全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在大型沉井工程中的開發(fā)與應(yīng)用

摘" 要：大型沉井工程周邊往往存在較多建筑物、構(gòu)筑物，為了更好地控制沉井對周邊影響，沉井過程中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，傳統(tǒng)的人工測量效率低且夜間測量效果不佳，為此開發(fā)一套沉井全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，可對沉井姿態(tài)實(shí)時(shí)測量。結(jié)果表明，全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可在數(shù)十天的過程中穩(wěn)定運(yùn)行，對沉井進(jìn)行高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對實(shí)際工程提供實(shí)時(shí)高程、位移數(shù)據(jù)，為沉井下沉過程中提供準(zhǔn)確的糾偏數(shù)據(jù)，以便達(dá)到良好的就位精度。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；監(jiān)測系統(tǒng)；沉井；糾偏；姿態(tài)

中圖分類號：TU744" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號： 2095-2945（2024）25-0045-04

Abstract： There are often many buildings and structures around large-scale open caisson projects. In order to better control the influence of open caisson on the periphery， real-time monitoring is needed in the process of open caisson. The traditional manual measurement efficiency is low and the night measurement effect is not good. For this reason， a set of fully automatic monitoring system for open caisson is developed， which can measure the posture of open caisson in real time. The results show that the automatic monitoring system can run stably in the process of tens of days， carry out high-precision real-time monitoring of open caisson， provide real-time elevation and displacement data for practical engineering， and provide accurate deviation correction data for the process of caisson sinking， in order to achieve good positioning accuracy.

Keywords： automation; monitoring system; open caisson; correction; posture

沉井工程周邊往往存在變電站、塔吊等建筑物與構(gòu)筑物，低層的永久建筑與高聳構(gòu)筑物對地表變形較為敏感，且沉井結(jié)束時(shí)也需要精準(zhǔn)地落入底部樁基礎(chǔ)之上，因此有必要對沉井施工過程中井身姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[1-2]。沉井下沉期間禁止長時(shí)間停滯，一旦啟動(dòng)就需要連續(xù)不間斷地進(jìn)行測量，而傳統(tǒng)的人工測量方法在高空、夜間、長周期的作業(yè)環(huán)境下存在明顯的不足。因此，需要借助全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)[3-5]，提高工程作業(yè)的精細(xì)化程度。

1" 工程概況

唐山LNG項(xiàng)目海水取排水工程沉井長36.4 m，寬34.15 m，總高度21.5 m，下沉前地面制作高度19.7 m，沉井刃腳設(shè)計(jì)標(biāo)高-15.9 m，井壁和內(nèi)長隔墻一次澆筑；內(nèi)短隔墻為下沉后再進(jìn)行二次澆筑，沉井結(jié)構(gòu)如圖1所示。沉井范圍內(nèi)土層以素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉砂為主，靜止水位+2.20～+3.80 m。沉井采用排水下沉施工工藝[6-9]，即抽取海水高壓沖入沉井結(jié)構(gòu)底層土體，高壓水帶動(dòng)土層從中心向四周排出泥渣，達(dá)到下沉目的，本工程工藝設(shè)備布置如圖2所示。

沖泥時(shí)，在渣漿泵的吸泥龍頭下方（一般均選在控制線區(qū)域內(nèi)鍋底中央），沖挖出一個(gè)直徑約為2.0～2.5 m的集泥坑。然后，用水槍開拓各個(gè)方向通向集泥坑的水溝2～4條，溝的縱向坡度3～5%，如圖3所示。此后，即可向四周開挖鍋底，逐步輻射到刃腳。

為保證沉井下沉安全穩(wěn)定，沉井下沉期間禁止長時(shí)間停滯（停滯后再啟動(dòng)下沉，對沉井安全、偏斜帶來很大影響），下沉前期要做好充足準(zhǔn)備。主要包括以下幾方面。①井體強(qiáng)度：當(dāng)沉井首節(jié)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%以后，其上各節(jié)達(dá)到70%時(shí)方可下沉。②排泥線路完成布置。③安裝好高壓水泵方便取水。④設(shè)備調(diào)試：沉井下沉之前，在井內(nèi)安裝好取泥水槍、排泥管路，并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)，在井內(nèi)檢查運(yùn)轉(zhuǎn)情況，直到符合要求為止。⑤作業(yè)指揮布置：沉井頂部設(shè)置設(shè)備控制及指揮平臺，進(jìn)入下沉作業(yè)前，布置下井平臺，并安裝操作人員下井的安全爬梯，由于下沉施工為24 h不間斷作業(yè)，施工期間人員為2班，沉井四角安裝照明。⑥薄弱點(diǎn)加固：沉井下沉前，切割井壁上所有對拉螺栓，嵌補(bǔ)好對拉螺栓留下的凹槽，并作抗?jié)B處理，井壁上所有預(yù)埋插筋均設(shè)置柔軟外套，以防勾搭或劃傷工作人員。⑦覆土反壓：沉井下沉前，撤出集水井內(nèi)潛水泵后，可以在井壁外側(cè)混凝土墊層拆除后對四周進(jìn)行培土壓實(shí)，堆土量視現(xiàn)場土方而定，高約為3 m。⑧初期取土位置計(jì)算：本沉井非規(guī)則構(gòu)筑物，經(jīng)過計(jì)算，本結(jié)構(gòu)平面質(zhì)心距西面14.3 m，距東面16.7 m，南北方向結(jié)構(gòu)對稱，無偏移。施工時(shí)以平面質(zhì)量中心為參考進(jìn)行取土，讓沉井結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

2" 全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

2.1" 監(jiān)測系統(tǒng)搭建

全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)主要由全自動(dòng)全站儀、棱鏡標(biāo)靶、串口服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)、全站儀防護(hù)罩、計(jì)算機(jī)、平板電腦及系統(tǒng)監(jiān)測軟件組成，構(gòu)成圖如圖4所示。

全站儀現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，完成沉井結(jié)構(gòu)頂部沉降和水平位移監(jiān)測，在結(jié)構(gòu)上設(shè)立觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)上固定棱鏡，棱鏡對準(zhǔn)全站儀。全站儀固定，并且設(shè)立2個(gè)后視點(diǎn)，后視點(diǎn)被認(rèn)為固定不動(dòng)的，對布設(shè)在建筑物上的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測量提取坐標(biāo)及標(biāo)高，從而計(jì)算沉降和位移。

沉井頂部的沉降和位移監(jiān)測點(diǎn)共用一個(gè)點(diǎn)，在沉井頂面4個(gè)角點(diǎn)上分別布置360°棱鏡，通過沉井頂面4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（圖5）的高程計(jì)算出刃角底部高程，將其平均值作為刃角平均標(biāo)高與刃角底部高程相減，得到的最大值與監(jiān)測報(bào)警值對比，若超出報(bào)警值，進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警并同時(shí)提高監(jiān)測頻率。

2.2" 監(jiān)測控制網(wǎng)布設(shè)

2.2.1" 平面控制測量

本工程施工平面控制網(wǎng)的建立采用快速靜態(tài)測量的方法，于本工程附近設(shè)立3個(gè)GPS基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)鋼釘之后用于施工測量架設(shè)GPS流動(dòng)站，強(qiáng)制對中后用快速靜態(tài)測量的方法，每個(gè)控制點(diǎn)上采集300個(gè)歷元數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)點(diǎn)位的WGS-84坐標(biāo)，經(jīng)GPS隨機(jī)軟件計(jì)算后，各控制點(diǎn)位殘差值均小于20 mm，即控制點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)與地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系已確定，施工平面控制網(wǎng)建立完成，控制精度符合規(guī)范、設(shè)計(jì)與施工要求。

2.2.2" 高程控制測量

本工程施工高程控制網(wǎng)的建立采用四等水準(zhǔn)測量的方法，測量前檢查水準(zhǔn)儀i角，ilt;20″即可開始測量。做四等水準(zhǔn)閉合水準(zhǔn)路線，閉合差小于±20■ mm（L為閉合路線長度，km），即施工高程控制網(wǎng)建立完成，控制精度符合規(guī)范、設(shè)計(jì)與施工要求。

2.2.3" 控制網(wǎng)校核的頻率及方式

控制點(diǎn)與加密點(diǎn)的高程采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行復(fù)核，形成閉合或附合水準(zhǔn)測量路線?？刂泣c(diǎn)與加密點(diǎn)的平面采用GPS-RTK進(jìn)行復(fù)測，在3個(gè)方向測量基準(zhǔn)站儀器高度，精確到1 mm；流動(dòng)站測前復(fù)核已知控制點(diǎn)，測后再次復(fù)核已知控制點(diǎn)，復(fù)核結(jié)果要求平面誤差小于2 cm，高程誤差小于3 cm。測量復(fù)核周期一般為一個(gè)月，并填寫工程控制點(diǎn)復(fù)測記錄表。對于重要、易發(fā)生位移的控制點(diǎn)要求每周復(fù)核。

2.3" 施工測量

2.3.1" 平面位置測量

根據(jù)現(xiàn)場的測量控制網(wǎng)資料，利用施工坐標(biāo)與測量控制網(wǎng)的換算關(guān)系來確定施工沉井主軸線，在施工現(xiàn)場設(shè)混凝土墩臺，放樣出沉井軸線，由于沉井過程影響范圍較大，故將軸線控制樁放置在距沉井20 m外。預(yù)制前用白灰標(biāo)注出沉井軸線。

在沉井制作下沉期間，設(shè)立4個(gè)平面控制點(diǎn)位，垂直方向每5 m設(shè)置一組平面控制點(diǎn)位，以便于在沉井過程中對平面位置的觀測，進(jìn)行平面位置控制，控制點(diǎn)考慮在場內(nèi)不易破壞和通視條件較好的位置，并設(shè)置永久標(biāo)識。

2.3.2" 高程測量

當(dāng)沉井制作期間、下沉過程中，根據(jù)標(biāo)高控制點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀測控沉井下沉的平穩(wěn)狀態(tài)，至終沉期間，必須根據(jù)下沉狀態(tài)進(jìn)行糾偏指導(dǎo)。

沉井下沉后，進(jìn)行沉井沉降及位移觀測；事先在澆注沉井混凝土?xí)r，按測量監(jiān)測方案埋設(shè)觀測點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測。同時(shí)設(shè)置深度標(biāo)尺及觀測指針便于觀測。

3" 沉井監(jiān)測數(shù)據(jù)

沉井工程累計(jì)進(jìn)行52 d，穩(wěn)定后四角刃腳平均高程 -15.809 m，如圖6所示，與沉井刃腳設(shè)計(jì)標(biāo)高-15.900 m相差0.091 m，小于規(guī)范限差0.300 m；SP1、SP2、SP3、SP4位移量為0.144、0.109、0.07、0.117 m，均小于規(guī)范限差0.200 m，說明高程、位移控制達(dá)到了較好的效果。

由圖7可知，施工期的前5 d主要作業(yè)以在沉井中心形成集泥坑為主，這期間沉井結(jié)構(gòu)下沉緩慢，逐漸在第10天時(shí)下沉量達(dá)到階段峰值。后期也循環(huán)上述過程，經(jīng)歷了多次峰值，這也與由中心向四周刃腳沖水抽泥的循環(huán)施工工藝關(guān)聯(lián)。越接近終點(diǎn)時(shí)，越發(fā)地控制每日的沉降量，沉井最后2 d基本不進(jìn)行大量的抽泥作業(yè)。

對大型沉井工程規(guī)范要求限差小于200 mm，本工程沉井下沉施工過程中，始終進(jìn)行控制，位移變化如圖8所示。前期對沉井四周進(jìn)行均勻下沉，4個(gè)位移控制點(diǎn)位移變化較為一致，待接近終點(diǎn)時(shí)為了調(diào)整沉井結(jié)構(gòu)姿態(tài)，對四角滿足位移限差的情況下盡量使四角的高程統(tǒng)一，致使終點(diǎn)時(shí)四角的位移數(shù)據(jù)略有偏差。

4" 結(jié)束語

GB/T 51130—2016《沉井與氣壓沉箱施工規(guī)范》對沉井監(jiān)測要求為下沉過程中每日一次，這往往很難監(jiān)測到超限時(shí)刻，即使發(fā)現(xiàn)也可能已經(jīng)產(chǎn)生較大的偏移。隨著測量設(shè)備的更新迭代，全自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)可以很好地對大型沉井進(jìn)行實(shí)時(shí)過程監(jiān)測，有力保證了工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張健健.鎮(zhèn)江五峰山長江大橋北錨碇沉井施工監(jiān)控管理[J].山西建筑，2023，49（3）：155-158.

[2] 韋慶冬.五峰山長江特大橋沉井基礎(chǔ)施工監(jiān)控[J].橋梁建設(shè)，2019，49（3）：108-113.

[3] 鄒進(jìn)貴，鄒雙朝，江文萍，等.施工沉井自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].測繪信息與工程，2007（6）：41-42.

[4] 黃醒春，寇新建，徐張生.大型沉井施工過程的數(shù)字化攝影監(jiān)測[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999（5）：559-563.

[5] 李宗哲，鄭俊杰，付瓊閣.深水超大沉井下沉監(jiān)測與分析[J].水運(yùn)工程，2009（10）：78-84.

[6] 秦順全，譚國宏，陸勤豐，等.超大沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及下沉方法研究[J].橋梁建設(shè)，2020，50（5）：1-9.

[7] 陳閩，王學(xué)海.沉井下沉施工工藝探討[J].中國給水排水，2002（7）：86-87.

[8] 黃建武.深厚軟土地基大型雙沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工控制[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[9] 黃龍華，周煒，劉濤.泰州長江公路大橋中塔墩沉井基礎(chǔ)施工方案研究[J].橋梁建設(shè)，2008（2）：63-66，70.