GNSS自動監測系統在工程實踐中的應用

周予啟，張勝良，焦俊娟，張慧麗，陸靜文

(1．中建一局集團建設發展有限公司，北京100102;2．北京中建華海測繪科技有限公司，北京100102)

一、研究背景

超高度、大跨度建(構)筑物，無論在基坑開挖、施工建設過程中，還是在運營管理過程階段，日照、溫差、風力和自振等因素都會引起其動態變形，近年來，施工過程中基坑坍塌、運營期間樓宇倒塌事故等，在全國各地都有發生，這些事故不僅給國家和人民的生命財產造成損失，也給企業造成巨大的信譽和經濟損失(如圖1、圖2所示)。因此必須加強建筑物施工過程中和運營期間的監測，以防事故的發生，對于大型建筑的安全性問題，建設部高度重視，建設部編寫的“建筑工程施工過程結構分析與監測技術規范”中明確指出大于200米的超高層建筑在施工中一定要做變形監測和安全評估，工程完工后還要經常對建筑物進行安全監測。

圖1 基坑坍塌

圖2 樓體整體倒塌事故

本文以國家重點工程中央電視臺新臺址、國家貿易中心三期等項目為實踐對象，研究通過GNSS監測技術進一步完善對基坑、運營期間的建筑物的監測方法，并在監測體出現異常之初就能做出預警報告，最大限度地降低建筑危險事件的發生，以保障人民的生命財產安全。

二、國內監測現狀研究

1．監測系統現狀

近年來，國內大橋幾乎都安裝了監測系統，一些超大建筑也安裝了結構健康監測系統，如虎門大橋、青馬大橋、奧運會主場館鳥巢等。這些監測系統主要采用精密水準儀、全站儀、GNSS、加速度計等設備對橋梁或建筑物位移進行靜態或動態的監測。對我國的大跨度橋梁、國家重點建筑的安全建設和運營發揮了重要作用，但也存在著技術參差不齊、監測精度不高、數據標準一致、各監測子系統分立、結構評估方法能力弱、實時性不高等問題。相比而言，在基坑、建筑物監測方面還處于剛剛起初階段，需要在工程實踐中進行驗證。

2．傳統方法的弊端

測量系統主要采用全站儀、電子水準儀等設備，綜合這些常規的設備，其缺點主要表現在:

1)高度超高300 m以上時，激光發散角變大，全站儀仰角大，無法滿足觀測。

2)不適合在大風、大雨等惡劣條件下監測，而這種氣候條件恰好是重點監測時段。

3)無法進行多點實時和同步測量，也無法進行長時間的連續測量。

4)受大氣湍流及大氣折光影響，測角、測距精度變低。

5)經濟效益差，使用常規設備方法需要大量人力和設備。

因此，為了滿足超高建筑、深基坑的安全實時監測要求，必須自主創新，研究新技術、新方法。

三、監測系統介紹

1．建筑物健康監測系統優勢

1)測量精度不會隨監測點高度的增加而較少;

2)可以進行多點實時同步測量;

3)在臺風、暴雨等惡劣環境下仍可進行全天候的連續測量;

4)監測點與基準點之間不需要通視;

5)可以直接獲得監測體的三維坐標。

2．監測原理

如圖3所示，在需要監測的部位布置監測站，在穩定的區域布置基準站，在監測部位安置天線，每個天線連接一臺接收機，接收機安裝在柜子中進行防雨防潮保護，接收機24小時通過三維通信模塊輸出基準站和監測點的數據并發送到監測中心服務器。數據中心服務器的處理軟件接收到監測站和基準站的原始數據后，進行基線解算，獲取監測站高精度的實時三維坐標，對監測體的形變監測數據進行分析、成圖、預警、報表。

圖3 監測系統示意圖

3．實踐項目概況

中央電視臺新臺址CCTV主樓屋頂最高標高234 m，總建筑面積49．5萬m2，包括兩座斜塔樓(1號塔樓52層，2號塔樓44層)、頂部有14層高的正交懸臂大連體、底部有10層裙樓與3層地下室(如圖4所示)。塔樓1和塔樓2的屋頂標高分別為234 m、194 m。

如圖5所示，國貿三期A標段主塔樓高度330 m，B標段主塔樓高288 m，與國貿一期、二期一起構成110萬m2的建筑群，成為全球最大的國際貿易中心。

圖4 中央電視臺新臺址

霞光里5號、6號商業金融項目:地下6層，地上18層。工程東至規劃霞光里北一街、西至機場高速、南至北京無線通信局用地、北至中國華大集成電路設計中心用地。

四、監測實施

1．基準點布設

在附近穩定的地方布設點位作為基準站，基準站應至少布設兩個，基準站可充分利用城市CORS站。位置選擇要求如下:

1)周圍視野要開闊，在高度角10°以上無遮擋物和產生多路徑反射物。

2)要遠離無線電發射源及高壓變壓器。

3)要有避雷設備。

4)基準站天線電纜要能防雨水，連接可靠，并能在－15℃-+55℃工作。

2．監測站的布設

在建筑物屋頂或基坑邊合適的位置布設GNSS監測點，所有監測點都采用鋼制強制對中桿(如圖6、圖7所示)。

圖6 建筑物監測點埋設

圖7 基坑監測點埋設

3．GNSS設備

北斗兼容的多模多頻高精度接收機。

通道數256個;可同時接收GPS/BDS/GLONASS三系統八頻點數據(L1/L2/L3;B1/B2/B3;G1/G2);采樣率20 Hz。

專用的抗多路徑天線，在提高天線性能的同時，更有效的抑制了多路徑干擾信號。天線的圓錐形保護層，使天線的使用不受冰雪堆積，大雨，雷電等天氣和飛鳥干擾的影響，可全天候工作。

五、數據報表

如圖8—圖11所示，利用獲得的監測點的三維坐標，通過專用軟件自動處理，顯示監測點的位移、速度、加速度曲線等，并在出現異常時實時報警。

圖8 測點管理

圖9 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)位移變化曲線圖

圖10 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)速度圖

圖11 建筑物BD1點(8月15日—8月17日)加速度圖

六、結束語

在基坑、建筑物健康監測的研究過程中，課題組選擇中央電視臺新臺址、國家貿易中心三期等有代表性的項目，選用高精度的GNSS設備，以確保監測數據的有效性，目前監測工作還在繼續。

超高層建筑、深基坑工程是城市未來發展的趨勢，高質量、高精度監測是建筑物安全施工和運營的關鍵，該項技術可更好地服務于國家重大建筑工程建設和運營管理需要，大大提高監測系統的安全評估能力，提高我國健康安全監測的技術水平，應用前景廣闊。

［1］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．CJJ/T 8—2011城市測量規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2012．

［2］ 中華人民共和國建設部，GB 50026—2007工程測量規范［S］．北京:中國計劃出版社，2008．

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部．CJJ/T 73—2010衛星定位城市測量技術規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［4］ 北京市建設委員會．DB11/T 446—2007建筑施工測量技術規程［S］．北京:中國農業出版社，2007．