張洪亮

(湖南建工交通建設有限公司， 湖南 長沙 410004)

隨著城市化進程的加速，先前修建的許多高等級公路(高速公路、市政主干道)已處于城區(qū)范圍，由于高等級公路路基較高，采用上跨的方式資金投入較大且影響交通，采取下穿的方式是較普遍的選擇。市政道路下穿高等級公路通常采用框架橋頂推施工方法，施工過程的關(guān)鍵在于鋼盾構(gòu)及框架中線的控制及水平位移控制，保證頂推順利進行(不偏位)，同時隨時監(jiān)測高等級公路路面的沉降及推移情況，確保頂推施工的安全實施。目前框架橋頂推施工中中軸線及水平位移、路基路面沉降與推移均由人工不定期測量，耗費的人力較多，且不能做到實時監(jiān)測。由于沉降及推移可能存在滯后性，人工監(jiān)測不及時可能導致事故發(fā)生。在數(shù)據(jù)處理效率方面，施工過程中由于掌握動態(tài)數(shù)據(jù)的滯后性造成準備不足而導致工作被動，甚至需要暫停施工導致工期延長。引入北斗定位系統(tǒng)設計預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)可解決上述問題。

1 基于北斗定位的預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1 基本原理

基于北斗定位的預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控云平臺、北斗接收機GNSS、綜合采集儀及應力應變傳感器、靜力式位移傳感器等組成。北斗接收機用于監(jiān)控框架頂升中的水平偏位與豎直沉降，設置一個基準點，其余北斗接收機均為基于該基準點的位移變化量。北斗接收機信號通過解算后直接通過監(jiān)控云平臺顯示。靜力式位移傳感器、應力應變計接入綜合采集儀，綜合采集儀通過GPRS協(xié)議與監(jiān)控平臺端通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后顯示在監(jiān)控網(wǎng)站界面。通過賬號登錄APP網(wǎng)頁，可查詢實時框架位移數(shù)據(jù)及地面沉降、鋼盾構(gòu)應力變換等情況(見圖1)。

圖1 基于北斗定位的預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理

1.2 主要原器件設計選型

(1) GNSS北斗接收機。利用GNSS收發(fā)、4G通信傳輸、嵌入式模塊控制等技術(shù)，GNSS北斗接收受機可實現(xiàn)在云服務器端對多個現(xiàn)場位移變化進行毫米級實時監(jiān)測，預防因位移變化造成的山體滑坡、橋面坍塌和路面沉降等安全事故。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 GNSS接收機的性能參數(shù)

(2) 數(shù)據(jù)傳輸單元DTU。用于將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送。采用高性能工業(yè)級32位ARM9微處理器MCU和工業(yè)級GSM/GPRS/3G/4G通信模塊，提供TTL、RS232和RS485接口，可直接連接串口設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；內(nèi)嵌Modbus RTU轉(zhuǎn)Modbus TCP協(xié)議功能，可直接接入Modbus TCP的SCADA組態(tài)軟件而不需二次開發(fā)；提供1路數(shù)字量輸入，可實現(xiàn)數(shù)字量輸入、脈沖計數(shù)輸入觸發(fā)上線的功能。需配備移動物聯(lián)網(wǎng)卡一起使用。

(3) 綜合測試采集儀。綜合測試采集系統(tǒng)采用最新電子芯片及嵌入式系統(tǒng)軟件的技術(shù)研發(fā)生產(chǎn)，為功能完備、分布式、準動態(tài)、自組網(wǎng)的全自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。硬件部分由主機、擴展模塊、電源、標準支架、太陽能板、電池及相關(guān)配件組成，軟件支持單機、局域網(wǎng)絡、云平臺多種版本，具有擴展性能強、配置靈活方便、現(xiàn)場防護能力好、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、性價比極強等特點，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面監(jiān)測、智能化管理。

(4) 電磁靜力式水準儀。電磁靜力式水準儀由帶液位傳感器的儲液容器組成，各儲液容器由通液管及通氣管相互連通，通過測量測點相對于基準點的液位變化反映被監(jiān)測點的沉降或抬升情況。儲液容器內(nèi)配置高精度磁性浮子液位傳感器，該傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好的特點，且不受環(huán)境溫度變化的影響；采用全密封內(nèi)壓自平衡系統(tǒng)，不會受到大氣壓力變化的影響；配合防凍液，適合在惡劣環(huán)境下使用；通氣、通液管均采用快速管接頭，方便用戶現(xiàn)場組裝調(diào)試；配套的安裝支架允許用戶固定于墻面或地面。系統(tǒng)輸出RS485(Modbus)數(shù)字信號，通過與DTU連接將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺。

(5) 振弦式應力傳感器。應力應變計采用高精度振弦式傳感器，采用一體式結(jié)構(gòu)，防水性能優(yōu)良。用于監(jiān)測預制框架頂推前端鋼盾構(gòu)部分的變形及應力，標準量程3 000 με，測量精度0.1%FS，分辨力0.035%FS，標距150 mm。

2 預制盾構(gòu)頂推糾偏計算及流程設計

2.1 測點設置

在預制砼框架中軸線頂推的反方向適當位置(視野開闊、標高固定)設置基站，安裝1臺GNSS接收機，其坐標點為坐標原點(0,0,0)。在預制框架尾部的2個角點各設置1臺GNSS接收機，測點1的坐標為(-L/2，S1，H)，測點2的坐標為(L/2，S1，H)，其中H為初始狀態(tài)框架角點相對于基站的高差，為常數(shù)。在預制框架箱內(nèi)底板中軸線設置物理測點3，因該處位于箱內(nèi)，無法安裝GNSS接收機(不能接受北斗信號)，只能借助激光或全站儀實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量。測點3的初始坐標為(0，S1+S2，H+H2)，其中H2為預制框架高度，為常數(shù)。該輔助點用來反饋頂進端的豎直位移變化情況。各測點的設置見圖1。

圖2 GNSS測量原理示意圖

GNSS通電，與云平臺數(shù)據(jù)連通后即開始采集數(shù)據(jù)，不管頂推是否進行，GNSS每15 min進行一次數(shù)據(jù)測量刷新，在頂推S長度后進行偏位校對。

2.2 豎直偏位的判定

頂推S距離后，GNSS將測量數(shù)據(jù)解算完成，測點1的坐標為(X11，Y11，Z11)，測點2的坐標為(X21，Y21，Z21)，測點3的坐標為(X31，Y31，Z31)。測點1的高程變化為Z11-H-H2,若Z11-H-H2≤10 mm，則符合施工精度要求；否則系統(tǒng)給出豎向偏位預警信息。測點2、3均按此判定，任何一點的數(shù)值大于5 mm，則需查明原因并采取整改措施后再繼續(xù)施工。若框架頂推本身設置了縱坡，則需考慮初始點在頂推S后的縱坡變化。整個施工過程中都需關(guān)注鋼盾構(gòu)豎直偏位(“抬頭”或“扎頭”)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.3 水平偏位的判定

設預制框架偏位角度為α，測點1’的坐標為(X11，Y11，Z11)，可推算未發(fā)生水平偏位的情況下測點2的坐標為(-X11，Y11，Z11)，實際發(fā)生水平偏位后測點2’的坐標為(X22，Y22，Z22)。根據(jù)測點2與2′的坐標，得測點2與2′之間的弦長為：

偏位角為：

α=α1，預制框架頂進端水平偏位距離為：

Δs=S2×cosα

Δs+Δs1≤20 mm，則符合施工精度要求；否則系統(tǒng)給出水平偏位預警信息。

2.4 偏位預警流程與設計

(1) 設置相關(guān)參數(shù)，如測點與基站之間的高差常數(shù)H、砼預制框架的高度H2、測點1和2之間的距離L(框架寬度)、砼預制框架的長度S2等。

(2) 初始狀態(tài)數(shù)據(jù)采集?；緮?shù)據(jù)為零點，測試各測點數(shù)據(jù)。

(3) 頂推距離S進行數(shù)據(jù)采集與偏位判斷。

(4) 豎直偏位小于10 mm、水平偏位小于20 mm，則符合施工精度要求；否則采取處理措施后再次進行測量，直至符合施工精度要求后方可進行下一階段施工(見圖3)。

圖3 偏位判定流程

3 實際工程應用

3.1 應用情況

常德市善卷路下穿常張(常德—張家界)高速公路的框架橋采用2-18.0 m分孔獨立式框架，框架橋板厚1.25 m，側(cè)壁厚1.25 m，底板壁厚1.35 m?？蚣軜蚺c高速公路斜交斜做，斜交角度86.2°?？蚣艽怪备咚俟仿坊较蜷L度為43 m，分3個節(jié)段預制頂進，之間設3 cm寬變形縫。頂推施工中應用基于北斗定位的預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)，共設置1個GNSS基站與2個GNSS流動測站，并建立基于該系統(tǒng)的云平臺，通過實時采集預制框架偏位、鋼盾構(gòu)應力、高速公路路面沉降等為施工決策提供可靠依據(jù)。

3.2 監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

左幅第4節(jié)段頂推時監(jiān)測到的垂直偏差與水平偏差分別見表2、表3。由表2、表3可知：實際施工過程中很難按照垂直偏差10 mm、水平偏差20 mm的精度連續(xù)施工，應在施工過程中根據(jù)前一階段的誤差情況(正、負誤差)有針對性地調(diào)整前置鋼盾構(gòu)與后置頂推機構(gòu)。

表3 水平偏差監(jiān)測結(jié)果

表2 垂直偏差監(jiān)測結(jié)果(測點3)

4 結(jié)語

隨著北斗定位技術(shù)在民用領(lǐng)域的推廣應用，在長大隧道、橋梁、高邊坡等結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中得到應用。隨著解算技術(shù)的不斷提高，北斗系統(tǒng)的靜態(tài)監(jiān)測精度已可滿足施工精度毫米級的要求。該文采用北斗定位系統(tǒng)設計預制框架頂推施工監(jiān)控系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的智能云盒DTU數(shù)據(jù)實時傳輸，分析并給出安全預警信息，實現(xiàn)遠程信息化安全監(jiān)控。相較于傳統(tǒng)人工采集，該系統(tǒng)效率更高、時間更短，通過數(shù)據(jù)的自動分析處理，反饋與分析速度得到大幅提升，可為施工過程決策提供及時可靠的依據(jù)。