侯 學
(中鐵四局集團有限公司設計研究院,安徽 合肥 230023)
我國變形監(jiān)測技術自20世紀50年代開始,發(fā)展至20世紀80年代使用自動化遙測,到20世紀90年代開始逐步使用自動化監(jiān)測技術。隨著科學技術的不斷創(chuàng)新和新型監(jiān)測設備的更新?lián)Q代,目前自動化監(jiān)測技術已取得長足的進步,也不斷延伸至各個領域。隨著工程建設領域安全風險意識不斷提高,自動化監(jiān)測系統(tǒng)已然成為當今工程監(jiān)測領域的主旋律。能更好地滿足對工程監(jiān)測的要求也不斷提高。對工程監(jiān)測系統(tǒng)的高頻次、高精度、高效率、及時性、智能化等嚴格要求。因此,在各類基坑、大壩、隧道、橋涵、鐵路等重要的大型項目上,自動化監(jiān)測技術不斷普及,傳統(tǒng)的監(jiān)測方式將面臨淘汰。
系統(tǒng)的設計應滿足一定的原則,盡量做到可靠、經(jīng)濟、合理。監(jiān)測系統(tǒng)是提供獲取結構變形信息的工具,使決策者可以針對特定目標做出正確的決策,設計原則如下:
(1)保證系統(tǒng)的有效性。
(2)保證系統(tǒng)的可靠性。
(3)保證系統(tǒng)的先進性。
(4)保證系統(tǒng)的可操作和易于維護性。
(5)系統(tǒng)應該具有很好的開放性、兼容性。在滿足功能要求的前提下,應充分考慮現(xiàn)代技術的快速發(fā)展,以便系統(tǒng)升級。同時能夠?qū)崿F(xiàn)與交通工程、管理養(yǎng)護等系統(tǒng)對接,實現(xiàn)信息共享。
(6)系統(tǒng)具有遠程固件升級功能:根據(jù)系統(tǒng)自檢以及系統(tǒng)需求可對遠程固件進行完善,且系統(tǒng)具備各種類型的通信協(xié)議和接口,可為后期設備升級服務。
(7)以最優(yōu)成本控制:監(jiān)測系統(tǒng)的一個原則就是利用最優(yōu)布控方式做到既節(jié)省項目成本、后期維護投入的人力及物力,又能最大限度發(fā)揮出實際監(jiān)測的效果。
系統(tǒng)堅持貫徹“技術可行、實施可能、經(jīng)濟合理”的基本原則,使監(jiān)測系統(tǒng)充分發(fā)揮作用,為工程施工和營業(yè)線運營提供數(shù)據(jù)上和技術上的支持。
全站儀自動化監(jiān)測技術是由傳統(tǒng)全站儀監(jiān)測方式衍生而來,從自動全站儀基礎上開發(fā)出的智能化變形監(jiān)測系統(tǒng),其測角精度可達到0.5″,測距精度高,測站局部坐標系統(tǒng)的測量精度可達到毫米級[1]。
全站儀自動化監(jiān)測技術是利用CDMA通信網(wǎng)及因特網(wǎng)遠程控制全自動全站儀,實現(xiàn)對項目現(xiàn)場監(jiān)測棱鏡組進行自動循環(huán)測量,并將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過監(jiān)測終端傳輸至后臺軟件,由后臺軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行解析、平差、運算、篩選,并繪制成工程所需的監(jiān)測圖表(圖1)。
圖1 全站儀監(jiān)測系統(tǒng)架構
2.2.1 全站儀自動化監(jiān)測技術優(yōu)勢
(1) 自動全站儀監(jiān)測系統(tǒng),利用全站儀對多個測點處布設的棱鏡進行自動化掃描,監(jiān)測測點的沉降及位移變化。該系統(tǒng)測量精度高,測點布設方式快捷,并且全站儀和棱鏡在施工期間可實時提供監(jiān)測服務。施工結束后,在運維階段也可作為日常運維監(jiān)測系統(tǒng)繼續(xù)使用,亦可為其他工程測量需求提供服務,設備用途廣泛,可持續(xù)性好。
(2) 該系統(tǒng)監(jiān)測效率高,適應性好,地鐵、隧道等弱光環(huán)境下也不受影響??蓪崿F(xiàn)實時監(jiān)測,滿足涉鐵工程監(jiān)測中監(jiān)測頻次高于1次/2小時的規(guī)定。
(3)系統(tǒng)安裝簡單、快速,能在1~3 d完成儀器及監(jiān)測點位埋設,項目施工過程中可任意增刪監(jiān)測點和控制點,項目實施階段發(fā)生點位破壞、監(jiān)測預警、不可抗力因素等也可及時恢復、增設監(jiān)測點及加密監(jiān)測頻次,極大保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。
《紀效新書》是戚大帥寫給不通文墨的部下看的,自然淺顯易懂。但像“武經(jīng)七書”這種東西,駱劍峰等人就讀得想死。這套自宋朝流傳下來的兵家名著,實為七本兵書的合集,故而名為“七書”,這七本里年代最近的一本,就是之前搞得駱劍峰和成俊麒暈頭轉(zhuǎn)向的《李衛(wèi)公問對》,這本書好歹還是唐初的,另外六本大半傳自春秋戰(zhàn)國時期,每個字單獨拆開來還勉強認得,組合在一起和天書無異!
(4)受施工影響較小。由于儀器架設位置選擇在施工影響區(qū)外的高處(圖2),因此受施工環(huán)境影響較小,減少了監(jiān)測誤差。
圖2 監(jiān)測項目全站儀現(xiàn)場架設圖
2.2.2 全站儀自動化監(jiān)測技術缺陷
(1) 理論上一臺全站儀可以覆蓋的監(jiān)測點位是不受限制的,但實際工程實施過程中,由于受到現(xiàn)場地形條件和監(jiān)測頻次限制,可能需要多臺全自動全站儀對監(jiān)測點位進行完全覆蓋,加大了監(jiān)測成本投入。例如合肥市軌道交通3號線合肥站-銅陵北路站區(qū)間隧道穿越合肥站東咽喉股道群涉鐵工程監(jiān)測中,需對7條鐵路股道路基和軌道幾何變形約300余棱鏡監(jiān)測點進行監(jiān)測,且監(jiān)測頻次需高于1次/2小時,監(jiān)測單位采用了3臺全自動全站儀才得以將監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點交叉覆蓋。
(2) 該監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場通視條件要求高。利用全站儀對棱鏡點進行掃描監(jiān)測,現(xiàn)場受建筑物、電氣化立柱、樹木草叢等影響,對儀器和棱鏡之間的通視條件有較高的要求。
(3)自然環(huán)境因素會影響監(jiān)測數(shù)據(jù),惡劣天氣會對監(jiān)測設備造成損壞。由于全站儀監(jiān)測受大氣折射率影響,因此大面積水域或溫差較大區(qū)域會直接影響監(jiān)測數(shù)據(jù)。全天不同時間段內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)會受氣溫和大氣氣壓等影響,因此進行實時監(jiān)測時必然要搭配環(huán)境監(jiān)測設備,對氣溫和大氣氣壓等進行同期修正,才能保證數(shù)據(jù)的準確性。
(4)全站儀架設、監(jiān)測點、控制點埋設要求較高。必須牢固穩(wěn)定,才能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。營業(yè)線項目技術標準更高,路基監(jiān)測點和軌道幾何變形監(jiān)測點(圖3)都有特殊要求,測點埋設更為嚴格。
圖3 軌道幾何變形監(jiān)測點示意圖
在合肥市軌道交通3號線合-銅區(qū)間下穿合肥站東股道群涉鐵工程監(jiān)測項目中,營業(yè)線柵欄網(wǎng)內(nèi)股道路基采用了全站儀自動化監(jiān)測技術,柵欄往外地表沉降采用傳統(tǒng)水準儀人工監(jiān)測方式進行。在左線盾構下穿過程中,人工水準儀監(jiān)測顯示沉降主要體現(xiàn)在盾構機正上方,最大累計變化值為DB 1-6,累計變化量為-17.40 mm,超出報警值(圖4)。
圖4 DB 1-6監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖
圖5 庫2線監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖
由圖4、圖5并結合施工工況分析可得:盾構機盾構下穿鐵路過程中,盾構機頭前方地表、路基產(chǎn)生輕微隆起;盾構機通過時發(fā)生輕微沉降;盾構機盾尾脫離時,盾構區(qū)間上方發(fā)生較大沉降,沉降主要集中在盾構區(qū)間隧道正上方,即監(jiān)測斷面中的5、6、7號點,庫2線中路基自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示沉降最大點是7號點,最大累計沉降達到了15 mm,與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線基本重合,可證明該自動化監(jiān)測技術的可靠性。該項目盾構下穿過程中發(fā)生了報警,部分報警時段發(fā)生在夜間,證明全站儀監(jiān)測系統(tǒng)在夜間仍不間斷監(jiān)測,及時準確地將監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋至施工單位,為施工提供了有力、及時的數(shù)據(jù)支持,為項目安全生產(chǎn)提供了保障。
目前全站儀自動化監(jiān)測技術廣泛應用于高鐵、地鐵、隧道、邊坡等各類監(jiān)測領域,尤其適用于涉鐵工程監(jiān)測領域,其無須監(jiān)測人員頻繁進入營業(yè)線內(nèi)的實時監(jiān)控方式,極大程度上滿足了營業(yè)線監(jiān)測要求,保障了運營列車和監(jiān)測人員的安全。該類技術適合營業(yè)線監(jiān)測中的盾構下穿、鐵路、公路上跨、箱涵下穿頂進施工、管線直埋、頂進下穿營業(yè)線路基或橋涵等工程。
但是,由于受大氣折射率影響,該類技術并不適用于大面積水域環(huán)境??绾?、海、湖泊等大面積水域的橋梁監(jiān)測中,該類監(jiān)測手段將難以適用。
目前,選擇自動化監(jiān)測已然成為工程建設發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測無論從精度、效率、頻次都已無法滿足施工建設對于安全監(jiān)測的需求。各類重要工程監(jiān)測頻次基本要求為一天8~12次,傳統(tǒng)人工監(jiān)測要想滿足目前的監(jiān)測要求勢必要投入更大的資源力量。而自動化監(jiān)測目前處于快速發(fā)展階段,市場前景廣闊,應用范圍廣泛,安全保障提高,經(jīng)濟增效明顯,所以無論從經(jīng)濟性、安全性,還是從數(shù)據(jù)的精度、效率、頻次等各方面都具有強大的優(yōu)勢。
自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有集成化、一體化的特征,具有遙測、遙控、數(shù)據(jù)遠程傳輸、預警、一體化網(wǎng)絡功能。在實際工程運用中更能體現(xiàn)其優(yōu)勢,通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以對監(jiān)測目標實時監(jiān)控。不同時段監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸至監(jiān)測平臺,進行數(shù)據(jù)存儲、查詢和比較驗證。并且可以借助系統(tǒng),迅速對不同時段、不同監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)進行比較、分析,從而可以更為直觀和全面地把握監(jiān)測目標的變形狀態(tài),對結構健康狀態(tài)進行評估,及時向施工、設計、運營單位反饋信息,確保了施工過程中形成更為及時有效的信息反饋機制,確保工程順利進展。
從工程經(jīng)濟效益上,可以極大提高工程施工的安全性,節(jié)約勞動力成本,為工程效益增值。從社會影響來看,自動化監(jiān)測技術避免了人為因素影響,系統(tǒng)具有極高的可信度。該系統(tǒng)擾動小,測點和設備的可循環(huán)利用性也節(jié)約了資源,有利于循環(huán)利用和節(jié)能環(huán)保。整個系統(tǒng)發(fā)展前景廣闊,不僅在工程建設領域,而且在電力、水利、自然災害預警等各方面也具有良好的市場前景,具有較高的研究及應用價值。
自動化監(jiān)測系統(tǒng)在工程變形測量中可以大大縮減人力資源的投入,有效節(jié)約人員成本??梢詫崿F(xiàn)全過程遠程操控、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時共享,這為工程安全建設提供了強力的數(shù)據(jù)支持,有效減少工程建設領域安全事故的發(fā)生,為工程建設增值。與此同時,該類技術也可應用于監(jiān)測各類自然災害(如山體滑坡、泥石流等),存在巨大的社會價值。
自動化監(jiān)測與傳統(tǒng)人工監(jiān)測方式對比,目前已有大量文獻及工程實踐證明自動化監(jiān)測技術的可靠性、優(yōu)越性。未來的監(jiān)測項目中,自動化監(jiān)測技術勢必會替代傳統(tǒng)人工監(jiān)測技術。通過實踐證明:全站儀自動化監(jiān)測技術應用最為廣泛,適用性最強,除特定監(jiān)測項目外,基本適用于各類監(jiān)測項目,能直接反映監(jiān)測目標的空間變化。
隨著科學技術的發(fā)展創(chuàng)新,監(jiān)測儀器的推陳出新,自動化監(jiān)測技術也將不斷完善,發(fā)展前景廣闊,潛在社會價值較高。