考慮工況信息的沉降監測評估系統設計與實現

樂亞南 張獻州 莫 春 黃惠峰

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610031)

沉降監測是工程建設中的一項重要工作，通過沉降監測提供的數據和信息，進行示警和預報，可以防止對工程和社會造成不必要的破壞和損失。很多監測單位的野外采集都由現在的電子水準測量代替過去的光學水準測量，數據采集的質量和效率有了大幅度的提高，并且減輕了作業人員的勞動強度。鐵路客運專線變形監測周期長、頻次高，會得到數以萬計的觀測點，如果使用人工方法從這些觀測點上獲取數據信息進行計算、分析、預測，幾乎是不可能實現。現在大多數數據處理系統都是將沉降值和工況信息分開記錄整理入庫，當信息量很大時，這項工作特別費時費力且很易出錯，滿足不了大型工程對安全監測的需要，成為沉降監測的瓶頸。針對現在沉降監測的技術發展水平，介紹一個“考慮工況信息的沉降監測評估系統”。該系統除了具有其他沉降監測數據處理系統的功能外，還具有將沉降值與工況信息同時記錄并整理入庫的功能，實現了一體化、自動化、實用化程度高的沉降監測評估軟件系統。同時，該系統能快速提供監測成果并生成審查報告，對工程安全起到了保駕護航的作用。

1 系統的設計與實現

1.1 系統的分析

沉降監測評估軟件系統主要包括沉降數據處理、沉降綜合分析及預處理、沉降預測分析、工況信息四大模塊。其主要功能是：對沉降觀測的多期數據進行質量檢查，帶工況的平差處理，帶工況信息的成果輸出；對沉降數據進行審查，并生成相應的審查報告，對沉降觀測數據，再次進行綜合分析及預處理(如基準點修正等)，處理結果最終用于沉降分析和預測，并可對異常數據進行分析、區段沉降數據管理，生成區段沉降觀測曲線匯總圖，按照《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》(鐵建設[2006]158號)的要求預測模型，對沉降監測點在不同時間觀測的沉降數據進行預測評估并生成評估報告等。該系統的總體功能結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構

1.2 系統的功能模塊介紹

(1)沉降數據處理模塊

對水準測量原始數據進行預處理、質量控制、平差計算和平差成果輸出等。處理沉降數據時，可以按照規范要求設置各項限差值，同時輸入已知的數據，在導入觀測數據后進行各項限差計算，同時系統會提示是否滿足限差的要求，保證外業的觀測質量。

由于儀器內置程序的記錄格式與我國規范要求不盡相同，因此該系統的程序設計嚴格按照我國現行水準規范要求，可支持多種電子水準儀(包括徠卡、天寶、拓普康等)的解析格式，以實現沉降監測內業和外業一體化、自動化。該模塊可根據工程測量的需要選擇水準測量等級并自動給出視距、閉合差等限差，可選擇數據處理采用何種點名，可根據需要選擇按距離定權還是按測測站數定權，也可以按需要設置相鄰期沉降的限差。

(2)沉降綜合分析及預處理模塊

對施工單位提交的監測數據進行審查，并自動生成相應的沉降數據審查報告；再次對施工單位提交的沉降監測數據進行綜合分析及預處理，處理結果最終用于沉降評估和預警的功能；生成區段沉降觀測曲線匯總圖和高程成果表；具有生成初步評估分析報告的功能。

(3)沉降預測分析模塊

實現了多點或整區段沉降預測計算、單點沉降預測計算、沉降曲線圖的可視化、預測沉降成果輸出，對于批量預測無法通過的點，可在“單點分析”中，采用人機交互的方式進行單點的預測計算。實現了《客運專線鐵路無碴軌道鋪設條件評估技術指南》提供的預測模型，可應用這些數學模型對監測點在不同時期的沉降數據進行曲擬合分析，并生成預測報告。

1.3 工況信息

在沉降監測理論中，工況信息是指對變形體的形變有著顯著影響的環境或施工信息。在沉降變形分析中，工況信息是需要關注分析的重要信息，每次處理完數據必須立即填寫，以免時間太長發生錯誤。例如，對與大壩沉降監測項目，水位的變化、氣溫的變化、荷載等因素都會對大壩產生影響，使其徑向位移發生變化，需要對大壩進行沉降觀測，并及時記錄其工況信息。在本系統中工況信息加入采用兩種方式，平差時加入工況信息，批量監測點沉降信息分析處理時的匹配工況信息。

(1)平差時加入工況信息

在進行內業處理時，需內外業點號對照，已達到內外業間的協調。內外業點號對照表采用DYB格式，輸入外業點號、內業點號、工況信息

工程建筑物沉降觀測，需要考慮工況信息對沉降值的影響。在內外業點號對照表中輸入工況信息，導入該系統時，則可在經平差處理后輸出的最終成果查看工況信息，如果在內外業對照表中沒有輸入工況信息，也可在平差處理時手動輸入(如圖2所示)。

圖2 平差時輸入工況信息

(2)工況信息匹配處理

為了使沉降預測的準確性更高，需要修正基準工作基點的沉降數據。先要對基準點進行時間內插計算，定權后得到工作基點的高程，根據修正后的工作基點高程值對監測點進行平差計算，進而得到修正后的監測點高程值。工作基點修正完成后重新生成的高程成果文件(*.our)中不包含工況信息和斷高狀態，必須進行工況信息和斷高類型的匹配，恢復原來高程成果文件中的信息。傳統做法是將工況信息與沉降值分開記錄整理入庫，但當信息量很大時，這項工作耗費大量的人力物力且很易出錯，本系統可以將原始數據文件與修正后的文件自動進行匹配，生成最終文件，如圖3所示。

2 工況信息的沉降監測評估系統應用

該系統已在多個工程中應用，收到了良好的效果。現已滬寧城際鐵路沉降觀測為例，闡述系統的主要操作步驟。

2.1 數據處理及平差

用電子水準儀對滬寧城際鐵路進行水準觀測，將原始數據導入數據處理模塊，質量檢查合格后，進行閉合差計算、高程平差。在沉降綜合分析和預處理模塊中導入平差數據，可綜合分析評定沉降信息，并進行預處理。按規定格式將各期平差成果建立一個excel數據源，如圖4所示。

圖3 匹配工況信息

滬寧城際電子水準測量記錄手簿

圖4滬寧城際測量數據

2.2 數據綜合分析

將平差成果表及滬寧城際鐵路的屬性數據、基準數據導入，可繪制累計沉降區域圖，生成審查報告和高程表。首先導入高程成果文件，可以是*.our格式，也可以是*.excel格式文件，該文件可以從之前平差后得出的文件中獲取。然后根據需要導入屬性信息表和水井調查表，以及監測點沉降觀測數據、工作基點沉降數據和基準點沉降數據。

2.3 沉降評估

從測點預測分析菜單中導前平差后的數據源，選中其中一個點，單擊“Cal預測計算”，選擇計算模型，對測點進行單點或者全部點的預測，可以看到每個點實測圖和預測圖的對比效果。

本區段共65個測點，每個測點觀測情況統計如表1所示。

本區段主體工程于2009年5月1日完成，主體工程完工后測點觀測情況統計如表2所示。

表1 測點沉降總體情況統計

2.4 橋梁工況信息匹配處理

橋梁的施工狀態或工況信息和沉降監測密切相關，當對基準點工作基點進行多期監測完成后，通過對基準點沉降數據進行綜合處理分析，發現工作基點發生了變化，要對工作基點數據進行修正。利用修正好的工作基點數據修正變形點沉降信息，修正后的沉降信息沒有工況信息，需對其進行匹配。圖5所示為無工況信息和匹配工況信息后對照。

表2 主體工程完工后的測點情況統計

3 結束語

沉降監測數據數據處理系統是一款有效性強、實用性高的內外業一體化軟件，實現了數據綜合分析、數據預處理、沉降預測分析及工況信息匹配的有機集成。工況信息在沉降監測中占有重要地位，該系統設計實現了工況信息下的沉降監測通用數據的處理，成功解決了傳統做法在信息量很大的情況下，易出錯、勞動強度大等難題，使得長大線路的海量沉降監測數據的自動管理更為有效、方便。

序號,外業點號,內業點號,高程,高程中誤差,觀測日期,工況,狀態1,0051503C1,0051503C1,16.48995,0.133,2009-05-03, ,02,0051732C1,0051732C1,15.47101,0.517,2009-05-09, ,03,0051536D1,0051536D1,16.01373,0.629,2009-06-13, ,04,0051797D1,0051797D1,15.46728,0.588,2009-07-04, ,05,0052582D2,0052582D2,15.21144,0.111,2009-07-22, ,01,0051503C1,0051503C1,16.48995,0.133,2009-05-03,墩臺身施工,02,0051732C1,0051732C1,15.47101,0.517,2009-05-09,承臺施工,03,0051536D1,0051536D1,16.01373,0.629,2009-06-13,墩臺身施工,04,0051797D1,0051797D1,15.46728,0.588,2009-07-04,等待架梁,05,0052582D2,0052582D2,15.21144,0.111,2009-07-22,等待鋪軌,0利用工作基點數據修正后1-4-2JD45&4JD46段監測點的信息(無工況信息)利用工作基點數據修正后1-4-2JD45&4JD46段匹配工況信息后的監測點的信息(含工況信息)

圖5工況信息匹配對照

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