沉井幾何姿態(tài)實時云監(jiān)控技術(shù)研究

林聰，陳海濤

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢430034；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室，武漢430034)

1 引言

沉井基礎(chǔ)由于對土體擾動小、承載力大、對周圍已有建構(gòu)筑物影響程度低等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域。尤其是近年來，隨著國家大力推進國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)進程以及“一帶一路”沿線國家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，許多跨越江、海、湖泊的大跨度橋梁工程得到興建，沉井基礎(chǔ)形式得到了廣泛的應(yīng)用。對于沉井的尺寸要求呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，下沉施工難度也逐步加大，沉井幾何姿態(tài)的實時監(jiān)控顯得尤為重要[1]。

2 工程概況

某懸索橋中塔基礎(chǔ)采用矩形沉井基礎(chǔ)，矩形沉井角點處有半徑為7.0m 的圓角。沉井基礎(chǔ)頂面設(shè)計高程為+5.5m，沉井底面設(shè)計高程為-62.5m，基礎(chǔ)持力層為卵石層。沉井下部為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，上部鋼筋混凝土沉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。沉井橫向長66.0m，縱向?qū)?5.0m，總高68.0m，其中鋼沉井高59m，鋼筋混凝土沉井高9m。該沉井所處位置上部為海積淤泥質(zhì)黏土、海積淤泥，淤泥層厚度達39.0～40.8m，工程性質(zhì)差，在已建和在建沉井中都是很少見的。

3 主要監(jiān)測內(nèi)容

圖1 沉井頂面GPS 測點布置圖

以JH2→JH4 測點定義為X軸方向（順橋向，即南北方向），以JH3→JH1 測點定義為Y軸方向（橫橋向，即上下游方向），圖1 中Z 為豎直方向。

3.1 平面偏位

中心偏移量是由GPS 監(jiān)控測點坐標換算到沉井局部坐標系得到的沉井沿順橋向和橫橋向的偏位，理論中心點為沉井平面設(shè)計中心點。根據(jù)換算到沉井局部坐標系的測點三維坐標可以計算沉井頂面中心O點的平面坐標位置：

由測點的實際安裝位置和設(shè)計圖紙資料可計算出頂面中心O點的理論坐標可計算頂面中心點的平面位置偏差：

3.2 沉井標高

沉井頂面GPS 測點的豎向坐標表示所處位置的絕對高程，頂面的平均高程即可表示為：

3.3 傾斜度

沉井在空間中的傾斜，可分解為順橋向傾斜度θ1和橫橋向傾斜度θ2，具體計算公式如下：

縱向傾斜度為正表示沉井向線路大里程側(cè)（那南側(cè)）傾斜，為負表示沉井向線路小里程側(cè)（北岸側(cè)）傾斜；橫橋向傾斜度為正表示沉井向線路右側(cè)（上游側(cè)）傾斜，為負表示沉井向線路左側(cè)（下游側(cè)）傾斜。

電話那頭，甲方語氣焦急，“時間緊任務(wù)重，首先想到了勝利測井，有沒有把握按時完成，請認真考慮后給予答復(fù)！”電話這頭，李淑榮將所有可能出現(xiàn)的因素考慮一遍，沉著應(yīng)對：“交給我們，請您放心。”

3.4 扭轉(zhuǎn)角

沉井在平面上的扭轉(zhuǎn)角，可定義為順橋向β1和橫橋向扭轉(zhuǎn)角β2的平均值，即：

4 云監(jiān)控技術(shù)

4.1 GPS 設(shè)備選型

考慮到設(shè)備作業(yè)環(huán)境，由于監(jiān)測體周圍有大面積水域，施工過程中存在干擾源，會造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)，因此選用抗多路徑性能強的扼流圈天線。GPS 主機通過饋線與天線連接，用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集與傳輸，采用GNSS 接收機實時獲取GPS 雙頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集根據(jù)監(jiān)測項目需要可以動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率，設(shè)備日常供電采用太陽能板與蓄電池聯(lián)合供電。

4.2 GPS 測點布設(shè)

GPS RTK 技術(shù)測量一般采用1+N模式（1 個基準站，N個移動站），基準站將衛(wèi)星改正參數(shù)下發(fā)至移動站，移動站接收機利用接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基準站的衛(wèi)星改正參數(shù)獲得定位坐標，基準站坐標由大地控制測量點坐標聯(lián)測得到。

為獲取沉井幾何姿態(tài)指標，選取沉井四邊中點分別布設(shè)流動站，與基準站一起形成姿態(tài)監(jiān)控網(wǎng)。由于沉井位于江中，施工作業(yè)空間狹小，為減少流動站受現(xiàn)場施工作業(yè)影響，將流動監(jiān)測設(shè)備由連接桿固定到支架上，再將支架焊接到沉井中點附近側(cè)壁上，然后校準到沉井頂面各邊中點相應(yīng)測量點上。

系統(tǒng)通過無線組網(wǎng)方式，把沉井頂各個監(jiān)測點的GPS 定位測量數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，如圖2 所示。

在監(jiān)控中心可以實時得到各個監(jiān)測點的平面坐標和高程，通過計算分析，從而實現(xiàn)實時顯示沉井頂?shù)闹行奈恢谩烁?、平面扭角、傾斜度等幾何姿態(tài)及變化情況。

4.3 GPS 數(shù)據(jù)處理

為了適用與目標一體的長期動態(tài)監(jiān)測，項目采用RTK 實時數(shù)據(jù)處理算法，數(shù)據(jù)中心處理機制，實現(xiàn)動態(tài)快速監(jiān)測（沉井接高過程中）和高精度準靜態(tài)監(jiān)測（沉井后期緩慢下沉階段）的需要。數(shù)據(jù)處理流程為：基準站和各監(jiān)測站將衛(wèi)星數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，數(shù)據(jù)處理軟件采用RTK 動態(tài)處理算法實時獲得定位坐標，并將每條結(jié)果數(shù)據(jù)實時推送至目標數(shù)據(jù)庫。

圖2 沉井GPS 監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸

4.4 GPS 數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)工程項目的實際需要，GPS RTK 技術(shù)應(yīng)用于沉井姿態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示形式主要采用計算機軟件客戶端、網(wǎng)頁和手機APP 的顯示形式。

4.4.1 計算機軟件客戶端顯示

為了直觀方便地顯示出沉井的狀態(tài)以及變化情況，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)成果采用三維動態(tài)顯示、二維平面變化和一維變化曲線表示。其中三維動態(tài)變化顯示用來表示沉井和周邊水下地形在各個時刻的整體變化狀態(tài)，以便于工程的整體監(jiān)控；二維平面位移變化用來單獨顯示沉井的平面位置變化、各個時刻中心點坐標的變化曲線信息，以及沉井局部斷面的阻力分布情況；一維變化曲線用來反映沉井沉降高程的時間變化。

4.4.2 網(wǎng)頁顯示

沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控與沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力等監(jiān)控通過云監(jiān)測平臺整合在一起，對多種數(shù)據(jù)類型具備兼容性，可自主操作添加和刪減監(jiān)控設(shè)備模塊。平臺包含結(jié)構(gòu)監(jiān)測管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警管理、報告管理、報告報表、設(shè)備管理及系統(tǒng)管理等。在監(jiān)測數(shù)據(jù)點選進入實時監(jiān)測，可看到沉井布設(shè)的GPS 測點三維坐標的實測值，點選沉井姿態(tài)可看到沉井當前縱橫向傾斜度、扭轉(zhuǎn)角及中心點偏位等指標數(shù)據(jù)。

4.4.3 手機APP 顯示

通過云監(jiān)測平臺開發(fā)出手機APP，便于隨時隨地查看實時測試數(shù)據(jù)。

4.5 云平臺預(yù)警機制

在網(wǎng)頁版數(shù)據(jù)界面設(shè)計中，附加了報警管理模塊，對于閾值選取及報警形式可以根據(jù)具體項目有針對性地進行設(shè)置。沉井發(fā)生突沉前通常會短時間內(nèi)出現(xiàn)約10cm 的下沉量，繼續(xù)積累能量然后發(fā)生大幅度下沉。經(jīng)過數(shù)次突沉預(yù)警，均得以驗證，對于施工安全提供了較大的幫助。針對沉井姿態(tài)變化及變化速率建立雙重預(yù)警系統(tǒng)，可有針對性地設(shè)置閾值，根據(jù)超出閾值的幅度設(shè)置預(yù)警的等級。

5 應(yīng)用實例

5.1 沉井精定位與著床

鋼沉井定位、著床是施工中的關(guān)鍵工序，通過GPS 定位系統(tǒng)結(jié)合錨墩定位系統(tǒng)的錨纜力監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沉井的精確定位和幾何姿態(tài)調(diào)整進行指導(dǎo)。根據(jù)施工方案，計劃將高度27.5m 的鋼沉井在初定位后，灌注刃腳2.5m 高混凝土，再精確定位，注水11.5m 使沉井下沉防護層頂面-15m。

從開始沉井精確定位作業(yè)，通過不斷收緊和調(diào)整錨纜系統(tǒng)，使沉井位置變化范圍控制在設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)，在完成精確定位時，沉井幾何姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為：下游朝上游方向傾角0.202 6°，靈昆朝樂清方向傾角0.011 1°，靈昆向下游扭轉(zhuǎn)角為0.130°，中心偏移量順橋向為0.175 1m（朝樂清）、橫橋向為0.092 6m（朝下游）。監(jiān)測值均調(diào)整到設(shè)計規(guī)定的范圍內(nèi)，符合注水下沉作業(yè)條件。

在鋼沉井精確定位后，選擇水流流速小、流態(tài)穩(wěn)定、風(fēng)速小的有利時段，在井壁隔艙內(nèi)快速注水，實現(xiàn)快速著床。從布設(shè)在沉井四邊中點的GPS 測點數(shù)據(jù)可以看出，注水前沉井頂面初始平均高程為19.430 5m，隨著艙內(nèi)注水高度的增加，鋼沉井平緩下沉至13.699 5m，最終平均高程穩(wěn)定在13m 位置。

結(jié)合沉井監(jiān)控刃腳反力數(shù)據(jù)變化情況，即可充分判斷沉井是否著床穩(wěn)定。最終沉井扭轉(zhuǎn)角維持在-0.241°，沉井中心點偏位順橋向偏樂清側(cè)8.01cm，橫橋向偏上游側(cè)21.94cm，滿足預(yù)期要求。

利用GPS RTK 信息化實時監(jiān)控技術(shù)能順利實現(xiàn)沉井在惡劣環(huán)境下快速、精確定位，極大地降低了沉井深水定位著床的風(fēng)險，同時也提高了定位的精度。

5.2 突沉及預(yù)警

沉井發(fā)生突沉是由側(cè)阻力衰減導(dǎo)致下沉動力大于下沉阻力所致，在發(fā)生突沉前，沉井下沉動力與下沉阻力基本相當，土體與井壁接觸界面開始緩慢地發(fā)生剪切變形，當變形累積到一定量值后應(yīng)變軟化，側(cè)阻力迅速衰減導(dǎo)致突沉。

從數(shù)次突沉前沉井頂面高程的變化曲線可以看出，在啟動下沉前的10h 左右，頂面高程開始發(fā)生緩慢變化。圖3 為沉井2 次突沉前下游側(cè)的頂面高程變化曲線，由圖可見，2 次突沉前曲線變化規(guī)律基本相同。

圖3 沉井兩次突沉前下游側(cè)頂面高程變化曲線圖

監(jiān)控工程師通過云監(jiān)控平臺對GPS 數(shù)據(jù)及沉井應(yīng)力數(shù)據(jù)綜合判斷分析，結(jié)合現(xiàn)場施工參數(shù)資料，對突沉或偏沉進行預(yù)測并及時通報工程參建各方。施工單位在接到預(yù)警后及時做好沉井上機械設(shè)備的綁扎加固，并做好現(xiàn)場施工安全交底，保證了沉井施工人員及設(shè)備的安全。

6 結(jié)語

針對基于GPS RTK 技術(shù)的沉井幾何姿態(tài)實時云監(jiān)控技術(shù)的研究，形成了包括“自動采集—無線傳輸—云中心—云監(jiān)測平臺—數(shù)據(jù)顯示—預(yù)警報警”的云監(jiān)控技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用中，數(shù)次突沉過程前均發(fā)出了及時的預(yù)警，使施工人員能提前得知突沉風(fēng)險，有效保障了人員設(shè)備的安全，意義重大。