天，用監(jiān)測小結(jié)向監(jiān)理單位、建設(shè)單位等提供本次各期的變形量、累計變形量、變化曲線圖和變形分析報告。所有監(jiān)測完成后，提交有高支模變形監(jiān)測技術(shù)報告、原始觀測成果和監(jiān)測點平面位置示意圖，以及各監(jiān)測點的X、Y、Z坐標(biāo)變形過程曲線和變形分析結(jié)果。

六、結(jié)束語

利用測量機器人配合自動化監(jiān)測軟件進(jìn)行高支模變形監(jiān)測，自動化程度得到很大提高，解決了高支模監(jiān)測中監(jiān)測時間長、周期短、環(huán)境差、危險性大、實時性強等關(guān)鍵技術(shù)。建立混合基點網(wǎng)，利用組合后驗方差進(jìn)行基準(zhǔn)點穩(wěn)定性分析，測量機器人自由設(shè)站采用極坐標(biāo)法進(jìn)行自動化監(jiān)測，可以快速建立監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為高支模澆筑施工提供實時變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時指示變形部位以供排查隱患，確保施工安全。綜合分析，本文采用的高支模變形監(jiān)測技術(shù)保障了高支模澆注施工的安全，具有先進(jìn)性、實用性、有效性和推廣價值。

[1] 張果.淺談高支模的施工和安全[J].山西建筑，2008，34(16):157-157.

[2] 陳偉.扣件式鋼管高支模體系的防坍塌研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[3] 胡長明，曾凡奎.構(gòu)造因素對高支模穩(wěn)定承載力的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報：城市科學(xué)版，2008，25(4):57-60.

[4] 張正祿.工程測量學(xué)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2014.

[5] 梁龍昌,盧松耀，盧凌燕.典型工程變形監(jiān)測的一種新方法及應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué)技術(shù)，2014(8)：8-10.

[6] 徐忠陽.全站儀原理與應(yīng)用[M].北京：解放軍出版社，2003.

[7] 梅文勝，張正祿.測量機器人變形監(jiān)測軟件系統(tǒng)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2002,27(2):165-171.

[8] 張正祿，沈飛飛，孔寧，等.地鐵隧道變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)點確定的一種方法[J].測繪科學(xué),2011，36(4):98-99.

[9] 張正祿,羅年學(xué)，郭際明，等.COSA_CODAPS及在精密控制測量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].測繪信息與工程, 2010(2):52-54.

Design and Applications of Deformation Monitoring System for High Form-work Based on Georobot

LU Songyao，LIANG Longchang，HE Guangjing

盧松耀，梁龍昌，何廣靜.基于測量機器人的高支模變形監(jiān)測研究與應(yīng)用[J].測繪通報，2015(7)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0219

2015-03-02

盧松耀(1967—)，男，高級工程師，主要研究方向為工程變形監(jiān)測、控制測量、地形測量等。E-mail：lu346@163.com

P258

：B

：0494-0911(2015)07-0085-04