CN111047200A - 一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法 - Google Patents

一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法 Download PDF

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张志刚
李学东
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Abstract

本发明涉及一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，包括以下步骤：步骤1：自动化监测的控制网的建立，对隧道空间中基准点、测站点和变形点位置的合理确定；步骤2：监测数据采集、整理和分析，采用智能全站仪监测点观测数据坐标系转换及变形点观测数据处理；步骤3：数据web网络平台发布，监测数据共享web网络平台的建立及发布。本发明能确保轨道的安全，确保人员的安全。

Description

一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法
技术领域
本发明涉及一种监测方法，尤其涉及一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法。
背景技术
随着地下空间的不断开发利用，越来越多的基坑工程出现在轨道交通隧道周边。基坑开挖打破了周围地层的平衡状态，引起地层移动，导致临近的轨道交通结构产生附加应力和附加变形，当这种变形过大时将会影响轨道交通列车正常运行甚至威胁其运行安全。。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：自动化监测的控制网的建立，对隧道空间中基准点、测站点和变形点位置的合理确定；
采用全站仪对观测工作基准点进行监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该基准点进行补测，补测不成功，放弃该基准点的检测，在成功后，对测站点进行检测，如检测成功将其数据上传，如不成功继续对该测站点进行补测，在成功后，对变形点位置监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该变形点位置进行补测，成功完成变形点位置后，在对不成功的基准点、测站点和变形点位置由控制室内的全站仪进行补测；
步骤2：监测数据采集、整理和分析，采用智能全站仪监测点观测数据坐标系转换及变形点观测数据处理；
步骤3：数据web网络平台发布，监测数据共享web网络平台的建立及发布，
采用WEB发布平台其基于B/S架构的数据录入、处理、成果输出、在线分析、查询、检索的工作平台将其综合数据进行发布。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述步骤1中采用自动变形监测系统监测变形点位置。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述自动变形监测系统全站仪、供电模块、数据传输模块、全站仪测站点变化控制模块、数据处理模块、程序编译模块，供电模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪测站点变化控制模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪的输出端通过数据传输模块与数据处理模块的输入端相连，同时程序编译模块的输出端与数据处理模块相连。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述数据传输模块中包括GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块及通讯模块，GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块的输出端与通讯模块的输入端相连。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述数据处理模块包括控制全站仪指令集模块、数据处理及分析模块和数据变化必进图模块，均为独立的模块设置。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述数据处理模块内还包括有报警平台模块，分为远程遥控报警和紧急通讯报警。
优选地，所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，所述web网络平台为web发布系统，包括
新建工程模块由工况管理模块、项目发布模块、项目归档模块、项目任务模块、项目信息模块构成，且均为独立的模块设置；
数据录入模块由水平位移模块、沉降模块、测斜模块、水位模块和力模块构成，且均为独立的模块设置；
数据处理模块由数据导入模块、基线建立模块、基准点位移计算模块、数据筛选模块、归算至基线模块和成果输出报表生成模块，且均为独立的模块设置；
系统管理模块由客户管理模块、用户管理模块、参数设置模块和日志管理模块构成，且均为独立的模块设置；
所述新建工程模块、数据录入模块、数据处理模块和系统管理模块也均为独立的模块设置。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明能实时进行监控轨道内的观测点，从而确保轨道的安全运行，保障人员的安全。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明中自动化监测系统架构框图；
图2是本发明中web发布系统的基本功能；
图3是三角高程的精度估算中举例图；
图4是本发明中测站点与基准点垂直距离计算图；
图5是本发明中两台全站仪之间坐标传递联系测量示意图；
图6是本发明中无定向导线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，包括以下步骤：
步骤1：自动化监测的控制网的建立，对隧道空间中基准点、测站点和变形点位置的合理确定；
采用全站仪对观测工作基准点进行监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该基准点进行补测，补测不成功，放弃该基准点的检测，在成功后，对测站点进行检测，如检测成功将其数据上传，如不成功继续对该测站点进行补测，在成功后，对变形点位置监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该变形点位置进行补测，成功完成变形点位置后，在对不成功的基准点、测站点和变形点位置由控制室内的全站仪进行补测；
步骤2：监测数据采集、整理和分析，采用智能全站仪监测点观测数据坐标系转换及变形点观测数据处理；
步骤3：数据web网络平台发布，监测数据共享web网络平台的建立及发布，
采用WEB发布平台其基于B/S架构的数据录入、处理、成果输出、在线分析、查询、检索的工作平台将其综合数据进行发布。
如图1所示，所述步骤1中采用自动变形监测系统监测变形点位置，其中，
所述自动变形监测系统全站仪、供电模块、数据传输模块、全站仪测站点变化控制模块、数据处理模块、程序编译模块，供电模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪测站点变化控制模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪的输出端通过数据传输模块与数据处理模块的输入端相连，同时程序编译模块的输出端与数据处理模块相连。
所述数据传输模块中包括GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块及通讯模块，GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块的输出端与通讯模块的输入端相连。
所述数据处理模块包括控制全站仪指令集模块、数据处理及分析模块和数据变化必进图模块，均为独立的模块设置。
所述数据处理模块内还包括有报警平台模块，分为远程遥控报警和紧急通讯报警。
如图2所示，所述web网络平台为web发布系统，包括
新建工程模块由工况管理模块、项目发布模块、项目归档模块、项目任务模块、项目信息模块构成，且均为独立的模块设置；
数据录入模块由水平位移模块、沉降模块、测斜模块、水位模块和力模块构成，且均为独立的模块设置；
数据处理模块由数据导入模块、基线建立模块、基准点位移计算模块、数据筛选模块、归算至基线模块和成果输出报表生成模块，且均为独立的模块设置；
系统管理模块由客户管理模块、用户管理模块、参数设置模块和日志管理模块构成，且均为独立的模块设置；
所述新建工程模块、数据录入模块、数据处理模块和系统管理模块也均为独立的模块设置。
在步骤2中，监测数据采集、整理和分析中，
自动全站仪的精度及球气差的修正
(1)平位移的精度估算
采用TM30全站仪进行监测，其测角方差为0.5″，测距方差为1.3mm。现在假定距离为200m，角度为170°18′35″。那么测得其平面坐标的公式为：
X＝X0+S·COSα
Y＝Y0+S·SINα
由于X和Y公式类似，故以下推导仅以X为例，Y精度可类似推导。由于平面坐标与距离和角度是非线性关系，故需要对以上公式进行线性化，求其微分可得
Figure BDA0002320321090000051
应用协方差传播律求两点间高差的方差
Figure BDA0002320321090000061
因为观测边长和观测角是相互独立的，故其方差阵为：
Figure BDA0002320321090000062
从而可得其测坐标的中误差为0.7mm，即200m范围内，全站仪测得平面精度小于1.0mm。
(2)三角高程的精度估算
采用强制测量高差的单点高差精度(测站～监测点高差)的推算，如图3所示：测得的水平距离为D＝150m，其中误差为md＝1mm，垂直角a＝15°，其中误差为0.5″，设边长观测值和角度观测值是独立观测值，列函数式
h＝D·tgα，
对函数求全微分得：
Figure BDA0002320321090000063
应用协方差传播律求两点间高差的方差
Figure BDA0002320321090000064
因为观测边长和观测角是相互独立的，故其方差阵为：
Figure BDA0002320321090000065
从而可得其中误差为0.64mm，即150m范围内，在不考虑球气差的影响下，精度小于1.0mm。
(3)球气差改正系数的确定
由于采用小圆棱镜进行三角高程测量，无法对向观测，故不采用两点间对向观测垂直角来确定c值(球气差改正系数)。通过采用已测几何水准的两点间进行三角高程测量来确定c值。
球气差改正系数
Figure BDA0002320321090000071
对于上述的测区来说，地球平均曲率半径R是个常数，因此确定c值，实际上就是确定K值。实施时，为计算方便，在本项目中不直接确定K值而确定c值。
当用三角高程测量方法测定三角边两端点A、B之间的高差时，如果c值确定正确，则由三角高程测量测定的A、B两点间的高差，应与几何水准测量测得的该两点高差相等。
设用几何水准测量直接测得的A、B点的高程分别为HA、HB，在A点上设站观测B点的垂直角为αAB，两点在椭球面上的距离为D，则有：
HB-HA＝hAB＝D·tgαAB+c·D2+ΔhAB
有：
Figure BDA0002320321090000072
式中：
Figure BDA0002320321090000073
在确定c值时，在测区内选择10条以上两端点已用几何水准测量测定了高差的点进行三角高差计算，然后对该条边计算c值，并取它们的中数作为该测区的c值。
单台全站仪的测站坐标实时计算
测站点位移的判别
图3所示，判别测站点是否位移，采用视准线方式。
以基准点D1、B1两点建立一条直线，然后求得经过测站点C1垂直于该直线的垂距。
并由图4可知，直线C1F垂直于直线D1B1。设直线FD1为F1，直线FB1为F2，则有方程组：
Figure BDA0002320321090000081
解得：
Figure BDA0002320321090000082
采用该公式尽可能的避免了角度参与求解，从而减弱图形强度对求解精度的影响。通过该公式计算，当垂距发生变化并超过2mm时，则可判别测站发生了位移，则需对测站点进行复核。
同时，在进行各测点向基坑方向的位移量归算时，均可使用该方法。这样，每一次完整的测量，由其基准线、测站点、监测点在同一时间段内所测得一组数据所固定的几何关系，计算每一点距基准线的距离，再使用该距离计算向基坑方向的位移量，可有效减弱测站点对实际位移量的影响。
基准点坐标的实时修正
测站点C1的变形特征
通过上述对C1点进行判断，当C1点发生位移后，所引起的几何关系的变化有三个内角及边长a，b(见图4)。采用已知两点D1、B1坐标，测点a、b边长，构成测边网，进行平差计算。
测站点坐标的实时计算
如图4所示，上述测站点位移的判别计算三角形高的公式则有：
Figure BDA0002320321090000083
按此，计算待定点C1的坐标为：
Figure BDA0002320321090000091
多台全站仪同时工作之间的联系计算
联系测量
如图5所示，设某隧道内采用两台全站仪同时工作，且两台全站均处在变形区域以内。在基准点坐标的实时修正中，两台全站仪的角度、距离的实时传递中拟采用联系测量的方式进行传递，
联系测量步骤与方法如下：
A、设J4、J3为测站点，J6、J7为联系测量点。J4、J3架设TM30全站仪，J6、J7架设360度圆标镜；
B、在J4测站上，全站仪每次测量J5、J6、J7的方向及距离，并测得∠J7J4J6，并根据余弦定理，计算J6、J7两点间距离；同理，在J3测站上，全站仪每次测量J2、J6、J7的方向及距离，测得∠J7J3J6，并依据余弦定理，计算J6、J7两点间距离；
C、通过解得三角形的内角及边长，以不动点J5、J2作为起始方向，采用线路J2-J3-J7-J6-J4-J5作为无定向自由导线的计算线路，并实现坐标的实时传递及修正。
基准点坐标的自检及实时计算
如图6所示，假设一个坐标系统，其原点在A，其x′轴与A1边重合，在此坐标系统中A1的方位角α’1＝0，A的坐标x’a＝ya＝0。
按下述步骤计算各点坐标
A、按下式计算各点在假定坐标系统中的坐标值：
Figure BDA0002320321090000101
B、按下式计算A1边在原坐标系中的方位角：
Figure BDA0002320321090000104
式中：(xa,ya)、(xb,yb)为A、B点在原坐标系中的坐标；(x'a,y'a)、(x'b,y'b)为A、B点在假定坐标系中的坐标。
C、按下式计算长度比：
Figure BDA0002320321090000102
D、按下式计算各点在原坐标系中的坐标：
Figure BDA0002320321090000103
E、按下式计算各边在原坐标中的方位角：
αi＝α’i+α1
本发明中利用商用GEOMOS软件进行控制和前期简单数据处理，该软件功能强大，针对性强，是基于C/S架构的比较稳定、实用的软件，主要适用于高层建筑物、高危建筑、古建筑、大坝、滑坡、矿山、桥梁、隧道、高架道路等结构物外部形变和三维空间位置变化量的自动化安全监测应用。其软件主要由两部分组成，监测器和分析器。其中监测器负责传感器管理，数据采集和事件管理；分析器负责在线和离线分析、图形显示和后处理数据。本文不详细叙述此部分内容。
监测项目信息WEB发布平台
运行环境
监测项目信息WEB发布平台采用浏览器/服务器(B/S)架构方式，采用ssh2先进框架模式，后台采用Microsoft SQL Server2008大型关系型数据库。
服务器基本要求：需要一定的CPU和内存处理能力，通常，带有双路四核Xeon处理器以及硬盘15000转/分具有大容量数据存储的服务器可以基本满足要求.
网络操作系统：Window Advanced Server 2003或以上版本。
数据库服务器：Microsoft SQL Server 2008
Web发布要求：独立的域名，采用tomcat7.029。
客户端要求：Win XP或以上版本，浏览器建议使用IE8.0或以上版本
(2)系统配置要求：
Microsoft SQL Server 2008安装前需要安装.NET Framework 3.5 SP1
Tomcat7.029需要安装jdk7.10或以上版本。
WEB发布平台介绍
WEB发布平台是基于B/S架构的数据录入、处理、成果输出、在线分析、查询、检索的工作平台。
步骤3中的操作方式如下：
1、常规监测数据的录入
为保证监测数据完整性，提高判断的准确性，必须将常规监测数据融入到同一个系统中，包括：水平位移、沉降、测斜、水位、支撑轴力；
2、自动化监测数据的处理
A、数据的导入，直接从GEOMOS数据库中提取监测数据，也可采用EXCEL按固定格式编辑好后导入。在数据采集前，需对各监测点的编号进行规则化，以便于计算机批量处理。
B、基线建立的目标，是将各监测点归算至该基线，便于在隧道横向上的变形描述；
C、单台全站仪的控制半径一般为150m，基本可满足精度要求。在变形范围较大的区域，其控制点的设置要超过单台全站仪的控制半径，需要多台全站仪协同工作，其设站点位置则需采用联系测量进行实时传递，这是对控制网布设的基本要求。基准点的位移是通过基本稳定的测区内控制网计算得来。以单台全站仪为例，可通过软件自动计算实现，并形成测站点位移的曲线图；
D、数据筛选；
E、归算至基线；
F、报表制作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：自动化监测的控制网的建立，对隧道空间中基准点、测站点和变形点位置的合理确定；
采用全站仪对观测工作基准点进行监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该基准点进行补测，补测不成功，放弃该基准点的检测，在成功后，对测站点进行检测，如检测成功将其数据上传，如不成功继续对该测站点进行补测，在成功后，对变形点位置监测，如成功将其数据上传，如不成功继续对该变形点位置进行补测，成功完成变形点位置后，在对不成功的基准点、测站点和变形点位置由控制室内的全站仪进行补测；
步骤2：监测数据采集、整理和分析，采用智能全站仪监测点观测数据坐标系转换及变形点观测数据处理；
步骤3：数据web网络平台发布，监测数据共享web网络平台的建立及发布，
采用WEB发布平台其基于B/S架构的数据录入、处理、成果输出、在线分析、查询、检索的工作平台将其综合数据进行发布。
2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述步骤1中采用自动变形监测系统监测变形点位置。
3.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述自动变形监测系统全站仪、供电模块、数据传输模块、全站仪测站点变化控制模块、数据处理模块、程序编译模块，供电模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪测站点变化控制模块的输出端与全站仪的输入端相连，全站仪的输出端通过数据传输模块与数据处理模块的输入端相连，同时程序编译模块的输出端与数据处理模块相连。
4.根据权利要求3所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述数据传输模块中包括GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块及通讯模块，GPRS通信模块、CDMA通信模块、STR通信模块、485或光纤通信模块的输出端与通讯模块的输入端相连。
5.根据权利要求3所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述数据处理模块包括控制全站仪指令集模块、数据处理及分析模块和数据变化必进图模块，均为独立的模块设置。
6.根据权利要求3或5所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述数据处理模块内还包括有报警平台模块，分为远程遥控报警和紧急通讯报警。
7.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通结构安全保护的监测方法，其特征在于：所述web网络平台为web发布系统，包括
新建工程模块由工况管理模块、项目发布模块、项目归档模块、项目任务模块、项目信息模块构成，且均为独立的模块设置；
数据录入模块由水平位移模块、沉降模块、测斜模块、水位模块和力模块构成，且均为独立的模块设置；
数据处理模块由数据导入模块、基线建立模块、基准点位移计算模块、数据筛选模块、归算至基线模块和成果输出报表生成模块，且均为独立的模块设置；
系统管理模块由客户管理模块、用户管理模块、参数设置模块和日志管理模块构成，且均为独立的模块设置；
所述新建工程模块、数据录入模块、数据处理模块和系统管理模块也均为独立的模块设置。
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