自動測量技術在沉井下沉姿態測量中的研究及應用

唐 慶

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200002)

0 引言

隨著現代工程技術的不斷發展,對建筑結構和基礎工程的要求日趨嚴格。在許多大型基礎設施工程中,沉井作為一種常見的深基礎結構,其安全性和穩定性對整個工程的成功施工至關重要。特別是在地鐵、橋梁、高層建筑等工程中,沉井的下沉姿態監測成為確保工程質量的關鍵環節。

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

1 沉井下沉姿態監測的重要性

1.1 下沉姿態的定義

下沉姿態是一種描述沉井結構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語。它涉及沉井結構相對于基準點或初始位置的整體位移,以及沉井內部不同部分之間的相對位移。下沉姿態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、旋轉等復雜變形。

1.2 下沉姿態監測的重要性

下沉姿態的測量和監控對于評估沉井的結構完整性和工程安全性至關重要。沉井的位移、傾斜、旋轉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對于預防潛在的結構問題,確保沉井和相關結構的長期穩定性,以及維持工程進度和質量具有關鍵作用[2]。

1.3 下沉姿態自動監測的必要性

由于沉井下沉姿態的復雜性,傳統的人工測量方法已經無法滿足現代工程的精確度和高效施工要求。因此,采用自動測量系統及方法進行沉井下沉姿態監測已經成為一種必然趨勢。下沉姿態自動監測具有以下幾方面的優勢:

1)確保工程質量和安全。沉井下沉可能導致結構失穩、裂縫、傾斜甚至坍方,從而危及工人安全和工程完整性,影響工程質量。通過自動測量系統進行實時監測,工程師和管理人員可以及時發現潛在問題,采取預防措施,避免災難性后果。

2)提高施工效率。自動測量系統能夠提供精確、連續的數據,有助于工程施工團隊更好地了解沉井的動態變化情況,優化施工計劃,減少不必要的人工干預,提高施工效率。

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

2 沉井姿態測量現狀及發展

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。在沉井結構頂部設置若干個監測點進行監測,下沉過程中測量人員對沉井姿態進行全程監測,一旦發生偏移,現場立即采取糾偏措施,如圖2所示。

2.2 自動測量技術

1)采用GNSS測量技術,通過采集、通信、數據處理三系統的結合,實現掌握沉井實時姿態及其變化規律的技術方法。

2)采用全站儀測量機器人自動測量系統對沉井特征點進行實時自動監測,通過測量成果轉換成沉井姿態數據。

2.3 沉井姿態測量技術的發展

在今后的工程測量專業內,將更重視自動化、圖像化、數據化。新技術、新機械的引進也是至關重要的。

1)自動化技術。當今機械全自動化已經是一大趨勢,目前已初步應用到工程測量中,通過計算機控制測量機器人進行自動測量,測量的數據自動處理(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。在工程測量中,運用圖像進行表現,不僅簡單易行,而且精度高、效果好,便于儲存處理。其優越性具體表現在以下幾個方面:a.精度高;b.信息豐富;c.編輯方便。

3)數字化測量技術。現代工程測量技術及測量儀器向數字化、電子化、自動化方向發展,它打破了傳統工程測量理念,形成目前較好的一套數字化測量解決方案。數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)筑物的位置、姿態等形式。

3 自主研發沉井下沉姿態自動測量系統

3.1 系統組成

因工程需求,我公司自主研發了沉井下沉姿態自動測量系統,該系統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。系統配置了兩臺全站儀,可以覆蓋整個沉井范圍進行下沉姿態測量。

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,固定設置在沉井墻體外側的各特征點處。

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

3.2 測量原理與方法

沉井下沉姿態自動測量系統采用的測量方式為導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,全站儀將測得的數據傳給計算機,并由計算機進行數據處理與分析,最終得出沉井的下沉姿態成果[4-6]。

4 方形沉井下沉姿態自動測量系統應用案例

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構,底板下部設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。井壁設置3處內臺階,上側墻井壁厚度1 m,中側墻井壁厚度1.2 m,下側墻井壁厚度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,地質情況比較復雜,所以采用自動測量系統進行沉井下沉姿態監測。

4.2 具體實施

1)工作基點與觀測點設置。架設兩臺全站儀和后視棱鏡的工作基點布設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置在方形沉井四角,且位于距沉井頂部下方30 cm處的外側墻體上。

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線和水準聯測,測定工作基點的平面坐標和高程,作為下沉姿態測量的依據。施工過程中應妥善保護工作基點,并進行定期檢查和復測。

2)自動觀測。自動測量開始前,將沉井設計數據、工作基點坐標和高程以及相關參數等輸入到系統程序內,建立項目數據庫。然后由系統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內即可完成。

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

3)數據處理。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、旋轉等姿態成果(見圖5,圖6)。

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

4)數據解析。沉井下沉過程中的測量數據是確保沉井施工質量和安全性的重要指標。以下是對沉井下沉過程測量數據的一些解析:

下沉速度:下沉速度是反映沉井下沉過程的重要指標之一。通過實時監測下沉量和下沉速度,可以判斷沉井是否處于穩定下沉狀態,是否出現異常情況。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導致的,需要及時采取措施進行調整,從累計下沉量可以看出,四角相對高差平穩受控,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。通過實時監測傾斜度,可以及時發現并糾正偏斜,確保沉井的垂直度和穩定性。

5 圓形沉井下沉姿態自動測量系統應用案例

5.1 工程概況

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

1號盾構井采用沉井工藝:沉井為圓形結構,其外徑φ19 m,內徑φ16 m,下沉深度25.3 m,沉井兼做DN5 000盾構工作井、DN4 000盾構接收井以及與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次外臺階結構,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雜,制作、下沉控制要求高,所以采用自動測量系統進行沉井下沉姿態監測。

5.2 具體實施

1)工作基點與觀測點設置。我們采用了無線模塊網絡、數據采集與處理、數據傳輸和監控組成的沉井下沉姿態自動測量系統。

架設兩臺全站儀和后視棱鏡的工作基點布設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置在方形沉井四角,且位于距沉井頂部下方30 cm處的外側墻體上。

根據工程需求,我們在沉井的關鍵部位安裝了目標棱鏡,以實時監測沉井的下沉姿態。數據采集與處理完全自動化,系統通過計算機無線模塊網絡實時采集沉井的位移和傾斜數據,并通過數據采集與處理進行預處理和篩選。然后利用先進的數據處理算法對篩選后的數據進行進一步處理和分析,提取出沉井的下沉姿態信息[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線和水準聯測,測定工作基點的平面坐標和高程,作為下沉姿態測量的依據。施工過程中應妥善保護工作基點,并進行定期檢查和復測。

2)自動觀測。自動測量開始前,將沉井設計數據、工作基點坐標和高程以及相關參數等輸入到系統程序內,建立項目數據庫。然后由系統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內即可完成。

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

3)數據處理。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、旋轉等姿態成果(見圖10,圖11)。

5.3 數據解析

解析的目的是從原始數據中提取有用的信息,以便于分析和解釋。趨勢分析: 數據顯示了沉降在不同時間點的變化趨勢。可以觀察到隨著時間的推移,沉降的累積數據逐漸增加,沉井刃角數據平穩受控,對于確保整個施工的安全和質量至關重要。解釋與預測: 數據的解析還可以用于解釋沉降的原因并預測未來的趨勢。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于沉降過程的深入理解。

5.4 系統應用效果評估

通過實際應用案例的驗證,我們發現沉井下沉姿態自動測量系統具有以下優勢:1)高精度:系統通過集成先進的傳感器和數據處理算法,能夠實現對沉井下沉姿態的高精度測量。2)高效率:系統能夠實現實時監測和數據傳輸,大大提高了工作效率。3)安全性提升:通過實時監測沉井的下沉姿態,系統能夠及時發現并處理潛在的安全風險,提高了工程的安全性。

6 結語

研發自動測量系統,系統用于沉井施工中監測沉井下沉深度、下沉速度、井體傾斜量、井體偏移量、井體旋轉量,以準確地指導沉井下沉施工,確保施工順利安全進行。

沉井下沉姿態自動測量系統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用并順利下沉,沉井姿態滿足規范要求。在實際應用過程中,該系統通過自動化的測量方式和高精度的測量技術,快速、準確地獲取沉井的姿態信息,為工程施工提供了重要的技術支持。

由于該系統具有自動化程度高、測量精度高、速度快、實時性好、操作簡便等特點,可以廣泛應用于沉井的測量和監測領域。