樁基托換中橋墩的自動化監測組網及數據處理

摘 要：在樁基托換施工過程中需要對橋墩實時監測，常規監測手段難以滿足要求，本文提出使用拓普康自動化監測系統。在監測網的布控過程中采用多方向后方交會，為了便于直觀分析數據建立了獨立坐標系，求取四參數后對基準點坐標進行了轉換。利用自動化軟件采集數據，快速存儲、編輯，導出部分數據做了一元線性回歸分析，預測了沉降量。

Abstract： It needs be real-time monitoring bridge pier in Pile underpinning， but routine monitoring methods cannot meet the requirement， this paper proposes to use TOPCON automatic monitoring system. It uses multi direction resection to establish monitoring network， and establish the independent coordinate system in order to visual analysis data， the coordinates of datum points are transformed through calculating the four parameters. The system can collect data， fast storage and editing data by using automated software. Derived part of the data to do a linear regression analysis predict the amount of settlement.

關鍵詞：自動化監測 四參數 坐標轉換 回歸分析

Key words： automatic monitoring， four – parameter， coordinate transformation， regression analysis

1、工程概況

該項目為西安北至機場鐵路機場站下穿主線橋的樁基托換工程。線路出機場站后，穿越機場T3A航站樓主線橋，該橋主要分兩部分組成：由地面通往T3A航站樓二層候機大廳的主線橋；T2航站樓與T3A航站樓之間的連接橋。

由于機場站后區間隧道下穿T3A航站樓前主線橋22號墩，該墩于曲線內外側分別設置兩個獨立的橋墩，分別為22-1號和22-2號墩，需對兩個橋墩進行樁基托換。見圖1。

在托換體系轉換過程中要實時對橋墩進行監測，包括位移和沉降。常規測量手段難以滿足施工要求，故采用自動化監測手段配合嚴密的建網及數據處理以達到監控的目的。

2、自動化監測系統

自動化監測系統的設備的軟、硬件主要包括：測量機器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號轉換器、計算機及專用軟件等。

2.1 測量機器人

拓普康MS05AX測量機器人采用了三大最新的拓普康專利技術：IACS測角技術、RED-tech EX測距技術、多棱鏡目標識別技術，并且具備三大特點：高精度、高性價比和自動化測量[2]。而強大的測量機器人自動化測量特性，裝載了拓普康先進的電動驅動，可以實現包含自動跟蹤、自動照準、智能識別、遙測控制等功能在內的自動化測量，極大提高了測量效率。

變形監測點及基準點均采用拓普康配套L型小棱鏡。L型小棱鏡體積小、安裝方便、精度也滿足要求，不僅方便安裝和維護，同時可以降低成本。

2.2監測軟件

與測量機器人配套的變形測量軟件，包括動態基準實時測量軟件和自動變形監測軟件兩部分。其在Windows環境下運行，并將數據存儲在SQL Server數據庫中，它可按操作者設定的測量過程和選定的基準點、觀測點進行相應的測量處理，實現數據的快速存儲、檢索、編輯，可實時顯示量測數據，并進行實時處理或后處理，能實時顯示圖形或事后顯示。

3、測量監控

3.1監測網的建立

在不受施工影響的區域及位置固定的橋墩上，埋設基準點L型棱鏡L1、L2、L3、L4同時在橋墩需要監測的部位同樣埋設L型棱鏡。

監測網的建立以地面GPS控制點CPII002、CPII003 CPII004為原始基準點，采用后方交會的方式設站[3]。精確測量L1、L2、L3、L4基準點及監測點的三維坐標D1（X1，Y1，H1）、D2（X2，Y2，H2）。由于都采用固定的L棱鏡，故測量過程棱鏡高都設置為零。見圖2.

3.2四參數轉換

為了便于對監測數據進行分析，同時更有利于控制下穿部位的22-1和22-2橋墩的變形。現選取D1、D2連線為自定義坐標x軸，右手垂線為y軸，假定D1坐標為（500，500）則D2（500+S，500）。S可以通過組網時精確測量的D1、D2的坐標反算得到。

即S=

現利用公共點D1、D2的兩套坐標，使得基準點的地方坐標轉換為獨立坐標系下的坐標，便于后續的監測在獨立坐標系進行。為此采用平面四參數來進行轉換，由于長度公共使用S，所以尺度K取1。四參數采用以下公式計算[4]

x=Δx+Xcos-Ysin （3-1）

y=Δy+Xsin+Ycos （3-2）

=α2-α1

其中Δx、Δy為平移量，為地方坐標系X軸相對于獨立坐標系x軸的偏角，正值為右偏、負值為左偏。α2、α1分別為D1與D2連線在地方坐標系和獨立坐標系中的方位角，利用坐標反算容易求得。以D1點坐標帶入式（3-1）和式（3-2）即可求得參數Δx、Δy。

利用求取的四參數，把基準點L1、L2、L3、L4的地方坐標帶入式（3-1）和式（3-2），即可得到其在所建立的獨立坐標系下的坐標。

3.3監測方法及自動化處理

選取不受施工影響又便于觀測的橋墩位置，安裝支架、架設儀器。見圖3。

通過控制軟件，在每個觀測周期開始前，以儀器作為工作基點，通過對基準點L1、L2、L3、L4進行觀測（使用其轉換后的獨立坐標），采用后方交會的方法推算出測站點的坐標，以此為起算依據，對所有的監測點進行自動觀測，得到各監測點的方位角及距離，進而求得各監測點在獨立坐標系下的三維坐標。由于誤差的存在使得監測點D1和D2的坐標較建網時的坐標有不符值，現取D1、D2的最新坐標為初始值。其余監測點采用第一次測量值為初始值。

這樣以來橋墩監測點每次的x變化量即為橫橋向變化值，y變化量為順橋向變化值。利用監測數據很容易直觀判斷橋墩的位移值。

為確保數據的準確，提高監測精度，監測測回數為4個測回。裝有專用軟件以實現整個監測過程的全自動化，既能控制全站儀按特定測量程序采集監測點數據，并將測量成果實時進行處理，以便及時發現錯誤，杜絕返工，也可以對各個觀測周期的監測數據進行存儲并生成監測報表。

3.4沉降數據回歸分析

一元線性回歸分析只包括一個自變量和一個因變量，且二者的關系可用一條直線近似表示。直線的斜率和截距可利用二元函數[5]求偏導使其等于零即得到a和b的求解公式：

為了能簡化分析過程，現僅以橋墩22-1的D1點一周的沉降數據做一元線性回歸分析。（如圖4）

通過對D1點一周的沉降數據做回歸分析，得到趨勢線y=-0.00027x+475.2808如圖中紅色所示。取x=8可預測到1.9日D1的高程為475.2786，達到所分析目的。

4、總結及經驗

由于城市進程的加快，軌道交通工程在城市中越來越占據重要的地位。城市交通網及建筑密集，線路經常要下穿既有建筑物和結構物。在下穿過程中為了實時獲取結構的變形情況，通常采用自動化監測設備采集數據。監測控制網的建立以地方坐標為原始基準點，選取至少兩個主要監測點為公共點，利用文中所述方法，完成四參數的求取及基準點坐標的轉換。獨立坐標系的選取盡量與結構物平行或垂直，這樣監測點不同周期的坐標差值能直觀體現結構物的變形情況（橫向或縱向）。若需要對監測成果化歸到地方坐標，也可利用公共點反求四參數進而完成坐標的轉換。

利用自動化設備配套軟件，完成數據的快速存儲、檢索、編輯，并進行實時處理或后處理，能實時顯示圖形或事后顯示。由軟件中導出D1點一周的沉降數據，在excel中做一元線性回歸分析預測后期沉降量，在掌握大量數據的情況下可達到預控變形的目的。

參考文獻：

[1]T3A航站樓主線橋樁基托換設計圖 2016

[2]http：//www.topconpositioning.cn/

[3]李青岳 陳永奇. 工程測量學[M]. 測繪出版社， 1995.

[4]武漢大學測繪學院測量平差學科組. 誤差理論與測量平差基礎[M]. 武漢大學出版社， 2014.

[5]盛驟，謝式千，潘承毅.概率論與數理統計[M]. 高等教育出版社. 2001