基于北斗定位的预制框架顶推施工监控系统设计及应用

张洪亮

(湖南建工交通建设有限公司， 湖南 长沙 410004)

随着城市化进程的加速，先前修建的许多高等级公路(高速公路、市政主干道)已处于城区范围，由于高等级公路路基较高，采用上跨的方式资金投入较大且影响交通，采取下穿的方式是较普遍的选择。市政道路下穿高等级公路通常采用框架桥顶推施工方法，施工过程的关键在于钢盾构及框架中线的控制及水平位移控制，保证顶推顺利进行(不偏位)，同时随时监测高等级公路路面的沉降及推移情况，确保顶推施工的安全实施。目前框架桥顶推施工中中轴线及水平位移、路基路面沉降与推移均由人工不定期测量，耗费的人力较多，且不能做到实时监测。由于沉降及推移可能存在滞后性，人工监测不及时可能导致事故发生。在数据处理效率方面，施工过程中由于掌握动态数据的滞后性造成准备不足而导致工作被动，甚至需要暂停施工导致工期延长。引入北斗定位系统设计预制框架顶推施工监控系统可解决上述问题。

1 基于北斗定位的预制框架顶推施工监控系统设计

1.1 基本原理

基于北斗定位的预制框架顶推施工监控系统由监控云平台、北斗接收机GNSS、综合采集仪及应力应变传感器、静力式位移传感器等组成。北斗接收机用于监控框架顶升中的水平偏位与竖直沉降，设置一个基准点，其余北斗接收机均为基于该基准点的位移变化量。北斗接收机信号通过解算后直接通过监控云平台显示。静力式位移传感器、应力应变计接入综合采集仪，综合采集仪通过GPRS协议与监控平台端通信，数据转换后显示在监控网站界面。通过账号登录APP网页，可查询实时框架位移数据及地面沉降、钢盾构应力变换等情况(见图1)。

图1 基于北斗定位的预制框架顶推施工监控系统的基本原理

1.2 主要原器件设计选型

(1) GNSS北斗接收机。利用GNSS收发、4G通信传输、嵌入式模块控制等技术，GNSS北斗接收受机可实现在云服务器端对多个现场位移变化进行毫米级实时监测，预防因位移变化造成的山体滑坡、桥面坍塌和路面沉降等安全事故。其主要技术参数见表1。

表1 GNSS接收机的性能参数

(2) 数据传输单元DTU。用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据，通过无线通信网络进行传送。采用高性能工业级32位ARM9微处理器MCU和工业级GSM/GPRS/3G/4G通信模块，提供TTL、RS232和RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能；内嵌Modbus RTU转Modbus TCP协议功能，可直接接入Modbus TCP的SCADA组态软件而不需二次开发；提供1路数字量输入，可实现数字量输入、脉冲计数输入触发上线的功能。需配备移动物联网卡一起使用。

(3) 综合测试采集仪。综合测试采集系统采用最新电子芯片及嵌入式系统软件的技术研发生产，为功能完备、分布式、准动态、自组网的全自动数据采集系统。硬件部分由主机、扩展模块、电源、标准支架、太阳能板、电池及相关配件组成，软件支持单机、局域网络、云平台多种版本，具有扩展性能强、配置灵活方便、现场防护能力好、系统稳定可靠、性价比极强等特点，能实现数据全面监测、智能化管理。

(4) 电磁静力式水准仪。电磁静力式水准仪由带液位传感器的储液容器组成，各储液容器由通液管及通气管相互连通，通过测量测点相对于基准点的液位变化反映被监测点的沉降或抬升情况。储液容器内配置高精度磁性浮子液位传感器，该传感器具有灵敏度高、稳定性好的特点，且不受环境温度变化的影响；采用全密封内压自平衡系统，不会受到大气压力变化的影响；配合防冻液，适合在恶劣环境下使用；通气、通液管均采用快速管接头，方便用户现场组装调试；配套的安装支架允许用户固定于墙面或地面。系统输出RS485(Modbus)数字信号，通过与DTU连接将数据传输至云平台。

(5) 振弦式应力传感器。应力应变计采用高精度振弦式传感器，采用一体式结构，防水性能优良。用于监测预制框架顶推前端钢盾构部分的变形及应力，标准量程3 000 με，测量精度0.1%FS，分辨力0.035%FS，标距150 mm。

2 预制盾构顶推纠偏计算及流程设计

2.1 测点设置

在预制砼框架中轴线顶推的反方向适当位置(视野开阔、标高固定)设置基站，安装1台GNSS接收机，其坐标点为坐标原点(0,0,0)。在预制框架尾部的2个角点各设置1台GNSS接收机，测点1的坐标为(-L/2，S1，H)，测点2的坐标为(L/2，S1，H)，其中H为初始状态框架角点相对于基站的高差，为常数。在预制框架箱内底板中轴线设置物理测点3，因该处位于箱内，无法安装GNSS接收机(不能接受北斗信号)，只能借助激光或全站仪实现数据测量。测点3的初始坐标为(0，S1+S2，H+H2)，其中H2为预制框架高度，为常数。该辅助点用来反馈顶进端的竖直位移变化情况。各测点的设置见图1。

图2 GNSS测量原理示意图

GNSS通电，与云平台数据连通后即开始采集数据，不管顶推是否进行，GNSS每15 min进行一次数据测量刷新，在顶推S长度后进行偏位校对。

2.2 竖直偏位的判定

顶推S距离后，GNSS将测量数据解算完成，测点1的坐标为(X11，Y11，Z11)，测点2的坐标为(X21，Y21，Z21)，测点3的坐标为(X31，Y31，Z31)。测点1的高程变化为Z11-H-H2,若Z11-H-H2≤10 mm，则符合施工精度要求；否则系统给出竖向偏位预警信息。测点2、3均按此判定，任何一点的数值大于5 mm，则需查明原因并采取整改措施后再继续施工。若框架顶推本身设置了纵坡，则需考虑初始点在顶推S后的纵坡变化。整个施工过程中都需关注钢盾构竖直偏位(“抬头”或“扎头”)现象的出现。

2.3 水平偏位的判定

设预制框架偏位角度为α，测点1’的坐标为(X11，Y11，Z11)，可推算未发生水平偏位的情况下测点2的坐标为(-X11，Y11，Z11)，实际发生水平偏位后测点2’的坐标为(X22，Y22，Z22)。根据测点2与2′的坐标，得测点2与2′之间的弦长为：

偏位角为：

α=α1，预制框架顶进端水平偏位距离为：

Δs=S2×cosα

Δs+Δs1≤20 mm，则符合施工精度要求；否则系统给出水平偏位预警信息。

2.4 偏位预警流程与设计

(1) 设置相关参数，如测点与基站之间的高差常数H、砼预制框架的高度H2、测点1和2之间的距离L(框架宽度)、砼预制框架的长度S2等。

(2) 初始状态数据采集。基站数据为零点，测试各测点数据。

(3) 顶推距离S进行数据采集与偏位判断。

(4) 竖直偏位小于10 mm、水平偏位小于20 mm，则符合施工精度要求；否则采取处理措施后再次进行测量，直至符合施工精度要求后方可进行下一阶段施工(见图3)。

图3 偏位判定流程

3 实际工程应用

3.1 应用情况

常德市善卷路下穿常张(常德—张家界)高速公路的框架桥采用2-18.0 m分孔独立式框架，框架桥板厚1.25 m，侧壁厚1.25 m，底板壁厚1.35 m。框架桥与高速公路斜交斜做，斜交角度86.2°。框架垂直高速公路路基方向长度为43 m，分3个节段预制顶进，之间设3 cm宽变形缝。顶推施工中应用基于北斗定位的预制框架顶推施工监控系统，共设置1个GNSS基站与2个GNSS流动测站，并建立基于该系统的云平台，通过实时采集预制框架偏位、钢盾构应力、高速公路路面沉降等为施工决策提供可靠依据。

3.2 监控数据分析

左幅第4节段顶推时监测到的垂直偏差与水平偏差分别见表2、表3。由表2、表3可知：实际施工过程中很难按照垂直偏差10 mm、水平偏差20 mm的精度连续施工，应在施工过程中根据前一阶段的误差情况(正、负误差)有针对性地调整前置钢盾构与后置顶推机构。

表3 水平偏差监测结果

表2 垂直偏差监测结果(测点3)

4 结语

随着北斗定位技术在民用领域的推广应用，在长大隧道、桥梁、高边坡等结构变形监测中得到应用。随着解算技术的不断提高，北斗系统的静态监测精度已可满足施工精度毫米级的要求。该文采用北斗定位系统设计预制框架顶推施工监控系统，通过自主开发的智能云盒DTU数据实时传输，分析并给出安全预警信息，实现远程信息化安全监控。相较于传统人工采集，该系统效率更高、时间更短，通过数据的自动分析处理，反馈与分析速度得到大幅提升，可为施工过程决策提供及时可靠的依据。