基于北斗定位的預制框架頂推施工監控系統設計及應用

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，施工過程的關鍵在于鋼盾構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，且不能做到實時監測。由于沉降及推移可能存在滯后性，人工監測不及時可能導致事故發生。在數據處理效率方面，施工過程中由于掌握動態數據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。引入北斗定位系統設計預制框架頂推施工監控系統可解決上述問題。

1 基于北斗定位的預制框架頂推施工監控系統設計

1.1 基本原理

基于北斗定位的預制框架頂推施工監控系統由監控云平臺、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協議與監控平臺端通信，數據轉換后顯示在監控網站界面。通過賬號登錄APP網頁，可查詢實時框架位移數據及地面沉降、鋼盾構應力變換等情況(見圖1)。

圖1 基于北斗定位的預制框架頂推施工監控系統的基本原理

1.2 主要原器件設計選型

(1) GNSS北斗接收機。利用GNSS收發、4G通信傳輸、嵌入式模塊控制等技術，GNSS北斗接收受機可實現在云服務器端對多個現場位移變化進行毫米級實時監測，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。其主要技術參數見表1。

表1 GNSS接收機的性能參數

(2) 數據傳輸單元DTU。用于將串口數據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據，通過無線通信網絡進行傳送。采用高性能工業級32位ARM9微處理器MCU和工業級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，實現數據透明傳輸功能；內嵌Modbus RTU轉Modbus TCP協議功能，可直接接入Modbus TCP的SCADA組態軟件而不需二次開發；提供1路數字量輸入，可實現數字量輸入、脈沖計數輸入觸發上線的功能。需配備移動物聯網卡一起使用。

(3) 綜合測試采集儀。綜合測試采集系統采用最新電子芯片及嵌入式系統軟件的技術研發生產，為功能完備、分布式、準動態、自組網的全自動數據采集系統。硬件部分由主機、擴展模塊、電源、標準支架、太陽能板、電池及相關配件組成，軟件支持單機、局域網絡、云平臺多種版本，具有擴展性能強、配置靈活方便、現場防護能力好、系統穩定可靠、性價比極強等特點，能實現數據全面監測、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測點的沉降或抬升情況。儲液容器內配置高精度磁性浮子液位傳感器，該傳感器具有靈敏度高、穩定性好的特點，且不受環境溫度變化的影響；采用全密封內壓自平衡系統，不會受到大氣壓力變化的影響；配合防凍液，適合在惡劣環境下使用；通氣、通液管均采用快速管接頭，方便用戶現場組裝調試；配套的安裝支架允許用戶固定于墻面或地面。系統輸出RS485(Modbus)數字信號，通過與DTU連接將數據傳輸至云平臺。

(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，采用一體式結構，防水性能優良。用于監測預制框架頂推前端鋼盾構部分的變形及應力，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為初始狀態框架角點相對于基站的高差，為常數。在預制框架箱內底板中軸線設置物理測點3，因該處位于箱內，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數據測量。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。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，與云平臺數據連通后即開始采集數據，不管頂推是否進行，GNSS每15 min進行一次數據測量刷新，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將測量數據解算完成，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，任何一點的數值大于5 mm，則需查明原因并采取整改措施后再繼續施工。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注鋼盾構豎直偏位(“抬頭”或“扎頭”)現象的出現。

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)，可推算未發生水平偏位的情況下測點2的坐標為(-X11，Y11，Z11)，實際發生水平偏位后測點2’的坐標為(X22，Y22，Z22)。根據測點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) 設置相關參數，如測點與基站之間的高差常數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) 初始狀態數據采集。基站數據為零點，測試各測點數據。

(3) 頂推距離S進行數據采集與偏位判斷。

(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，側壁厚1.25 m，底板壁厚1.35 m。框架橋與高速公路斜交斜做，斜交角度86.2°。框架垂直高速公路路基方向長度為43 m，分3個節段預制頂進，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控系統，共設置1個GNSS基站與2個GNSS流動測站，并建立基于該系統的云平臺，通過實時采集預制框架偏位、鋼盾構應力、高速公路路面沉降等為施工決策提供可靠依據。

3.2 監控數據分析

左幅第4節段頂推時監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的精度連續施工，應在施工過程中根據前一階段的誤差情況(正、負誤差)有針對性地調整前置鋼盾構與后置頂推機構。

表3 水平偏差監測結果

表2 垂直偏差監測結果(測點3)

4 結語

隨著北斗定位技術在民用領域的推廣應用，在長大隧道、橋梁、高邊坡等結構變形監測中得到應用。隨著解算技術的不斷提高，北斗系統的靜態監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設計預制框架頂推施工監控系統，通過自主開發的智能云盒DTU數據實時傳輸，分析并給出安全預警信息，實現遠程信息化安全監控。相較于傳統人工采集，該系統效率更高、時間更短，通過數據的自動分析處理，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。