樂亞南 張獻州 莫 春 黃惠峰

(西南交通大學地球科學與環(huán)境工程學院，四川成都 610031)

沉降監(jiān)測是工程建設中的一項重要工作，通過沉降監(jiān)測提供的數(shù)據(jù)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(jiān)測單位的野外采集都由現(xiàn)在的電子水準測量代替過去的光學水準測量，數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率有了大幅度的提高，并且減輕了作業(yè)人員的勞動強度。鐵路客運專線變形監(jiān)測周期長、頻次高，會得到數(shù)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(shù)據(jù)信息進行計算、分析、預測，幾乎是不可能實現(xiàn)?，F(xiàn)在大多數(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(jiān)測的需要，成為沉降監(jiān)測的瓶頸。針對現(xiàn)在沉降監(jiān)測的技術發(fā)展水平，介紹一個“考慮工況信息的沉降監(jiān)測評估系統(tǒng)”。該系統(tǒng)除了具有其他沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(xiàn)了一體化、自動化、實用化程度高的沉降監(jiān)測評估軟件系統(tǒng)。同時，該系統(tǒng)能快速提供監(jiān)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(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的分析

沉降監(jiān)測評估軟件系統(tǒng)主要包括沉降數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行質(zhì)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(shù)據(jù)進行審查，并生成相應的審查報告，對沉降觀測數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)進行分析、區(qū)段沉降數(shù)據(jù)管理，生成區(qū)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(jiān)測點在不同時間觀測的沉降數(shù)據(jù)進行預測評估并生成評估報告等。該系統(tǒng)的總體功能結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構

1.2 系統(tǒng)的功能模塊介紹

(1)沉降數(shù)據(jù)處理模塊

對水準測量原始數(shù)據(jù)進行預處理、質(zhì)量控制、平差計算和平差成果輸出等。處理沉降數(shù)據(jù)時，可以按照規(guī)范要求設置各項限差值，同時輸入已知的數(shù)據(jù)，在導入觀測數(shù)據(jù)后進行各項限差計算，同時系統(tǒng)會提示是否滿足限差的要求，保證外業(yè)的觀測質(zhì)量。

由于儀器內(nèi)置程序的記錄格式與我國規(guī)范要求不盡相同，因此該系統(tǒng)的程序設計嚴格按照我國現(xiàn)行水準規(guī)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(xiàn)沉降監(jiān)測內(nèi)業(yè)和外業(yè)一體化、自動化。該模塊可根據(jù)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(shù)據(jù)處理采用何種點名，可根據(jù)需要選擇按距離定權還是按測測站數(shù)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(jiān)測數(shù)據(jù)進行審查，并自動生成相應的沉降數(shù)據(jù)審查報告；再次對施工單位提交的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)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(qū)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(xiàn)了多點或整區(qū)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(xiàn)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(shù)學模型對監(jiān)測點在不同時期的沉降數(shù)據(jù)進行曲擬合分析，并生成預測報告。

1.3 工況信息

在沉降監(jiān)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(huán)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(shù)據(jù)必須立即填寫，以免時間太長發(fā)生錯誤。例如，對與大壩沉降監(jiān)測項目，水位的變化、氣溫的變化、荷載等因素都會對大壩產(chǎn)生影響，使其徑向位移發(fā)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(tǒng)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(jiān)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(nèi)業(yè)處理時，需內(nèi)外業(yè)點號對照，已達到內(nèi)外業(yè)間的協(xié)調(diào)。內(nèi)外業(yè)點號對照表采用DYB格式，輸入外業(yè)點號、內(nèi)業(yè)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(nèi)外業(yè)點號對照表中輸入工況信息，導入該系統(tǒng)時，則可在經(jīng)平差處理后輸出的最終成果查看工況信息，如果在內(nèi)外業(yè)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(shù)據(jù)。先要對基準點進行時間內(nèi)插計算，定權后得到工作基點的高程，根據(jù)修正后的工作基點高程值對監(jiān)測點進行平差計算，進而得到修正后的監(jiān)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(tài)，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(tǒng)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(tǒng)可以將原始數(shù)據(jù)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(jiān)測評估系統(tǒng)應用

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

2.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)處理模塊，質(zhì)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(shù)據(jù)，可綜合分析評定沉降信息，并進行預處理。按規(guī)定格式將各期平差成果建立一個excel數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)綜合分析

將平差成果表及滬寧城際鐵路的屬性數(shù)據(jù)、基準數(shù)據(jù)導入，可繪制累計沉降區(qū)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(jù)需要導入屬性信息表和水井調(diào)查表，以及監(jiān)測點沉降觀測數(shù)據(jù)、工作基點沉降數(shù)據(jù)和基準點沉降數(shù)據(jù)。

2.3 沉降評估

從測點預測分析菜單中導前平差后的數(shù)據(jù)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(qū)段共65個測點，每個測點觀測情況統(tǒng)計如表1所示。

本區(qū)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(tǒng)計如表2所示。

表1 測點沉降總體情況統(tǒng)計

2.4 橋梁工況信息匹配處理

橋梁的施工狀態(tài)或工況信息和沉降監(jiān)測密切相關，當對基準點工作基點進行多期監(jiān)測完成后，通過對基準點沉降數(shù)據(jù)進行綜合處理分析，發(fā)現(xiàn)工作基點發(fā)生了變化，要對工作基點數(shù)據(jù)進行修正。利用修正好的工作基點數(shù)據(jù)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(tǒng)計

3 結束語

沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是一款有效性強、實用性高的內(nèi)外業(yè)一體化軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)綜合分析、數(shù)據(jù)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(jiān)測中占有重要地位，該系統(tǒng)設計實現(xiàn)了工況信息下的沉降監(jiān)測通用數(shù)據(jù)的處理，成功解決了傳統(tǒng)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(jiān)測數(shù)據(jù)的自動管理更為有效、方便。

序號,外業(yè)點號,內(nèi)業(yè)點號,高程,高程中誤差,觀測日期,工況,狀態(tài)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(shù)據(jù)修正后1-4-2JD45&4JD46段監(jiān)測點的信息(無工況信息)利用工作基點數(shù)據(jù)修正后1-4-2JD45&4JD46段匹配工況信息后的監(jiān)測點的信息(含工況信息)

圖5工況信息匹配對照

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