基于沉降自动化监测系统在不良地质作用下的应用.pdf
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1、91建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing基于沉降自动化监测系统在不良地质作用下的应用泽仁多吉1,张康财2,杨静2(1.西藏天路股份有限公司,西藏 拉萨 850005;2.中电建安徽长九新材料股份有限公司,安徽 池州 247099)摘要:以某市下穿既有地铁站的地下三层岛式地铁车站作为自动化监测方案的项目应用实例,简述了不良地质作用下沉降自动化监测系统的工作原理及核心算法,并提出了“基准角差分”的计算方法,相对准确地求得变形点的方位角。经实践测试,该监测方案及数据处理方法对类似工程的沉降自动化监测具有一定的参考意义和实用价值。关键词:沉降自动化监测
2、;不良地质;下穿既有地铁;施工安全中图分类号:TP277;U416.1 文献标识码:A 文章编号:2096-3815(2023)04-0091-040引言随着城市轨道交通工程建设的快速推进,地铁车站基坑及区间隧道施工向纵深发展。轨道交通工程建设常常遇到各种复杂地质条件,一方面为保障施工安全,对监测技术手段提出了更高的要求;另一方面,受地铁沿线施工活动扰动的影响,地铁车站基坑及区间隧道可能会产生附加变形,由此产生一定的安全隐患1,因此在工程建设及运营过程中必须加强变形监测。当前,监测技术已由人工值守测量发展成了远程实时的自动化监测2-6,通过自动化监测系统,实现远程地对沉降、水平位移数据进行实时
3、采集及信息化管理,从而尽可能地减少或避免工程灾害的发生。1自动化监测系统的构成及原理1.1系统的构成从整体上讲,自动化沉降监测系统由监测主体机器人(主要包括全自动高精度全站仪)、CDMA通讯模块、监测软件系统(WebMos)、数据处理专用服务器4部分构成。各组成部分相互关系如图1所示。图1自动化监测系统的主要构成部分1.2监测实现原理完整的监测流程主要由以下3步组成:(1)操作者远程通过WebMos监测系统的监控模块向现场监测机器人发出指令,监测机器人接收操作指令后,按照设置的测量程序及测量时间对变形点和校核点进行逐点扫描、记录、计算及自校,并将测量数据返回到监测服务器。通过Internet网
4、络及DTU通讯模块来实现计算机与测量仪器之间的通讯,这样只92建筑科技2023 年 第 4 期评估与检测Assessment And Testing需保证测试现场有CDMA(或GPRS)无线通信信号,即可实现远程对测量仪器进行实时操控。(2)监测软件系统通过调用监测服务器的数据库获得各监测点所测得的监测数据(包括平面及高程在内的三维变形量),并通过系统的数据分析模块对监测数据进行整理、计算与分析。(3)根据三维变形量值绘制变形时程曲线。1.3基准角差分的算法模型系统的算法模型是系统开发设计的核心7。在监测系统中,为提高监测精度,消除外界误差造成的影响,利用基准点坐标,采用MRDiff(Mult
5、iple Real-time Difference)多重实时差分技术求得各变形点的坐标变化量。(1)基准角的差分改正。在长期的监测过程中,由于列车运行、仪器微动等因素不可避免地会造成水平度盘零方向的变化,这对水平方位角的精准测量具有重要影响,因此须有效地消除这方面的测量误差。用0iJH表示基准方位角,用表示基准点其它周期测量所得的方位角,那么与基准方位角相比,存在方位角误差iH:0iiJJiHHH=式(1)如果仅仅求出多个监测基准点的平均值作为基准方位角,并不能准确反映这一差异,故本文提出了“基准角差分”,以相对准确地求得变形点的方位角。假设设置J1、J2、J33个基准点,则可以组成C23=3
6、个基准角,可以依据下式求出每个基准角在2期观测中的变化值Hij:式(2)在3个基准角的变化值Hij中,通过对比,找出绝对值最小的角度,假设此角度为H13,那么仪器方位漂移的改正值即用此角度2个基准点的“方位角差异”(即H1、H3)的平均值表示。同时,在每个测量周期测得的方位角测量值PH中同步计入求得的“方位角差异”H,以求得误差较小的相对精准的方位角HP:HHHPP=式(3)(2)计算公式。综合以上基准角的差分改正方法,每周期各变形点的三维坐标可由以下公式计算求得:+=+=+=000sinsincoscoscosZVdZYHVdYXHVdXPPPPPPPP 式(4)式中:X0、Y0、Z0监测站
7、的坐标值。若设(X1P,Y1P,Z1P)表示第1周期变形点的初始坐标值,则相比第1周期各测点的变形量为:=111PPPPPPPPPZZZYYYXXX 式(5)(3)精度分析。对式(5)进行微分运算,求得三维坐标测量的精度估算公式:式(6)根据elmert点位误差估计公式:222ZYXPmmmm+=式(7)即P点的点位中误差:式(8)基于以上的算法公式及误差处理公式,编写自动化监测软件的数据处理核心算法,自动计算各监测点的变形量。2自动化监测过程本文设计的自动化监测方案主要由以下3个过程组成:(1)建立监测控制网。确定监测的区域范围后,按照GB 509112013城市轨道交通工程监测技术规范及G
8、B/T 503082017城市轨道交通工程测量规范要求,选取测量基准点,通过常规方法测得各基准点的平面坐标及高程,以隧道前进方向为北向,完成隧道内统一监测坐标系统的建立。(2)确定自动定位数据并调试系统。安装测量仪器及信息通讯模块后,进行基准点和监测点的远程监测测试,测试连接成功后,对监测系统进行调试。以基准点的3次观测测回测量值作为基准点原始数据,进行基准角的差分改正后,作为各监测点的初始值。(3)日常监测。通过自动化监测系统及CDMA 控制,按照设定的观测测回数,自动完成各测点的日常常规监测。3项目应用3.1项目概况本文选取某市某-3层岛式地铁车站作为自动化监测方案的应用实践,该站是和既有
9、线路的换乘车站,车站总长177.9 m,车站标准段宽23.7 m,覆土约3.0 m,地面设计标高8.5 m,标准段底板埋深为27.44 m。本站大小里程端均为盾构始发;本场地范围内主要特殊岩土有风化岩、残积土和软土。软土的力学性质差,易于被扰动。场地内淤泥质土为欠固结土,欠固结土体工后沉降较大,可能引起地表或上覆建构筑物的不均匀沉降或者变形,同时影响桩基的侧摩阻力。风化岩和残积土泡水软化后强度会明显降低,变形会加大。在基坑开挖过程中,为避免风化岩、残积土遇水崩解,从而引起基坑垮塌等安全事故,采取了对本项目影响区内进行全面、系统的监测,并及时反馈监测信息,确保地铁隧道93建筑科技2023 年 第
10、 4 期评估与检测Assessment And Testing的安全和工程的顺利进行。3.2自动化监测方案的实施3.2.1监测控制网的布设及稳定性检核(1)监测控制网的布设。根据本监测项目的监测范围要求,为确保影响区内进行全覆盖监测,在每条隧道布设8个基准点(同时在基准下方布设8个“L型”弯勾点作为高程校核点),在施工影响范围外,隧道双线每端布置4个基准点。(2)基准网(基准点)检核方法。本项目基准点稳定性检核一般分为竖直方向与水平方向稳定性检核,水平方向稳定性检核时采用后方交会法及极坐标法进行,竖直方向稳定性检核采用二等水准测量的方向进行。具体做法如下:基准点竖直方向稳定性检核:基准点竖向稳
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