GNSS自動監(jiān)測系統(tǒng)在工程實踐中的應(yīng)用

周予啟，張勝良，焦俊娟，張慧麗，陸靜文

(1．中建一局集團建設(shè)發(fā)展有限公司，北京100102;2．北京中建華海測繪科技有限公司，北京100102)

一、研究背景

超高度、大跨度建(構(gòu))筑物，無論在基坑開挖、施工建設(shè)過程中，還是在運營管理過程階段，日照、溫差、風(fēng)力和自振等因素都會引起其動態(tài)變形，近年來，施工過程中基坑坍塌、運營期間樓宇倒塌事故等，在全國各地都有發(fā)生，這些事故不僅給國家和人民的生命財產(chǎn)造成損失，也給企業(yè)造成巨大的信譽和經(jīng)濟損失(如圖1、圖2所示)。因此必須加強建筑物施工過程中和運營期間的監(jiān)測，以防事故的發(fā)生，對于大型建筑的安全性問題，建設(shè)部高度重視，建設(shè)部編寫的“建筑工程施工過程結(jié)構(gòu)分析與監(jiān)測技術(shù)規(guī)范”中明確指出大于200米的超高層建筑在施工中一定要做變形監(jiān)測和安全評估，工程完工后還要經(jīng)常對建筑物進行安全監(jiān)測。

圖1 基坑坍塌

圖2 樓體整體倒塌事故

本文以國家重點工程中央電視臺新臺址、國家貿(mào)易中心三期等項目為實踐對象，研究通過GNSS監(jiān)測技術(shù)進一步完善對基坑、運營期間的建筑物的監(jiān)測方法，并在監(jiān)測體出現(xiàn)異常之初就能做出預(yù)警報告，最大限度地降低建筑危險事件的發(fā)生，以保障人民的生命財產(chǎn)安全。

二、國內(nèi)監(jiān)測現(xiàn)狀研究

1．監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)大橋幾乎都安裝了監(jiān)測系統(tǒng)，一些超大建筑也安裝了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如虎門大橋、青馬大橋、奧運會主場館鳥巢等。這些監(jiān)測系統(tǒng)主要采用精密水準(zhǔn)儀、全站儀、GNSS、加速度計等設(shè)備對橋梁或建筑物位移進行靜態(tài)或動態(tài)的監(jiān)測。對我國的大跨度橋梁、國家重點建筑的安全建設(shè)和運營發(fā)揮了重要作用，但也存在著技術(shù)參差不齊、監(jiān)測精度不高、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一致、各監(jiān)測子系統(tǒng)分立、結(jié)構(gòu)評估方法能力弱、實時性不高等問題。相比而言，在基坑、建筑物監(jiān)測方面還處于剛剛起初階段，需要在工程實踐中進行驗證。

2．傳統(tǒng)方法的弊端

測量系統(tǒng)主要采用全站儀、電子水準(zhǔn)儀等設(shè)備，綜合這些常規(guī)的設(shè)備，其缺點主要表現(xiàn)在:

1)高度超高300 m以上時，激光發(fā)散角變大，全站儀仰角大，無法滿足觀測。

2)不適合在大風(fēng)、大雨等惡劣條件下監(jiān)測，而這種氣候條件恰好是重點監(jiān)測時段。

3)無法進行多點實時和同步測量，也無法進行長時間的連續(xù)測量。

4)受大氣湍流及大氣折光影響，測角、測距精度變低。

5)經(jīng)濟效益差，使用常規(guī)設(shè)備方法需要大量人力和設(shè)備。

因此，為了滿足超高建筑、深基坑的安全實時監(jiān)測要求，必須自主創(chuàng)新，研究新技術(shù)、新方法。

三、監(jiān)測系統(tǒng)介紹

1．建筑物健康監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

1)測量精度不會隨監(jiān)測點高度的增加而較少;

2)可以進行多點實時同步測量;

3)在臺風(fēng)、暴雨等惡劣環(huán)境下仍可進行全天候的連續(xù)測量;

4)監(jiān)測點與基準(zhǔn)點之間不需要通視;

5)可以直接獲得監(jiān)測體的三維坐標(biāo)。

2．監(jiān)測原理

如圖3所示，在需要監(jiān)測的部位布置監(jiān)測站，在穩(wěn)定的區(qū)域布置基準(zhǔn)站，在監(jiān)測部位安置天線，每個天線連接一臺接收機，接收機安裝在柜子中進行防雨防潮保護，接收機24小時通過三維通信模塊輸出基準(zhǔn)站和監(jiān)測點的數(shù)據(jù)并發(fā)送到監(jiān)測中心服務(wù)器。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的處理軟件接收到監(jiān)測站和基準(zhǔn)站的原始數(shù)據(jù)后，進行基線解算，獲取監(jiān)測站高精度的實時三維坐標(biāo)，對監(jiān)測體的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、成圖、預(yù)警、報表。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

3．實踐項目概況

中央電視臺新臺址CCTV主樓屋頂最高標(biāo)高234 m，總建筑面積49．5萬m2，包括兩座斜塔樓(1號塔樓52層，2號塔樓44層)、頂部有14層高的正交懸臂大連體、底部有10層裙樓與3層地下室(如圖4所示)。塔樓1和塔樓2的屋頂標(biāo)高分別為234 m、194 m。

如圖5所示，國貿(mào)三期A標(biāo)段主塔樓高度330 m，B標(biāo)段主塔樓高288 m，與國貿(mào)一期、二期一起構(gòu)成110萬m2的建筑群，成為全球最大的國際貿(mào)易中心。

圖4 中央電視臺新臺址

霞光里5號、6號商業(yè)金融項目:地下6層，地上18層。工程東至規(guī)劃霞光里北一街、西至機場高速、南至北京無線通信局用地、北至中國華大集成電路設(shè)計中心用地。

四、監(jiān)測實施

1．基準(zhǔn)點布設(shè)

在附近穩(wěn)定的地方布設(shè)點位作為基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站應(yīng)至少布設(shè)兩個，基準(zhǔn)站可充分利用城市CORS站。位置選擇要求如下:

1)周圍視野要開闊，在高度角10°以上無遮擋物和產(chǎn)生多路徑反射物。

2)要遠離無線電發(fā)射源及高壓變壓器。

3)要有避雷設(shè)備。

4)基準(zhǔn)站天線電纜要能防雨水，連接可靠，并能在－15℃-+55℃工作。

2．監(jiān)測站的布設(shè)

在建筑物屋頂或基坑邊合適的位置布設(shè)GNSS監(jiān)測點，所有監(jiān)測點都采用鋼制強制對中桿(如圖6、圖7所示)。

圖6 建筑物監(jiān)測點埋設(shè)

圖7 基坑監(jiān)測點埋設(shè)

3．GNSS設(shè)備

北斗兼容的多模多頻高精度接收機。

通道數(shù)256個;可同時接收GPS/BDS/GLONASS三系統(tǒng)八頻點數(shù)據(jù)(L1/L2/L3;B1/B2/B3;G1/G2);采樣率20 Hz。

專用的抗多路徑天線，在提高天線性能的同時，更有效的抑制了多路徑干擾信號。天線的圓錐形保護層，使天線的使用不受冰雪堆積，大雨，雷電等天氣和飛鳥干擾的影響，可全天候工作。

五、數(shù)據(jù)報表

如圖8—圖11所示，利用獲得的監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，通過專用軟件自動處理，顯示監(jiān)測點的位移、速度、加速度曲線等，并在出現(xiàn)異常時實時報警。

圖8 測點管理

圖9 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)位移變化曲線圖

圖10 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)速度圖

圖11 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)加速度圖

六、結(jié)束語

在基坑、建筑物健康監(jiān)測的研究過程中，課題組選擇中央電視臺新臺址、國家貿(mào)易中心三期等有代表性的項目，選用高精度的GNSS設(shè)備，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性，目前監(jiān)測工作還在繼續(xù)。

超高層建筑、深基坑工程是城市未來發(fā)展的趨勢，高質(zhì)量、高精度監(jiān)測是建筑物安全施工和運營的關(guān)鍵，該項技術(shù)可更好地服務(wù)于國家重大建筑工程建設(shè)和運營管理需要，大大提高監(jiān)測系統(tǒng)的安全評估能力，提高我國健康安全監(jiān)測的技術(shù)水平，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ/T 8—2011城市測量規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

［2］ 中華人民共和國建設(shè)部，GB 50026—2007工程測量規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．CJJ/T 73—2010衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［4］ 北京市建設(shè)委員會．DB11/T 446—2007建筑施工測量技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2007．