自動測量技術(shù)在沉井下沉姿態(tài)測量中的研究及應(yīng)用

唐 慶

(上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司,上海 200002)

0 引言

隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的不斷發(fā)展,對建筑結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)工程的要求日趨嚴格。在許多大型基礎(chǔ)設(shè)施工程中,沉井作為一種常見的深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),其安全性和穩(wěn)定性對整個工程的成功施工至關(guān)重要。特別是在地鐵、橋梁、高層建筑等工程中,沉井的下沉姿態(tài)監(jiān)測成為確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

按照傳統(tǒng)方法,人們通常使用人工測量的方式來監(jiān)測沉井下沉過程。然而,隨著工程規(guī)模的擴大和工程條件的復(fù)雜化,這一方法逐漸暴露出效率低下、精確度不足等問題。隨著現(xiàn)代科技的進步,自動化測量技術(shù)得到了長足發(fā)展。通過采用先進的自動測量系統(tǒng),可以更精確、更迅速地監(jiān)測沉井下沉姿態(tài),從而有效地降低風險、減少人工干預(yù)、提高施工效率和工程質(zhì)量[1]。

1 沉井下沉姿態(tài)監(jiān)測的重要性

1.1 下沉姿態(tài)的定義

下沉姿態(tài)是一種描述沉井結(jié)構(gòu)在施工或下沉過程中垂直方向和水平方向上的位移變化的術(shù)語。它涉及沉井結(jié)構(gòu)相對于基準點或初始位置的整體位移,以及沉井內(nèi)部不同部分之間的相對位移。下沉姿態(tài)不僅可以量化沉井的垂直位移和水平位移,還可以反映沉井的傾斜、旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜變形。

1.2 下沉姿態(tài)監(jiān)測的重要性

下沉姿態(tài)的測量和監(jiān)控對于評估沉井的結(jié)構(gòu)完整性和工程安全性至關(guān)重要。沉井的位移、傾斜、旋轉(zhuǎn)等變化變形是由地基沉降、土壤變化、水位變動、施工負荷等各種因素單獨或共同引起的。準確了解和控制下沉姿態(tài)對于預(yù)防潛在的結(jié)構(gòu)問題,確保沉井和相關(guān)結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性,以及維持工程進度和質(zhì)量具有關(guān)鍵作用[2]。

1.3 下沉姿態(tài)自動監(jiān)測的必要性

由于沉井下沉姿態(tài)的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的人工測量方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工程的精確度和高效施工要求。因此,采用自動測量系統(tǒng)及方法進行沉井下沉姿態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為一種必然趨勢。下沉姿態(tài)自動監(jiān)測具有以下幾方面的優(yōu)勢:

1)確保工程質(zhì)量和安全。沉井下沉可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、裂縫、傾斜甚至坍方,從而危及工人安全和工程完整性,影響工程質(zhì)量。通過自動測量系統(tǒng)進行實時監(jiān)測,工程師和管理人員可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題,采取預(yù)防措施,避免災(zāi)難性后果。

2)提高施工效率。自動測量系統(tǒng)能夠提供精確、連續(xù)的數(shù)據(jù),有助于工程施工團隊更好地了解沉井的動態(tài)變化情況,優(yōu)化施工計劃,減少不必要的人工干預(yù),提高施工效率。

3)降低后期維護成本。長期的下沉姿態(tài)監(jiān)測還有助于工程維護,通過分析沉井的歷史變化趨勢,可以精確評估結(jié)構(gòu)的耐久性和壽命,制定合理的維護計劃,降低整體運營成本[3]。

2 沉井姿態(tài)測量現(xiàn)狀及發(fā)展

2.1 人工測量

1)四角畫線(高差控制)。沉井下沉前在沉井四周角點設(shè)置沉降觀測點,并在沉井四周外墻角畫上10 cm一檔刻度線用來觀測沉井下沉高度。10 cm刻度中,還會精確刻畫到厘米級別,如圖1所示。

2)墻中心懸吊垂線(傾斜控制)。這種方法是在每面墻壁外中心懸吊垂線的方法,通過肉眼觀察垂線與原來沒沉之前在墻上刻畫的中心線對比,得出每面墻的傾斜方向。

3)全站儀三維坐標法。在沉井結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置若干個監(jiān)測點進行監(jiān)測,下沉過程中測量人員對沉井姿態(tài)進行全程監(jiān)測,一旦發(fā)生偏移,現(xiàn)場立即采取糾偏措施,如圖2所示。

2.2 自動測量技術(shù)

1)采用GNSS測量技術(shù),通過采集、通信、數(shù)據(jù)處理三系統(tǒng)的結(jié)合,實現(xiàn)掌握沉井實時姿態(tài)及其變化規(guī)律的技術(shù)方法。

2)采用全站儀測量機器人自動測量系統(tǒng)對沉井特征點進行實時自動監(jiān)測,通過測量成果轉(zhuǎn)換成沉井姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 沉井姿態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展

在今后的工程測量專業(yè)內(nèi),將更重視自動化、圖像化、數(shù)據(jù)化。新技術(shù)、新機械的引進也是至關(guān)重要的。

1)自動化技術(shù)。當今機械全自動化已經(jīng)是一大趨勢,目前已初步應(yīng)用到工程測量中,通過計算機控制測量機器人進行自動測量,測量的數(shù)據(jù)自動處理(自動計算、自動識別、自動連接等)。另外,自動測量出錯的概率小,能自動提取坐標、距離、方位等,就算部分地方還是存在錯誤,也有自我檢測錯誤功能。

2)圖像化測量技術(shù)。在工程測量中,運用圖像進行表現(xiàn),不僅簡單易行,而且精度高、效果好,便于儲存處理。其優(yōu)越性具體表現(xiàn)在以下幾個方面:a.精度高;b.信息豐富;c.編輯方便。

3)數(shù)字化測量技術(shù)?，F(xiàn)代工程測量技術(shù)及測量儀器向數(shù)字化、電子化、自動化方向發(fā)展,它打破了傳統(tǒng)工程測量理念,形成目前較好的一套數(shù)字化測量解決方案。數(shù)字化的最終目的還是要將其在平臺上表達出來,使人們更好地認識了解建(構(gòu))筑物的位置、姿態(tài)等形式。

3 自主研發(fā)沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

因工程需求,我公司自主研發(fā)了沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

1)全站儀:具有自動搜索、照準及測量等功能,可以進行高精度的角度測量和距離測量。系統(tǒng)配置了兩臺全站儀,可以覆蓋整個沉井范圍進行下沉姿態(tài)測量。

2)棱鏡:由1個后視棱鏡和若干個目標棱鏡組成。后視棱鏡作為兩臺全站儀的共同后視點,采用360°全方位棱鏡;目標棱鏡作為觀測點,固定設(shè)置在沉井墻體外側(cè)的各特征點處。

3)計算機及應(yīng)用程序:通過通訊裝置控制全站儀進行數(shù)據(jù)采集,并對測量數(shù)據(jù)進行分析與處理,從而獲得沉井的下沉姿態(tài)成果。

3.2 測量原理與方法

沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)采用的測量方式為導(dǎo)線測量和三角高程測量。將兩臺全站儀和后視棱鏡分別安置于固定觀測墩(架)上,每臺全站儀通過通訊裝置和計算機建立無線連接,由計算機指揮兩臺全站儀按照全圓觀測法同時進行自動觀測,全站儀將測得的數(shù)據(jù)傳給計算機,并由計算機進行數(shù)據(jù)處理與分析,最終得出沉井的下沉姿態(tài)成果[4-6]。

4 方形沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)應(yīng)用案例

4.1 工程概況

上海市天然氣管道工程長興島南過江井采用沉井形式施工,沉井為長方形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),底板下部設(shè)置兩道鋼筋混凝土地梁,呈“十”字形布置,地梁截面尺寸為4.3 m(高)×1.5 m(寬),上寬下窄。井壁設(shè)置3處內(nèi)臺階,上側(cè)墻井壁厚度1 m,中側(cè)墻井壁厚度1.2 m,下側(cè)墻井壁厚度1.6 m。沉井制作高度26.8 m,總下沉深度25.6 m,采用不排水下沉方式,分為4次制作,2次下沉。

由于長興島南過江井位于長江邊上,地質(zhì)情況比較復(fù)雜,所以采用自動測量系統(tǒng)進行沉井下沉姿態(tài)監(jiān)測。

4.2 具體實施

1)工作基點與觀測點設(shè)置。架設(shè)兩臺全站儀和后視棱鏡的工作基點布設(shè)在沉井周圍便于觀測和保護的地方,且在施工影響范圍(3倍下沉深度)之外。工作基點均采用固定觀測架形式(見圖3)。作為觀測點的目標棱鏡固定設(shè)置在方形沉井四角,且位于距沉井頂部下方30 cm處的外側(cè)墻體上。

沉井下沉施工前,將工作基點與本工程的首級控制點進行導(dǎo)線和水準聯(lián)測,測定工作基點的平面坐標和高程,作為下沉姿態(tài)測量的依據(jù)。施工過程中應(yīng)妥善保護工作基點,并進行定期檢查和復(fù)測。

2)自動觀測。自動測量開始前,將沉井設(shè)計數(shù)據(jù)、工作基點坐標和高程以及相關(guān)參數(shù)等輸入到系統(tǒng)程序內(nèi),建立項目數(shù)據(jù)庫。然后由系統(tǒng)程序控制全站儀進行自動觀測,1號全站儀觀測1號和3號目標棱鏡,2號全站儀觀測2號和4號目標棱鏡(見圖4)。整個自動觀測過程一般在1 min內(nèi)即可完成。

上下節(jié)接力測量:長興島南過江井分4次制作,2次下沉。在多節(jié)沉井施工中,由于下節(jié)沉井下沉到位,位于下節(jié)的目標棱鏡不能繼續(xù)使用,所以要在上節(jié)沉井安裝4個新的目標棱鏡進行上下節(jié)接力測量,通過對上下節(jié)目標棱鏡的聯(lián)測獲得上節(jié)目標棱鏡與沉井姿態(tài)的關(guān)系常數(shù),為后續(xù)幾節(jié)沉井的下沉提供施工依據(jù),保證沉井準確下沉到位。

3)數(shù)據(jù)處理。全站儀觀測得到的是4個目標棱鏡的三維坐標,通過程序計算與對比,可以獲得4個目標棱鏡的位移變化,進而得到整個沉井的下沉量、下沉速率以及水平位移、傾斜、旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)成果(見圖5,圖6)。

所以該題其實是以“產(chǎn)品檢驗”這一實際問題作為載體，賦予問題以真實的情境，從中考查學(xué)生的數(shù)學(xué)建模素養(yǎng)，并對數(shù)學(xué)運算、邏輯推理等素養(yǎng)提出一定的要求，是一道綜合性較高的題目，有較好的區(qū)分度，彰顯高考命題育人導(dǎo)向．

4)數(shù)據(jù)解析。沉井下沉過程中的測量數(shù)據(jù)是確保沉井施工質(zhì)量和安全性的重要指標。以下是對沉井下沉過程測量數(shù)據(jù)的一些解析:

下沉速度:下沉速度是反映沉井下沉過程的重要指標之一。通過實時監(jiān)測下沉量和下沉速度,可以判斷沉井是否處于穩(wěn)定下沉狀態(tài),是否出現(xiàn)異常情況。如果下沉速度過快,可能是由于遇到軟弱土層或井壁與土間摩擦力減小等原因?qū)е碌?需要及時采取措施進行調(diào)整,從累計下沉量可以看出,四角相對高差平穩(wěn)受控,為沉井下沉提供安全保障。

傾斜度:傾斜度是指沉井在下沉過程中偏離垂直方向的程度。傾斜度的變化可以反映出土層分布的不均勻性、地層傾斜等因素對沉井下沉的影響。通過實時監(jiān)測傾斜度,可以及時發(fā)現(xiàn)并糾正偏斜,確保沉井的垂直度和穩(wěn)定性。

5 圓形沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)應(yīng)用案例

5.1 工程概況

上海合流污水一期復(fù)線工程(總管部分)FXZ1.1標工程內(nèi)容主要包括:新建Z1閥門井、Z1閘門井與1號盾構(gòu)井間的連接箱涵段及1號盾構(gòu)井沉井。

1號盾構(gòu)井采用沉井工藝:沉井為圓形結(jié)構(gòu),其外徑φ19 m,內(nèi)徑φ16 m,下沉深度25.3 m,沉井兼做DN5 000盾構(gòu)工作井、DN4 000盾構(gòu)接收井以及與5 000 mm×4 000 mm箱涵對接。沉井采用不排水壓沉下沉施工工藝。采用1次外臺階結(jié)構(gòu),變截面寬度5 cm,沉井井壁下部厚度為1.5 m,上部壁厚1.45 m(見圖7)。

由于合流污水一期復(fù)線工程(總管部分)FXZ1.1標工程工程量大且工期緊張,基坑施工部署難度大,沉井下沉穿越土層復(fù)雜,制作、下沉控制要求高,所以采用自動測量系統(tǒng)進行沉井下沉姿態(tài)監(jiān)測。

5.2 具體實施

1)工作基點與觀測點設(shè)置。我們采用了無線模塊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控組成的沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)。

架設(shè)兩臺全站儀和后視棱鏡的工作基點布設(shè)在沉井周圍便于觀測和保護的地方,且在施工影響范圍(3倍下沉深度)之外。工作基點均采用固定觀測架形式(見圖8)。作為觀測點的目標棱鏡固定設(shè)置在方形沉井四角,且位于距沉井頂部下方30 cm處的外側(cè)墻體上。

根據(jù)工程需求,我們在沉井的關(guān)鍵部位安裝了目標棱鏡,以實時監(jiān)測沉井的下沉姿態(tài)。數(shù)據(jù)采集與處理完全自動化,系統(tǒng)通過計算機無線模塊網(wǎng)絡(luò)實時采集沉井的位移和傾斜數(shù)據(jù),并通過數(shù)據(jù)采集與處理進行預(yù)處理和篩選。然后利用先進的數(shù)據(jù)處理算法對篩選后的數(shù)據(jù)進行進一步處理和分析,提取出沉井的下沉姿態(tài)信息[7-8]。

沉井下沉施工前,同樣將工作基點與本工程的首級控制點進行導(dǎo)線和水準聯(lián)測,測定工作基點的平面坐標和高程,作為下沉姿態(tài)測量的依據(jù)。施工過程中應(yīng)妥善保護工作基點,并進行定期檢查和復(fù)測。

2)自動觀測。自動測量開始前,將沉井設(shè)計數(shù)據(jù)、工作基點坐標和高程以及相關(guān)參數(shù)等輸入到系統(tǒng)程序內(nèi),建立項目數(shù)據(jù)庫。然后由系統(tǒng)程序控制全站儀進行自動觀測,1號全站儀觀測1號和3號目標棱鏡,2號全站儀觀測2號和4號目標棱鏡(見圖9)。整個自動觀測過程一般在1 min內(nèi)即可完成。

上下節(jié)接力測量:在多節(jié)沉井施工中,由于下節(jié)沉井下沉到位,位于下節(jié)的目標棱鏡不能繼續(xù)使用,所以要在上節(jié)沉井安裝4個新的目標棱鏡進行上下節(jié)接力測量,通過對上下節(jié)目標棱鏡的聯(lián)測獲得上節(jié)目標棱鏡與沉井姿態(tài)的關(guān)系常數(shù),為后續(xù)幾節(jié)沉井的下沉提供施工依據(jù),保證沉井準確下沉到位。

3)數(shù)據(jù)處理。全站儀觀測得到的是4個目標棱鏡的三維坐標,通過程序計算與對比,可以獲得4個目標棱鏡的位移變化,進而得到整個沉井的下沉量、下沉速率以及水平位移、傾斜、旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)成果(見圖10,圖11)。

5.3 數(shù)據(jù)解析

解析的目的是從原始數(shù)據(jù)中提取有用的信息,以便于分析和解釋。趨勢分析: 數(shù)據(jù)顯示了沉降在不同時間點的變化趨勢?？梢杂^察到隨著時間的推移,沉降的累積數(shù)據(jù)逐漸增加,沉井刃角數(shù)據(jù)平穩(wěn)受控,對于確保整個施工的安全和質(zhì)量至關(guān)重要。解釋與預(yù)測: 數(shù)據(jù)的解析還可以用于解釋沉降的原因并預(yù)測未來的趨勢。例如,在澆筑混凝土階段的沉降、沉井剩余深度等信息可以提供關(guān)于沉降過程的深入理解。

5.4 系統(tǒng)應(yīng)用效果評估

通過實際應(yīng)用案例的驗證,我們發(fā)現(xiàn)沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:1)高精度:系統(tǒng)通過集成先進的傳感器和數(shù)據(jù)處理算法,能夠?qū)崿F(xiàn)對沉井下沉姿態(tài)的高精度測量。2)高效率:系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸,大大提高了工作效率。3)安全性提升:通過實時監(jiān)測沉井的下沉姿態(tài),系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全風險,提高了工程的安全性。

6 結(jié)語

研發(fā)自動測量系統(tǒng),系統(tǒng)用于沉井施工中監(jiān)測沉井下沉深度、下沉速度、井體傾斜量、井體偏移量、井體旋轉(zhuǎn)量,以準確地指導(dǎo)沉井下沉施工,確保施工順利安全進行。

沉井下沉姿態(tài)自動測量系統(tǒng)在上海市天然氣管道工程長興島南過江井、上海合流污水一期復(fù)線工程(總管部分)FXZ1.1標工程長興島南過江井施工中得到了成功應(yīng)用并順利下沉,沉井姿態(tài)滿足規(guī)范要求。在實際應(yīng)用過程中,該系統(tǒng)通過自動化的測量方式和高精度的測量技術(shù),快速、準確地獲取沉井的姿態(tài)信息,為工程施工提供了重要的技術(shù)支持。

由于該系統(tǒng)具有自動化程度高、測量精度高、速度快、實時性好、操作簡便等特點,可以廣泛應(yīng)用于沉井的測量和監(jiān)測領(lǐng)域。