基于測量機器人的高支模變形監測研究與應用

盧松耀，梁龍昌，何廣靜

(1.廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275)

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基于測量機器人的高支模變形監測研究與應用

盧松耀1，梁龍昌1，何廣靜2

(1.廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080； 2.中山大學地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275)

在高支模變形監測中，針對高支模結構復雜、事故突發等特點，提出了以高精密的測量機器人為主體的測量設備，通過自由設站混合基點網進行了高支模變形監測，為提高高支模變形預警自動化與智能化提供了新的思路。

高支模；測量機器人；基準點；變形監測；變形分析

一、引 言

高支撐模板系統簡稱為高支模，是指水平混凝土構件模板支撐系統高度超過8 m，或跨度超過18 m，施工總荷載大于10 kN/m2的模板及其支撐系統[1]。模板支撐系統連接構件多，結構復雜，在工程施工期間高支模受力失衡坍塌的現象頻發[2]，而且事故通常在工程施工過程中突然發生，從而造成群死群傷的惡性傷亡事故[3]，具有事故突發性和高危性。為確保支撐模板系統穩固和安全，必須對支撐模板系統進行實時變形監測。

以往高支模監測采用精密水準儀測量沉降、全站儀(經緯儀)測量平面位移，費時費力且精度不高，監測人員和儀器在高支模支架下作業，安全無法保障。為提高測量的精度和效率，保障安全施工，本文通過具體工程實例闡述采用徠卡測量機器人進行高支模的沉降和平面位移測量的新測量手段，并取得了顯著成效。

二、高支模變形監測特點

高支模結構復雜，各種連接構件多，在布設變形監測點時要考慮測量機器人的通視條件。高支模坍塌事故具有突發性，在工程連續施工過程中，需要對高支模進行持續動態監測，及時獲取高支模變形數據，指導高支模工程安全施工。高支模工程環境復雜，在施工工地上有很多施工車輛和機械設備。在變形監測中，要顧及監測人員人身安全和施工對變形監測系統的影響。

三、變形監測技術

1.自由設站混合基點網

變形監測需建立多周期變形觀測的統一、可靠基準，對基準點的穩定性和可靠性進行檢核、復測。利用測量機器人進行變形監測，機器人(測站)的坐標通過后方交會基準點實時改正得到，同時通過測量機器人可以獲得監測點的三維空間坐標。變形監測一般需要建立監測基準，以及布設測站點和監測點，涉及基準點、工作基點和監測點的布設[4], 根據高支模變形監測的特性，本文采用了一種混合基準點網布設方法[5](如圖1所示)。在變形區外穩固、不易破壞的地方布設基準點(圖1中J1—J4)。基準點上不設站，只安裝強制對中棱鏡。工作基點(圖1中GJ1-GJ3)設在便于監測點進行觀測的任意合適的位置，稱為自由設站。但一經選點，需要設立穩固的觀測設施，如強制對中裝置。

圖1 混合基點網示意圖

2.單點極坐標法

單點極坐標法是測量機器人測量目標點的重要方法。如圖2所示，需要測定監測點到測站的距離，測量監測點測站連線與兩個已知點連線的夾角。設全站儀在B點觀測值分別為：水平角α、垂直角β、斜距S，則C點坐標為

式中，αBC=αBA+α。

圖2 極坐標法示意圖

極坐標法簡單實用，但需要作定向點角度距離檢查，并通過重復觀測來提高監測點成果的可靠性。

3.測量機器人及其自動化監測技術

瑞士Leica生產的精密測量機器人綜合長距離的自動精確照準、小視場、數字影像采集等先進技術，具有精度高、速度快、測量全自動化的特點，可以全天候無間斷工作，即使被監測物發生最細微的結構變形，也能及時發現[6]，因此選擇該儀器為主要的變形監測設備。

武漢大學測繪學院針對常見的工程變形監測應用，基于Leica測量機器人SDK開發了一套測量機器人變形監測自動化系統軟件[7]。本文采用該系統進行高支模變形監測的研究與應用，以提高高支模變形監測的自動化、智能化水平。

變形監測自動化系統軟件功能如圖3所示。文件管理模塊負責監測數據的文件管理；初始化設置可以進行氣象改正設置；學習測量可以進行測量目標點學習；自動測量中如果觀測出現意外錯誤，如誤差超限、目標被遮擋等則系統自動報警，并進行相應的延遲處理或重復執行等操作。在所有的測量過程都順利完成之后，則通過相應的指令將數據讀取到計算機中，同時對原始觀測數據進行實時改正，得到差分處理后的數據結果。

四、高支模變形監測系統

高支模變形監測系統的結構組成如圖4所示。圖中測量機器人采用Leica生產的TCA1800全站儀，并配備武漢大學開發的自動變形監測軟件，提高了高支模變形監測的自動化水平。基準點不設站但強制對中安置徠卡圓棱鏡，監測點強制對中裝置棱鏡，工作基準點為帶有強制對中裝置的觀測墩，采用自由設站、極坐標和邊角交會技術方法，測定基準網點和各變形點的三維坐標。由測量機器人、計算機及通信電纜建立基站，測量人員可以在離高支模較遠的安全地帶進行變形監測。

圖3 自動變形監測軟件

圖4 高支模變形監測系統組成結構

本文以永龍隧道及道路工程橋梁高支模變形監測為例，監測網的布設如圖5所示，高支模12號墩上蓋梁橫斷面的監測點布設如圖6所示。基準網布設在監測點的同一側。在工作基點上架設測量機器人，需要觀測的監測點和基準點上安裝棱鏡和強制對中裝置，其中基準點布設在遠離變形區的穩固區。監測系統布置完成后，設置測量機器人對基準點和監測點進行持續周期性自動化觀測。通過對基準點和變形點的持續的周期性觀測結果進行比較、實時改正，從而得出變形點的三維變形量，并進行安全和穩定性等分析，得出變形體的變形趨勢。

圖5 高支模變形監測網

圖6 蓋梁橫斷面監測點布設圖

為了使監測成果能更好地指示變形方向,以平行于監測斷面為Y坐標軸、垂直于監測斷面方向為X坐標軸建立坐標系統。

五、變形監測結果與分析

本文高支模變形監測中，業主和設計方根據相關規范和規程，對高支模監測提出變形預警值、控制值和精度要求等：

1) 監測點水平位移及沉降變形量每期不能超過2.0mm。

2) 監測點水平位移預警值為10mm、控制值為15mm。

3) 監測點沉降預警值為8mm、控制值為10mm。

4) 監測點相對于工作基準點的監測精度要求為1mm。

5) 根據變形情況，觀測頻率為20～30min監測一次。

本文高支模變形監測基于測量機器人配合武漢大學開發的自動監測系統軟件，可以大大提高監測效率和監測精度，每期監測時間不到4min。應工程施工要求，在施工過程中持續監測，時間一般在20h左右，每隔20～30min進行一次周期監測并提交監測報表。

高支模變形監測每期觀測均進行基準點網基準點穩定性檢驗[8]和平差、監測點變形分析。在進行基準網點數據處理時，采用組合后驗方差法進行基準點的穩定性校驗，只取用穩定的基準點作為參考。內業數據處理使用科傻網平差系統和測量機器人變形監測內業軟件系統，可方便地得到基準網點和監測點的坐標[9]。對數據層進行疊加分析得出各期變形量和累計變形量，還可以得到每個點上直觀的二維或三維圖。

監測結果分析以12號墩的同一斷面上的3對監測點(如圖6所示)為例。監測點在Z方向(沉降)的變形過程曲線如圖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方向累計變形最大值為-8mm，有一種趨勢性的變形但變形緩慢，變形量在可控范圍，隨著時間的推進，逐漸放慢，澆注施工對支模系統安全不造成影響。從曲線圖還可看出，每一對監測點變形量非常接近，且趨勢一致，其沉降量主要是地基下沉引起。

圖7 12號墩變形監測Z方向變形曲線

同樣，可繪制X、Y方向變形過程曲線(DX值“+”表示垂直于橋墩蓋梁向北位移)。由支架頂部監測點12-3、12-5、12-7 X方向變形過程曲線看，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，監測點變形方向無規律，變形量均較小，最大1.7mm，通過高精度測量機器人的密集周期監測，監測出了這種微小的變化。

根據各點的周期監測成果，可以進行建模分析和變形預報，通過變形過程曲線能清楚地看出變形情況和趨勢，再根據設定的預警值，即可進行預警預報。每周期監測完成均生成該周期監測成果表，包括變形量、累計變形量和簡單的分析報告。每次澆注結束后第3天，用監測小結向監理單位、建設單位等提供本次各期的變形量、累計變形量、變化曲線圖和變形分析報告。所有監測完成后，提交有高支模變形監測技術報告、原始觀測成果和監測點平面位置示意圖，以及各監測點的X、Y、Z坐標變形過程曲線和變形分析結果。

六、結束語

利用測量機器人配合自動化監測軟件進行高支模變形監測，自動化程度得到很大提高，解決了高支模監測中監測時間長、周期短、環境差、危險性大、實時性強等關鍵技術。建立混合基點網，利用組合后驗方差進行基準點穩定性分析，測量機器人自由設站采用極坐標法進行自動化監測，可以快速建立監測預警系統，為高支模澆筑施工提供實時變形監測數據，及時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測技術保障了高支模澆注施工的安全，具有先進性、實用性、有效性和推廣價值。

[1] 張果.淺談高支模的施工和安全[J].山西建筑，2008，34(16):157-157.

[2] 陳偉.扣件式鋼管高支模體系的防坍塌研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[3] 胡長明，曾凡奎.構造因素對高支模穩定承載力的影響[J].華中科技大學學報：城市科學版，2008，25(4):57-60.

[4] 張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2014.

[5] 梁龍昌,盧松耀，盧凌燕.典型工程變形監測的一種新方法及應用研究[J].測繪科學技術，2014(8)：8-10.

[6] 徐忠陽.全站儀原理與應用[M].北京：解放軍出版社，2003.

[7] 梅文勝，張正祿.測量機器人變形監測軟件系統研究[J].武漢大學學報：信息科學版，2002,27(2):165-171.

[8] 張正祿，沈飛飛，孔寧，等.地鐵隧道變形監測基準網點確定的一種方法[J].測繪科學,2011，36(4):98-99.

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

LU Songyao，LIANG Longchang，HE Guangjing

盧松耀，梁龍昌，何廣靜.基于測量機器人的高支模變形監測研究與應用[J].測繪通報，2015(7)：85-88.

10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0219

2015-03-02

盧松耀(1967—)，男，高級工程師，主要研究方向為工程變形監測、控制測量、地形測量等。E-mail：lu346@163.com

P258

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：0494-0911(2015)07-0085-04