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地铁岩 土 工 程 和 结 构 工 程 监 测 新 技 术

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  岩 土 工 程 和 结 构 工 程 监 测 新 技 术 New Technology of Instrumentation in Geotechnique and Structure 上海辉固岩土工程技术有限公司 2002年12月 1.前言 工程监测是当代建筑行业中 发展最快的技术门类之一。尤其 大型岩土工程,当地质条件和环 境条件十分复杂时,工程监测发 挥的作用往往十▪▲□◁分突出,因而被 工程界及专家学者所关注。 1.前言 工程监测涉及的范围大致有三方面 ·对工程岩土性状受施工影响而引起变化的 监测 ·对施工中和使用中建筑物安全状态的监测 ·对工程环境,包括工程地质、水文地质、 相邻构筑物及地下设施等可能发生变化的 监测 1.前言 “信息反馈” ? 将监测信息成果,与控制标准或要求相比较, 作出评价,并及时(或实时)反馈到工程监管 和决策部门。 ? 当监测发现变化量及趋势可能超限时,可以及 时采取施工应对措▽•●◆施加以控制,甚至修改设计 ,使工程状态与环境状态始终纳入良性发展轨 道。 1.前言 “信息化施工” 以监测为媒介,融设计、施工、 监管为一体的工程建管模式,就是信 息化施工。 1.前言 信息的获得需要监测新技术 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 巴塞特收敛系统是美国工程界于上世纪九十年 代中期推出的隧道断面收敛自动量测系统,该系 统由三部分组成: ? 收敛测量 ? 数据采集与传输 ? 数据处理 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) “巴塞特”成闭合环安装在地铁隧道 中 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 收敛测量部分 由一套首、尾铰接的长、短测杆 (又称“长臂”和“短臂”)组 合而成。长短测杆上各装有一只 电解质(EL)式倾角传感器,围 绕隧道断面内壁安装,构成一道 测量环。其中被固定在洞壁面的 连接铰★△◁◁▽▼点称为“定点”,也是位 移测点;悬空于▼▼▽●▽●壁面的连接铰点 称为“浮点”,起传递作用。详 见右图。当断面发生收◆■敛变形时 ,各测点的位移增量将通过测杆 系统的协调运动和传递,转化为 测杆传感器上与之对应的一组转 角增量。 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 数据自动采集 采用CR10型数据采集器(MCU) 。该采集器一般安装在监测断 面附近,便于接入各测杆仪器 ,并按预设的时间间隔对每只 测杆仪器实行快速扫描及数据 存储。通过采集器上的标准串 行接口(RS232),可将监测 数据由电缆直接传至数十米至 百余米外的PC机上;若经过 Modem转换,还可将监测数据 远程传送(无线.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 数据传送(有线、无线、网络) 数据采集器 巴塞特环 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 巴塞特的主要功能是可实现对隧 道断面的自动化监测,其典应用 包括: 1)记录隧道或其他地下洞室在自身施工或 环境施工影响下断面轮廓的变化过程; 2)监测记录隧道受天然滑坡或其他自然力 干扰下的变化过程; 3)繁忙运行隧道在安全受到下伏工程施工 严重影响时,实行实时跟踪监测,以控制 下伏施工强度。 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 应用举例 ? 1998年,当时建设中的上海地铁二号线要 在西藏路南京路口的地下与已在运营的地 铁一号线交会,要在一号线米多处通过。由于施工的地层为含 水量很高的软土,所以如何保证一号线隧 道的安全运营是摆在二号线工程面前的首 要问题。 2.巴塞特收敛系统(Bassett Convergence System) 工程示意图 监测结果显示 3.电水平尺(EL Beam) 电水平尺是美国生产的精密 测倾(角)仪器。若将多支 电水平尺串接使用,可准确 测出建筑物或地面、道床等 不均匀沉降分布线.电水平尺(EL Beam) 仪器构造 电水平尺构造见下图。其核心部分是一只电解质倾 角传感器,灵敏△▪▲□△度达1秒,相当于1m平尺的两端发 生5微米高差的对应转角。 3.电水平尺(EL Beam) 3.电水平尺(EL Beam) 性能特点 1)分辨率:1秒(0.005mm/m); 2)量程:±40秒; 3)组合方便:可根据隧道或其他建筑场地条件、建 筑物外形条件◆▼等,灵活进行仪器组合设计,以满 足监测需要。 4)仪器绝缘与热防护好,基本消除温差影响和热辐 射影响。 5)安装简单,现场干扰少,对被测对象影响小。 6)易于纳入自动化监测系统,如果输入限定参数, 可以实现自动◇=△▲报警。 3.电水平尺(EL Beam) 工作原理 3.电水平尺(EL Beam) 测试系统组成 安装现场(测试现场) CR10数据自动采集器 3.电水平尺(EL Beam) 应用实例与现场 上海外环污水管线标段穿越地铁线年夏,上海外环污水管线标段用顶管 法进行一条φ2400mm钢筋混凝土▪•★管的铺设施工,其中从 7号井到8号井之间一段(80m)的管道要由西向东在地 铁一号线(地面部分)的轨道下穿越(几乎是90度的正 交)。 穿越处地面标高为5.3m左右,管底距地面约9.4m( 管径2.4m),即复土层为7m▼▲左右。 地面上的地铁轨道为上、下行双线.电水平尺(EL Beam) 由于施工的穿越区复土较浅,且处于不稳定的软 ▪…□▷▷•土地层,线路建成的年代也仅六年,所以穿越施工必 定会扰动土层而使地面一定的区域内产生沉降(或局 部的短时间隆起),从而影响地面上的地铁线路(轨 道)的稳定状态(即影响前后高低和左右水平),在 一定程度上影响行车。 因此,为使顶管的施工能顺利进行,又同时使线 路处于能绝对保证行车安全的状态,就有必要在施工 过程中,对一定范围内的地铁线路(轨道)进行位置 状态的监测,以利用监测所得的数据指导顶进施工和 开展对地铁线.电水平尺(EL Beam) 3.电水平尺(EL Beam) 3.电水平尺(EL Beam) 监测工作配合现场顶管施工进行, 施工到穿越路轨区域阶段每小时向监 理、施工方报告一次监测结果。在各 方的努力下,顶管穿越过程中,线路 的沉降变化完全控制在“前后高低” 小于4mm/10m和“左右水平” 小于 4mm的范围内。保证了地铁的正常运 营,顶管施工完满完成。 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮 运状态下的定位 系统应用简介 本系统曾用于上海外环线黄浦江吴淞隧道工 程施工。该隧道采用沉管法建造,预制的七节钢 筋混凝○▲-•■□土管段体积庞大,每节长宽高为108x42x9 米,自重四万余吨。要从岸边的预制坞内浮运到 设计地点,下沉,并与前一节准确搭接。为了确 保定位成功,工程中采用了全站仪定位和差分卫 星定位两套各自独立的测量系统。 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮运 状态下的定位 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮运 状态下的定位 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮运 状态下的定位 差分卫星定位系统由两套监测设备组成 1)三维坐标差分卫星定位设备,系采用美国天宝4700RTK GPS测量型接收系统,含岸基差分台(1只)和观测塔GPS接 收器(2只)。接收器的输入信号由电缆直接传至观测塔顶 指挥部的计算机中进行数据处理,可得到被定位的结构物 上两个指定点的实时三维坐标(精度5-10厘米)。 2)纵/横轴倾斜电测设备,系采用美国生产的★-●=•▽纵/横双轴精密 倾角仪。双轴倾角仪被安装在浮运的构件上,其输出信号 电缆接入数据采集器,再由采集器传入观测塔顶指挥部计 算机中,立即显示构件的纵/横轴坡度,并供构件的坐标计 算过程使用。 浮运中的构件的三维◆◁•坐标和空间姿态便被观测塔顶的指 挥部精确把握与控制。 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮 运状态下的定位 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮 运状态下的定位 4. 差分卫星定位系统(DGPS)对特大结构物在浮 运状态下的定位 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 采用世界上先进的自动跟踪全站仪 对建筑场地和建筑物实行精密变形监 测,是又一▲★-●项新技术。 使用的全站仪是徕卡TCA1800和 TCRA1101等 我公司为上海地铁承担隧道断面长 期监测的“自动跟踪全站仪隧道变形 监测”任务就是其中一例。 。 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 系统简介 1)TCRA1101自动跟踪全站仪(瑞士徕卡) 该仪器测角精度为1.5秒,测距精度为2mm+2PPm。 该仪器与其它型号的全站仪相比具有以下几项特点 (1)可在弱光或无光的条件下观测。 (2)具有激光对中和激光测距★▽…◇功能。 (3)在目标点不必设置反射棱镜。仪器自身可向目标 点发射激光,并靠接收目标点反射光线就可工作。 这些特点使TCRA1101成为进行隧道断面测量首选仪器 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 Leica TCA1101 全站仪 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 2)Tpspro断面测量系统软件 装有该软件的计算机与TCRA1101全站仪 连机工作,软件自动将测量数据与断面的 理论轮廓线或上一次测量所得的轮廓线对 比,计算出变化量,进而得出一些统计数 据。 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 扫描过程示意 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 计算机上显示的测试结果 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 成果提供方式 为了准确表示隧道断面上各处的变形量,成 果曲线度隧道轮廓线展开角表示, 仪器架设点正下方为起点,顺时针方向为正(由 于仪器下方为道床,实际的测量扫描角度范围为 30-330度左右);纵轴设成实测数据与理论轮廓 线(或上次测量的轮廓线)之差,正值为半径变 长(即向外变形),负值为半径变短(向内变形 ),于是就有一幅类似正弦函数的图象。能定量•□▼◁▼ 、定性、定位地反映隧道▲=○▼断面尺寸的变化。示例 见下页。 5.自动跟踪全站仪隧道变形监测系统 6.辉固四功能静力触探探头及水下CPT试验 简介 水下静力触探是辉固公司拥有的一项专利技术,已用 于世界各地的海域土层探测。 水下静力触探设备实际是一种下潜式的 CPT工作平台, (见下页图)。工作时用带有起吊设备的工作母船将该平 台运到指定水域,定点后用起吊设备将平台放入水下,靠 自重沉到河床或海床。平台只通过系留钢缆和电缆与水面 工作母船相连。 工作平台上有液压动力驱动的触探机,由母船上测试 人员遥控操作,所测试□◁信号由电缆传至母船上的仪器上。 该水下静力触探方法可以大大减少水面风浪对CPT作业 的影响,作业速度快,对航道干扰少。 6.辉固四功能静力触探探头及水下CPT试验 水下静力触探 工作原理简图 绞车 探杆收紧绳 吊车 静力触探 讯号电缆 数据处理器 动力箱 水面 工作船 馈电缆 驱动轮 河床或海床 平衡反力架 反力架裙板 静力触探杆 土层Ⅰ 土层Ⅱ 辉固探头 6.辉固四功能静力触探探头及水下CPT试验 水下CPT试验 设备吊装 6.辉固四功能静力触探探头及水下CPT试验 水下CPT 试验现场 6.辉固四功能静力触探探头及水下CPT试验 水下CPT 试验现场 7.固定式测斜仪(In-Place Inclinometer) 仪器简介 可以对定点进行连续的自动化监测,利用 计算机和通讯技术,还可以实现远距离的数据 实时监测,特别适合于滑坡、大坝稳定等监测 项目使用。凡是采用滑动式测斜仪的监测场所 ,均可代之以固定式测斜仪,并可纳入自动化 监测系统。 7.固定式测斜仪(In-Place Inclinometer) 特点 固定式测斜仪的测孔测管要求与滑动 式完全相同, 但其管内测试装置却由多 个探头(传感器)和调节各探头工作跨距 的连接杆联接而成。在每相邻的“探头测杆”组合的接转处及底端和顶端, 都 有导向轮将探头按一定朝向准确固定在测 管导槽内(右图)。利用类似计算机“总 线”的技术,用一根(四芯)电缆从下而 上将所有探头串接后引到地面,接入数据 采集器或进入自动化监测系统。总线电缆 传送的是各探头带有各自地址码的测斜数 据,所以不会混淆。 固定式测斜仪安 装和工作原理图 7.固定式测斜仪(In-Place Inclinometer) 典型性能指标 量程:±15°(垂直角),单向/双向。 分辨率:2″, 工作温度:0-40℃, 输出接口:RS485, 传感器外形尺寸:700×32(长×直径)mm。 7.固定式测斜仪(In-Place Inclinometer) 仪器特点 1)可以纳入自动化监测系统,利用计算机和通讯技术, 还可以实现远距离数据传输,提高工作效率。 2)因为各探头在测管内定点定位,静止不动,可得到连▷•● 续数据。且不存在不同测次的定位误差和人员操作误 差,可大大提高每节测杆转点的位移准确度。 3)特别适合于滑坡、大坝、深基坑等永久性监测、遥测 或人员难以到达的孔位监测之用。 4)孔内测试探头和测杆在监测任务结束后可以回收,继 续使用。 5)因为测◇…=▲点数量有限,利用孔深水平位△▪▲□△移分布线判别岩 (土)层滑动面位置不及滑动式测斜仪准确。 6)仪器的一次性投入费用较高。 上海辉固愿以技术实 力和优质服务与国内 外同行结为密切的合 作伙伴

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