林聰，陳海濤

(1.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢430034；2.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430034)

1 引言

沉井基礎(chǔ)由于對(duì)土體擾動(dòng)小、承載力大、對(duì)周?chē)延薪?gòu)筑物影響程度低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域。尤其是近年來(lái)，隨著國(guó)家大力推進(jìn)國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程以及“一帶一路”沿線(xiàn)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)，許多跨越江、海、湖泊的大跨度橋梁工程得到興建，沉井基礎(chǔ)形式得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于沉井的尺寸要求呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，下沉施工難度也逐步加大，沉井幾何姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯得尤為重要[1]。

2 工程概況

某懸索橋中塔基礎(chǔ)采用矩形沉井基礎(chǔ)，矩形沉井角點(diǎn)處有半徑為7.0m 的圓角。沉井基礎(chǔ)頂面設(shè)計(jì)高程為+5.5m，沉井底面設(shè)計(jì)高程為-62.5m，基礎(chǔ)持力層為卵石層。沉井下部為填充混凝土的鋼殼結(jié)構(gòu)，上部鋼筋混凝土沉井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。沉井橫向長(zhǎng)66.0m，縱向?qū)?5.0m，總高68.0m，其中鋼沉井高59m，鋼筋混凝土沉井高9m。該沉井所處位置上部為海積淤泥質(zhì)黏土、海積淤泥，淤泥層厚度達(dá)39.0～40.8m，工程性質(zhì)差，在已建和在建沉井中都是很少見(jiàn)的。

3 主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

圖1 沉井頂面GPS 測(cè)點(diǎn)布置圖

以JH2→JH4 測(cè)點(diǎn)定義為X軸方向（順橋向，即南北方向），以JH3→JH1 測(cè)點(diǎn)定義為Y軸方向（橫橋向，即上下游方向），圖1 中Z 為豎直方向。

3.1 平面偏位

中心偏移量是由GPS 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)換算到沉井局部坐標(biāo)系得到的沉井沿順橋向和橫橋向的偏位，理論中心點(diǎn)為沉井平面設(shè)計(jì)中心點(diǎn)。根據(jù)換算到沉井局部坐標(biāo)系的測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)可以計(jì)算沉井頂面中心O點(diǎn)的平面坐標(biāo)位置：

由測(cè)點(diǎn)的實(shí)際安裝位置和設(shè)計(jì)圖紙資料可計(jì)算出頂面中心O點(diǎn)的理論坐標(biāo)可計(jì)算頂面中心點(diǎn)的平面位置偏差：

3.2 沉井標(biāo)高

沉井頂面GPS 測(cè)點(diǎn)的豎向坐標(biāo)表示所處位置的絕對(duì)高程，頂面的平均高程即可表示為：

3.3 傾斜度

沉井在空間中的傾斜，可分解為順橋向傾斜度θ1和橫橋向傾斜度θ2，具體計(jì)算公式如下：

縱向傾斜度為正表示沉井向線(xiàn)路大里程側(cè)（那南側(cè)）傾斜，為負(fù)表示沉井向線(xiàn)路小里程側(cè)（北岸側(cè)）傾斜；橫橋向傾斜度為正表示沉井向線(xiàn)路右側(cè)（上游側(cè)）傾斜，為負(fù)表示沉井向線(xiàn)路左側(cè)（下游側(cè)）傾斜。

電話(huà)那頭，甲方語(yǔ)氣焦急，“時(shí)間緊任務(wù)重，首先想到了勝利測(cè)井，有沒(méi)有把握按時(shí)完成，請(qǐng)認(rèn)真考慮后給予答復(fù)！”電話(huà)這頭，李淑榮將所有可能出現(xiàn)的因素考慮一遍，沉著應(yīng)對(duì)：“交給我們，請(qǐng)您放心?！?/p>

3.4 扭轉(zhuǎn)角

沉井在平面上的扭轉(zhuǎn)角，可定義為順橋向β1和橫橋向扭轉(zhuǎn)角β2的平均值，即：

4 云監(jiān)控技術(shù)

4.1 GPS 設(shè)備選型

考慮到設(shè)備作業(yè)環(huán)境，由于監(jiān)測(cè)體周?chē)写竺娣e水域，施工過(guò)程中存在干擾源，會(huì)造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多路徑效應(yīng)，因此選用抗多路徑性能強(qiáng)的扼流圈天線(xiàn)。GPS 主機(jī)通過(guò)饋線(xiàn)與天線(xiàn)連接，用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的采集與傳輸，采用GNSS 接收機(jī)實(shí)時(shí)獲取GPS 雙頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需要可以動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)采集頻率，設(shè)備日常供電采用太陽(yáng)能板與蓄電池聯(lián)合供電。

4.2 GPS 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

GPS RTK 技術(shù)測(cè)量一般采用1+N模式（1 個(gè)基準(zhǔn)站，N個(gè)移動(dòng)站），基準(zhǔn)站將衛(wèi)星改正參數(shù)下發(fā)至移動(dòng)站，移動(dòng)站接收機(jī)利用接收的衛(wèi)星數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站的衛(wèi)星改正參數(shù)獲得定位坐標(biāo)，基準(zhǔn)站坐標(biāo)由大地控制測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)聯(lián)測(cè)得到。

為獲取沉井幾何姿態(tài)指標(biāo)，選取沉井四邊中點(diǎn)分別布設(shè)流動(dòng)站，與基準(zhǔn)站一起形成姿態(tài)監(jiān)控網(wǎng)。由于沉井位于江中，施工作業(yè)空間狹小，為減少流動(dòng)站受現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)影響，將流動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備由連接桿固定到支架上，再將支架焊接到沉井中點(diǎn)附近側(cè)壁上，然后校準(zhǔn)到沉井頂面各邊中點(diǎn)相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)上。

系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方式，把沉井頂各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPS 定位測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，如圖2 所示。

在監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程，通過(guò)計(jì)算分析，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示沉井頂?shù)闹行奈恢谩?biāo)高、平面扭角、傾斜度等幾何姿態(tài)及變化情況。

4.3 GPS 數(shù)據(jù)處理

為了適用與目標(biāo)一體的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，項(xiàng)目采用RTK 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理算法，數(shù)據(jù)中心處理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速監(jiān)測(cè)（沉井接高過(guò)程中）和高精度準(zhǔn)靜態(tài)監(jiān)測(cè)（沉井后期緩慢下沉階段）的需要。數(shù)據(jù)處理流程為：基準(zhǔn)站和各監(jiān)測(cè)站將衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)中心，數(shù)據(jù)處理軟件采用RTK 動(dòng)態(tài)處理算法實(shí)時(shí)獲得定位坐標(biāo)，并將每條結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送至目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 沉井GPS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸

4.4 GPS 數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，GPS RTK 技術(shù)應(yīng)用于沉井姿態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)顯示形式主要采用計(jì)算機(jī)軟件客戶(hù)端、網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)APP 的顯示形式。

4.4.1 計(jì)算機(jī)軟件客戶(hù)端顯示

為了直觀方便地顯示出沉井的狀態(tài)以及變化情況，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果采用三維動(dòng)態(tài)顯示、二維平面變化和一維變化曲線(xiàn)表示。其中三維動(dòng)態(tài)變化顯示用來(lái)表示沉井和周邊水下地形在各個(gè)時(shí)刻的整體變化狀態(tài)，以便于工程的整體監(jiān)控；二維平面位移變化用來(lái)單獨(dú)顯示沉井的平面位置變化、各個(gè)時(shí)刻中心點(diǎn)坐標(biāo)的變化曲線(xiàn)信息，以及沉井局部斷面的阻力分布情況；一維變化曲線(xiàn)用來(lái)反映沉井沉降高程的時(shí)間變化。

4.4.2 網(wǎng)頁(yè)顯示

沉井幾何姿態(tài)監(jiān)控與沉井結(jié)構(gòu)應(yīng)力等監(jiān)控通過(guò)云監(jiān)測(cè)平臺(tái)整合在一起，對(duì)多種數(shù)據(jù)類(lèi)型具備兼容性，可自主操作添加和刪減監(jiān)控設(shè)備模塊。平臺(tái)包含結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警管理、報(bào)告管理、報(bào)告報(bào)表、設(shè)備管理及系統(tǒng)管理等。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)選進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可看到沉井布設(shè)的GPS 測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)的實(shí)測(cè)值，點(diǎn)選沉井姿態(tài)可看到沉井當(dāng)前縱橫向傾斜度、扭轉(zhuǎn)角及中心點(diǎn)偏位等指標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.4.3 手機(jī)APP 顯示

通過(guò)云監(jiān)測(cè)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出手機(jī)APP，便于隨時(shí)隨地查看實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)。

4.5 云平臺(tái)預(yù)警機(jī)制

在網(wǎng)頁(yè)版數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)中，附加了報(bào)警管理模塊，對(duì)于閾值選取及報(bào)警形式可以根據(jù)具體項(xiàng)目有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)置。沉井發(fā)生突沉前通常會(huì)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)約10cm 的下沉量，繼續(xù)積累能量然后發(fā)生大幅度下沉。經(jīng)過(guò)數(shù)次突沉預(yù)警，均得以驗(yàn)證，對(duì)于施工安全提供了較大的幫助。針對(duì)沉井姿態(tài)變化及變化速率建立雙重預(yù)警系統(tǒng)，可有針對(duì)性地設(shè)置閾值，根據(jù)超出閾值的幅度設(shè)置預(yù)警的等級(jí)。

5 應(yīng)用實(shí)例

5.1 沉井精定位與著床

鋼沉井定位、著床是施工中的關(guān)鍵工序，通過(guò)GPS 定位系統(tǒng)結(jié)合錨墩定位系統(tǒng)的錨纜力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)沉井的精確定位和幾何姿態(tài)調(diào)整進(jìn)行指導(dǎo)。根據(jù)施工方案，計(jì)劃將高度27.5m 的鋼沉井在初定位后，灌注刃腳2.5m 高混凝土，再精確定位，注水11.5m 使沉井下沉防護(hù)層頂面-15m。

從開(kāi)始沉井精確定位作業(yè)，通過(guò)不斷收緊和調(diào)整錨纜系統(tǒng)，使沉井位置變化范圍控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，在完成精確定位時(shí)，沉井幾何姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為：下游朝上游方向傾角0.202 6°，靈昆朝樂(lè)清方向傾角0.011 1°，靈昆向下游扭轉(zhuǎn)角為0.130°，中心偏移量順橋向?yàn)?.175 1m（朝樂(lè)清）、橫橋向?yàn)?.092 6m（朝下游）。監(jiān)測(cè)值均調(diào)整到設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，符合注水下沉作業(yè)條件。

在鋼沉井精確定位后，選擇水流流速小、流態(tài)穩(wěn)定、風(fēng)速小的有利時(shí)段，在井壁隔艙內(nèi)快速注水，實(shí)現(xiàn)快速著床。從布設(shè)在沉井四邊中點(diǎn)的GPS 測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，注水前沉井頂面初始平均高程為19.430 5m，隨著艙內(nèi)注水高度的增加，鋼沉井平緩下沉至13.699 5m，最終平均高程穩(wěn)定在13m 位置。

結(jié)合沉井監(jiān)控刃腳反力數(shù)據(jù)變化情況，即可充分判斷沉井是否著床穩(wěn)定。最終沉井扭轉(zhuǎn)角維持在-0.241°，沉井中心點(diǎn)偏位順橋向偏樂(lè)清側(cè)8.01cm，橫橋向偏上游側(cè)21.94cm，滿(mǎn)足預(yù)期要求。

利用GPS RTK 信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)能順利實(shí)現(xiàn)沉井在惡劣環(huán)境下快速、精確定位，極大地降低了沉井深水定位著床的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也提高了定位的精度。

5.2 突沉及預(yù)警

沉井發(fā)生突沉是由側(cè)阻力衰減導(dǎo)致下沉動(dòng)力大于下沉阻力所致，在發(fā)生突沉前，沉井下沉動(dòng)力與下沉阻力基本相當(dāng)，土體與井壁接觸界面開(kāi)始緩慢地發(fā)生剪切變形，當(dāng)變形累積到一定量值后應(yīng)變軟化，側(cè)阻力迅速衰減導(dǎo)致突沉。

從數(shù)次突沉前沉井頂面高程的變化曲線(xiàn)可以看出，在啟動(dòng)下沉前的10h 左右，頂面高程開(kāi)始發(fā)生緩慢變化。圖3 為沉井2 次突沉前下游側(cè)的頂面高程變化曲線(xiàn)，由圖可見(jiàn)，2 次突沉前曲線(xiàn)變化規(guī)律基本相同。

圖3 沉井兩次突沉前下游側(cè)頂面高程變化曲線(xiàn)圖

監(jiān)控工程師通過(guò)云監(jiān)控平臺(tái)對(duì)GPS 數(shù)據(jù)及沉井應(yīng)力數(shù)據(jù)綜合判斷分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)資料，對(duì)突沉或偏沉進(jìn)行預(yù)測(cè)并及時(shí)通報(bào)工程參建各方。施工單位在接到預(yù)警后及時(shí)做好沉井上機(jī)械設(shè)備的綁扎加固，并做好現(xiàn)場(chǎng)施工安全交底，保證了沉井施工人員及設(shè)備的安全。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)基于GPS RTK 技術(shù)的沉井幾何姿態(tài)實(shí)時(shí)云監(jiān)控技術(shù)的研究，形成了包括“自動(dòng)采集—無(wú)線(xiàn)傳輸—云中心—云監(jiān)測(cè)平臺(tái)—數(shù)據(jù)顯示—預(yù)警報(bào)警”的云監(jiān)控技術(shù)。在技術(shù)應(yīng)用中，數(shù)次突沉過(guò)程前均發(fā)出了及時(shí)的預(yù)警，使施工人員能提前得知突沉風(fēng)險(xiǎn)，有效保障了人員設(shè)備的安全，意義重大。