盧松耀，梁龍昌，何廣靜

(1.廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

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基于測(cè)量機(jī)器人的高支模變形監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用

盧松耀1，梁龍昌1，何廣靜2

(1.廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275)

在高支模變形監(jiān)測(cè)中，針對(duì)高支模結(jié)構(gòu)復(fù)雜、事故突發(fā)等特點(diǎn)，提出了以高精密的測(cè)量機(jī)器人為主體的測(cè)量設(shè)備，通過(guò)自由設(shè)站混合基點(diǎn)網(wǎng)進(jìn)行了高支模變形監(jiān)測(cè)，為提高高支模變形預(yù)警自動(dòng)化與智能化提供了新的思路。

高支模；測(cè)量機(jī)器人；基準(zhǔn)點(diǎn)；變形監(jiān)測(cè)；變形分析

一、引 言

高支撐模板系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為高支模，是指水平混凝土構(gòu)件模板支撐系統(tǒng)高度超過(guò)8 m，或跨度超過(guò)18 m，施工總荷載大于10 kN/m2的模板及其支撐系統(tǒng)[1]。模板支撐系統(tǒng)連接構(gòu)件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現(xiàn)象頻發(fā)[2]，而且事故通常在工程施工過(guò)程中突然發(fā)生，從而造成群死群傷的惡性傷亡事故[3]，具有事故突發(fā)性和高危性。為確保支撐模板系統(tǒng)穩(wěn)固和安全，必須對(duì)支撐模板系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)。

以往高支模監(jiān)測(cè)采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)量沉降、全站儀(經(jīng)緯儀)測(cè)量平面位移，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度不高，監(jiān)測(cè)人員和儀器在高支模支架下作業(yè)，安全無(wú)法保障。為提高測(cè)量的精度和效率，保障安全施工，本文通過(guò)具體工程實(shí)例闡述采用徠卡測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行高支模的沉降和平面位移測(cè)量的新測(cè)量手段，并取得了顯著成效。

二、高支模變形監(jiān)測(cè)特點(diǎn)

高支模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各種連接構(gòu)件多，在布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)要考慮測(cè)量機(jī)器人的通視條件。高支模坍塌事故具有突發(fā)性，在工程連續(xù)施工過(guò)程中，需要對(duì)高支模進(jìn)行持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取高支模變形數(shù)據(jù)，指導(dǎo)高支模工程安全施工。高支模工程環(huán)境復(fù)雜，在施工工地上有很多施工車(chē)輛和機(jī)械設(shè)備。在變形監(jiān)測(cè)中，要顧及監(jiān)測(cè)人員人身安全和施工對(duì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。

三、變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.自由設(shè)站混合基點(diǎn)網(wǎng)

變形監(jiān)測(cè)需建立多周期變形觀測(cè)的統(tǒng)一、可靠基準(zhǔn)，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行檢核、復(fù)測(cè)。利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，機(jī)器人(測(cè)站)的坐標(biāo)通過(guò)后方交會(huì)基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)時(shí)改正得到，同時(shí)通過(guò)測(cè)量機(jī)器人可以獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。變形監(jiān)測(cè)一般需要建立監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)，以及布設(shè)測(cè)站點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，涉及基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)[4], 根據(jù)高支模變形監(jiān)測(cè)的特性，本文采用了一種混合基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)布設(shè)方法[5](如圖1所示)。在變形區(qū)外穩(wěn)固、不易破壞的地方布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)(圖1中J1—J4)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)上不設(shè)站，只安裝強(qiáng)制對(duì)中棱鏡。工作基點(diǎn)(圖1中GJ1-GJ3)設(shè)在便于監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)的任意合適的位置，稱為自由設(shè)站。但一經(jīng)選點(diǎn)，需要設(shè)立穩(wěn)固的觀測(cè)設(shè)施，如強(qiáng)制對(duì)中裝置。

圖1 混合基點(diǎn)網(wǎng)示意圖

2.單點(diǎn)極坐標(biāo)法

單點(diǎn)極坐標(biāo)法是測(cè)量機(jī)器人測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的重要方法。如圖2所示，需要測(cè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)到測(cè)站的距離，測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)站連線與兩個(gè)已知點(diǎn)連線的夾角。設(shè)全站儀在B點(diǎn)觀測(cè)值分別為：水平角α、垂直角β、斜距S，則C點(diǎn)坐標(biāo)為

式中，αBC=αBA+α。

圖2 極坐標(biāo)法示意圖

極坐標(biāo)法簡(jiǎn)單實(shí)用，但需要作定向點(diǎn)角度距離檢查，并通過(guò)重復(fù)觀測(cè)來(lái)提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)成果的可靠性。

3.測(cè)量機(jī)器人及其自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

瑞士Leica生產(chǎn)的精密測(cè)量機(jī)器人綜合長(zhǎng)距離的自動(dòng)精確照準(zhǔn)、小視場(chǎng)、數(shù)字影像采集等先進(jìn)技術(shù)，具有精度高、速度快、測(cè)量全自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以全天候無(wú)間斷工作，即使被監(jiān)測(cè)物發(fā)生最細(xì)微的結(jié)構(gòu)變形，也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)[6]，因此選擇該儀器為主要的變形監(jiān)測(cè)設(shè)備。

武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院針對(duì)常見(jiàn)的工程變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用，基于Leica測(cè)量機(jī)器人SDK開(kāi)發(fā)了一套測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件[7]。本文采用該系統(tǒng)進(jìn)行高支模變形監(jiān)測(cè)的研究與應(yīng)用，以提高高支模變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化水平。

變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)軟件功能如圖3所示。文件管理模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的文件管理；初始化設(shè)置可以進(jìn)行氣象改正設(shè)置；學(xué)習(xí)測(cè)量可以進(jìn)行測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)學(xué)習(xí)；自動(dòng)測(cè)量中如果觀測(cè)出現(xiàn)意外錯(cuò)誤，如誤差超限、目標(biāo)被遮擋等則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并進(jìn)行相應(yīng)的延遲處理或重復(fù)執(zhí)行等操作。在所有的測(cè)量過(guò)程都順利完成之后，則通過(guò)相應(yīng)的指令將數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)改正，得到差分處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果。

四、高支模變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

高支模變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。圖中測(cè)量機(jī)器人采用Leica生產(chǎn)的TCA1800全站儀，并配備武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件，提高了高支模變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平?；鶞?zhǔn)點(diǎn)不設(shè)站但強(qiáng)制對(duì)中安置徠卡圓棱鏡，監(jiān)測(cè)點(diǎn)強(qiáng)制對(duì)中裝置棱鏡，工作基準(zhǔn)點(diǎn)為帶有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩，采用自由設(shè)站、極坐標(biāo)和邊角交會(huì)技術(shù)方法，測(cè)定基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由測(cè)量機(jī)器人、計(jì)算機(jī)及通信電纜建立基站，測(cè)量人員可以在離高支模較遠(yuǎn)的安全地帶進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

圖3 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)軟件

圖4 高支模變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

本文以永龍隧道及道路工程橋梁高支模變形監(jiān)測(cè)為例，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)如圖5所示，高支模12號(hào)墩上蓋梁橫斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖6所示?；鶞?zhǔn)網(wǎng)布設(shè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的同一側(cè)。在工作基點(diǎn)上架設(shè)測(cè)量機(jī)器人，需要觀測(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)上安裝棱鏡和強(qiáng)制對(duì)中裝置，其中基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū)的穩(wěn)固區(qū)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置完成后，設(shè)置測(cè)量機(jī)器人對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)周期性自動(dòng)化觀測(cè)。通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的持續(xù)的周期性觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較、實(shí)時(shí)改正，從而得出變形點(diǎn)的三維變形量，并進(jìn)行安全和穩(wěn)定性等分析，得出變形體的變形趨勢(shì)。

圖5 高支模變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

圖6 蓋梁橫斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

為了使監(jiān)測(cè)成果能更好地指示變形方向,以平行于監(jiān)測(cè)斷面為Y坐標(biāo)軸、垂直于監(jiān)測(cè)斷面方向?yàn)閄坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系統(tǒng)。

五、變形監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

本文高支模變形監(jiān)測(cè)中，業(yè)主和設(shè)計(jì)方根據(jù)相關(guān)規(guī)范和規(guī)程，對(duì)高支模監(jiān)測(cè)提出變形預(yù)警值、控制值和精度要求等：

1) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移及沉降變形量每期不能超過(guò)2.0mm。

2) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移預(yù)警值為10mm、控制值為15mm。

3) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降預(yù)警值為8mm、控制值為10mm。

4) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于工作基準(zhǔn)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)精度要求為1mm。

5) 根據(jù)變形情況，觀測(cè)頻率為20～30min監(jiān)測(cè)一次。

本文高支模變形監(jiān)測(cè)基于測(cè)量機(jī)器人配合武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，可以大大提高監(jiān)測(cè)效率和監(jiān)測(cè)精度，每期監(jiān)測(cè)時(shí)間不到4min。應(yīng)工程施工要求，在施工過(guò)程中持續(xù)監(jiān)測(cè)，時(shí)間一般在20h左右，每隔20～30min進(jìn)行一次周期監(jiān)測(cè)并提交監(jiān)測(cè)報(bào)表。

高支模變形監(jiān)測(cè)每期觀測(cè)均進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)[8]和平差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形分析。在進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用組合后驗(yàn)方差法進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性校驗(yàn)，只取用穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)作為參考。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用科傻網(wǎng)平差系統(tǒng)和測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)內(nèi)業(yè)軟件系統(tǒng)，可方便地得到基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)[9]。對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行疊加分析得出各期變形量和累計(jì)變形量，還可以得到每個(gè)點(diǎn)上直觀的二維或三維圖。

監(jiān)測(cè)結(jié)果分析以12號(hào)墩的同一斷面上的3對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖6所示)為例。監(jiān)測(cè)點(diǎn)在Z方向(沉降)的變形過(guò)程曲線如圖7所示，從第1期到第4期其變形都很小，由于澆注施工原因，荷載逐漸增加，沉降量增大，在Z方向累計(jì)變形最大值為-8mm，有一種趨勢(shì)性的變形但變形緩慢，變形量在可控范圍，隨著時(shí)間的推進(jìn)，逐漸放慢，澆注施工對(duì)支模系統(tǒng)安全不造成影響。從曲線圖還可看出，每一對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量非常接近，且趨勢(shì)一致，其沉降量主要是地基下沉引起。

圖7 12號(hào)墩變形監(jiān)測(cè)Z方向變形曲線

同樣，可繪制X、Y方向變形過(guò)程曲線(DX值“+”表示垂直于橋墩蓋梁向北位移)。由支架頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)12-3、12-5、12-7 X方向變形過(guò)程曲線看，支撐的支架水平方向上的變形隨澆注施工，因荷載增加有緩慢上升，監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形方向無(wú)規(guī)律，變形量均較小，最大1.7mm，通過(guò)高精度測(cè)量機(jī)器人的密集周期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)出了這種微小的變化。

根據(jù)各點(diǎn)的周期監(jiān)測(cè)成果，可以進(jìn)行建模分析和變形預(yù)報(bào)，通過(guò)變形過(guò)程曲線能清楚地看出變形情況和趨勢(shì)，再根據(jù)設(shè)定的預(yù)警值，即可進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。每周期監(jiān)測(cè)完成均生成該周期監(jiān)測(cè)成果表，包括變形量、累計(jì)變形量和簡(jiǎn)單的分析報(bào)告。每次澆注結(jié)束后第3天，用監(jiān)測(cè)小結(jié)向監(jiān)理單位、建設(shè)單位等提供本次各期的變形量、累計(jì)變形量、變化曲線圖和變形分析報(bào)告。所有監(jiān)測(cè)完成后，提交有高支模變形監(jiān)測(cè)技術(shù)報(bào)告、原始觀測(cè)成果和監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置示意圖，以及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y、Z坐標(biāo)變形過(guò)程曲線和變形分析結(jié)果。

六、結(jié)束語(yǔ)

利用測(cè)量機(jī)器人配合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行高支模變形監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化程度得到很大提高，解決了高支模監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、周期短、環(huán)境差、危險(xiǎn)性大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)。建立混合基點(diǎn)網(wǎng)，利用組合后驗(yàn)方差進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析，測(cè)量機(jī)器人自由設(shè)站采用極坐標(biāo)法進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以快速建立監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，為高支模澆筑施工提供實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)指示變形部位以供排查隱患，確保施工安全。綜合分析，本文采用的高支模變形監(jiān)測(cè)技術(shù)保障了高支模澆注施工的安全，具有先進(jìn)性、實(shí)用性、有效性和推廣價(jià)值。

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Design and Applications of Deformation Monitoring System for High Form-work Based on Georobot

LU Songyao，LIANG Longchang，HE Guangjing

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2015-03-02

盧松耀(1967—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楣こ套冃伪O(jiān)測(cè)、控制測(cè)量、地形測(cè)量等。E-mail：lu346@163.com

P258

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