CN111829486A - 盾构施工地面沉降自动监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构施工地面沉降自动监测方法和系统，方法包括：在盾构始发之前，在施工变形区域以外的区域设置至少两个全站仪站点及后视参考点，沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点，全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的地面监测点；在盾构推进过程中，利用至少两个全站仪站点上的全站仪交替换站，跟随着盾构推进实时采集地面监测点的监测坐标；结合设置地面监测点时的初始坐标，对监测坐标进行滤波处理，判断监测坐标是否符合对应的初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。本发明监测系统能随着盾构机施工推进，快速换站、布测点，自动化测量精度高。

Description

盾构施工地面沉降自动监测方法和系统

技术领域

本发明涉及盾构隧道施工技术领域，尤其涉及一种盾构施工地面沉降自动监测方法和系统。

背景技术

随着城市的开发和建设，盾构法施工已经成为了市政工程建设中常用的一种施工工法，盾构机上方地面沉降监测作为盾构施工的关键技术之一，目前绝大多数采用人工精密水准测量，其缺点是效率不高，获取监测数据的时间很长，需要花费大量人力、实时性差、数据滞后、数据不够全面，而且通常用单点来代表大面积区域的沉降情况等。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种盾构施工地面沉降自动监测方法和系统，监测系统能随着盾构机施工推进，快速换站、布测点，自动化测量精度高。

本发明第一方面提供了一种盾构施工地面沉降自动监测方法，其包括：

在盾构始发之前，在施工变形区域以外的区域设置至少两个全站仪站点及后视参考点，沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点，所述全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的所述地面监测点；

在盾构推进过程中，利用至少两个全站仪站点上的全站仪交替换站，跟随着盾构推进实时采集所述地面监测点的监测坐标；

结合设置所述地面监测点时的初始坐标，对所述监测坐标进行滤波处理，判断所述监测坐标是否符合所述对应的所述初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

作为本发明方法的实施方式，所述全站仪为扫描型全站仪，配合棱镜对所述地面监测点进行监测，所述棱镜放置在所述扫描型全站仪实时放样出的位置，供获取所述监测坐标。

作为本发明方法的实施方式，在隧道管片的每环位置均布设一个所述地面监测点。

作为本发明方法的实施方式，在盾构始发之前，设置两个所述全站仪站点，每个所述全站仪站点上通过强制对中装置设置有一台全站仪，两个所述全站仪站点以一定间距沿着盾构轴线方向布置；

并且在盾构推进距离超过前一个全站仪的测程范围时，利用后一个全站仪继续监测并将前一个所述全站仪沿着盾构轴向方向移动至后一个所述全站仪之后，保持两个所述全站仪之间的间距不变，重复交替两个所述全站仪的前后位置关系，进行所述交替换站。

作为本发明方法的实施方式，所述滤波处理为粗差滤波，若假设某个地面监测点A第N次的监测坐标为(X_n,Y_n,Z_n)，粗差滤波包括：

步骤1：若X_n＝Y_n＝Z_n＝0，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算，并显示计算结果；否则进入步骤2；

步骤2：将该监测坐标与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算平面偏差

步骤3：如果D_n≥1m，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算；否则进入步骤4；

步骤4：将该监测坐标与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算高程偏差ΔH＝Z_n-Z₁；

步骤5：如果ΔH≥±150mm，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算；否则进入步骤6；

步骤6：计算第N次监测与第N-1次监测之间的时间间隔Δt＝t_n-t_n-1；

步骤7：与N-1次测量A点高程H比较，如果Δt≥2h，则计算沉降变化速率

进入步骤8；否则计算高程差Δh＝H_n-H_n-1进入步骤9；

步骤8：如果K≥±2.5mm/h，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测坐标参与计算；否则进入步骤10；

步骤9：如果Δh≥±6mm，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测坐标参与计算；否则进入步骤10；

步骤10：判断该第N次观测值为无粗差观测坐标，参与后续计算。

作为本发明方法的实施方式，还包括：将保存的沉降监测数据上传至网络云端数据库，将盾构实时施工数据与所述沉降监测数据进行比对显示。

本发明第二方面提供了一种盾构施工地面沉降自动监测系统，其包括：

沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点；

至少两个全站仪站点，设置在施工变形区域以外的区域，所述全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的所述地面监测点，用于配合棱镜在盾构推进过程中交替换站，跟随着盾构推进实时采集所述地面监测点的监测坐标；

后视参考点，设置在施工变形区域以外的区域；

工控机，信号联接于所述全站仪，用于结合设置所述地面监测点时的初始坐标对所述监测坐标进行滤波处理，判断所述监测坐标是否符合所述对应的所述初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

作为本发明系统的实施方式，所述全站仪为扫描型全站仪，所述棱镜放置在所述扫描型全站仪实时放样出的位置，供获取所述监测坐标。

作为本发明系统的实施方式，在盾构始发之前，设置两个所述全站仪站点，每个所述全站仪站点上通过强制对中装置设置有一台全站仪，两个所述全站仪站点以一定间距沿着盾构轴线方向布置；

并且在盾构推进距离超过前一个全站仪的测程范围时，利用后一个全站仪继续监测并将前一个所述全站仪沿着盾构轴向方向移动至后一个所述全站仪之后，保持两个所述全站仪之间的间距不变，重复交替两个所述全站仪的前后位置关系，进行所述交替换站。

作为本发明系统的实施方式，所述工控机通过网络联接于云端数据库。

本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：

本发明基于扫描型测量全站仪实时扫描地面，同时借助地面监测点，实现实时、准确的地面沉降监测，并可以通过网络把监测数据与井下盾构掘进参数进行对接，方便现场工程师决策；使用多台全站仪形成监测覆盖区域，优化测点通视和遮挡问题，在盾构推进过程中应用全站仪实时监测的测点、加装小棱镜、加装贴片等各种方法，灵活应对各种地面工况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的盾构施工地面沉降自动监测系统的硬件结构示意图。

图2为本发明实施例提供的盾构施工地面沉降自动监测方法的工作流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着城市的开发和建设，盾构法施工已经成为了市政工程建设中常用的一种施工工法，盾构机上方地面沉降监测作为盾构施工的关键技术之一，目前绝大多数采用人工精密水准测量，其缺点是效率不高，获取监测数据的时间很长，需要花费大量人力、实时性差、数据滞后、数据不够全面，而且通常用单点来代表大面积区域的沉降情况等。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明的技术方案。

本实施例的第一方面提供了一种盾构施工地面沉降自动监测系统，其主要由棱镜、工控机、扫描型全站仪、无线网卡等组成，主要针对盾构施工过程中地面沉降监测难题，通过合理规划、设计并建立一套地面沉降自动监测系统。

具体来说，本实施例的一种盾构施工地面沉降自动监测系统中包括：

沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点，由隧道设计图可直接计算得到该些地面监测点位置的初始坐标；或者，也可以通过在该些地面监测点位置放置棱镜，在盾构推进之间，预先利用全站仪及后视参考点获取该些地面监测点的初始坐标；

至少两个全站仪站点以及后视参考点，设置在施工变形区域以外的区域，保证全站仪站点及后视参考点的位置远离施工变形区域，不受盾构施工影响，全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的地面监测点，用于配合棱镜在盾构推进过程中交替换站，跟随着盾构推进实时采集地面监测点的监测坐标，其中的临近位置是指相比于其它地面监测点，距离最近的位置；

工控机，信号联接于全站仪，用于结合设置地面监测点时的初始坐标对监测坐标进行滤波处理，判断监测坐标是否符合对应的初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

进一步地，全站仪为扫描型全站仪，棱镜放置在扫描型全站仪实时放样出的位置，供获取监测坐标，全站仪配合棱镜、后视参考点来进行检测的技术是现有技术，本文仅简单说明了与关键方案关联性比较高的功能部分，其它功能及细节不再一一赘述。

在进一步地，工控机设置有无线网卡，通过网络联接于云端数据库，可将保存的沉降监测数据通过网络上传至网络云端数据库，将盾构实时施工数据与所述沉降监测数据进行比对，生成沉降信息、生成监测报表和沉降数据曲线等并利用各种可视化工具指导施工，用户可以根据需要，选择查看沉降信息、生成监测报表和沉降数据曲线等。

本发明设计结构灵活，可监测盾构施工轴线上多个测点，同时能随着盾构推进重新快速布置，建立多层次监控区域，保障盾构施工顺利进行。系统具备了高适应性、高精度的特点。

本实施例还提供了一种盾构施工地面沉降自动监测方法，其主要做法包括：

在盾构始发之前，在施工变形区域以外的区域设置至少两个全站仪站点及后视参考点，沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点，全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的地面监测点；

在盾构推进过程中，利用至少两个全站仪站点上的全站仪交替换站，跟随着盾构推进实时采集地面监测点的监测坐标；

结合设置地面监测点时的初始坐标，对监测坐标进行滤波处理，判断监测坐标是否符合对应的初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

下面结合附图对本实施例的盾构施工地面沉降自动监测方法的以下几个方面进一步展开说明如下：

一、系统硬件结构

本发明基于扫描型测量全站仪实时扫描地面，同时借助地面监测点，实现实时、准确的地面沉降监测，并把监测数据与井下盾构掘进参数进行对接，方便现场工程师决策。使用多台全站仪形成监测覆盖区域，优化测点通视和遮挡问题，在盾构推进过程中应用实时监测测点、加装小棱镜、加装贴片等各种方法，灵活应对各种地面工况。采用分布式架构可同时对多个监测区域进行自动监测，总体示意图如图1所示，根据施工现场条件及用户要求，全站仪和地面控制室之间可以选择无线4G通讯，也可以选择有线网络通讯。

二、设备换站

参见图1，盾构始发之前将一台全站仪11安置于距离盾构机50m左右，远离盾构轴线20m以外强制对中装置上(如图1中1号测站)，另外一台全站仪11安置于距离该全站仪100m左右上(如图1中2号测站)，这样就能覆盖200m自动监测范围。沿隧道设计轴线的地表对应位置，每环盾构环布设一个地面监测点，现场可以根据实际情况结合通视条件灵活设置，同时变形区域外某个高级控制点作为后视参考点12，保证全站仪11及后视参考点12的位置远离施工变形区域，免受盾构施工的不利影响。

当盾构机推进距离超过100m，也就是超过第一台全站仪监测范围时，将该全站仪移至下个强制对中装置上(如图1中3号测站位置)，同时布置相应地面监测点，如此不停反复实现跟随盾构推进自动监测地面沉降。

三、软件工作流程

针对盾构法隧道施工工况特点，工控机中设计一套地面沉降自动监测软件，该软件通过数据通讯接口采集盾构施工数据，结合地面监测点的初始坐标，对实时监测得到的检测坐标进行滤波计算，剔除其中错误信息，利用各种可视化工具指导施工，工作流程参见图2。

整个工作过程包括：软件结合初始坐标，对自动采集的所有棱镜监测坐标进行滤波处理，如果监测结果正确则保存进数据库，否则系统提示错误类型并报警；软件自动连接云端数据库，将盾构实时施工数据与轴线上沉降信息进行对比显示；用户可以根据需要，选择查看沉降信息、生成监测报表和沉降数据曲线。

四、粗差滤波

盾构法施工大部分处于城市当中，经常有车流、人流通过，造成监测过程中难用统一动态模型对其运动情况加以描述。如果依赖错误监测数据而不进行修正，导致沉降监测误差将会影响施工人员判断。本发明针对监测区域观测过程中可能包含粗差，设计了一种粗差滤波方案，具体步骤如下：

假设某采样点A(即对地面监测点A的全站仪采样点，以下简称“A点”)第N次的监测数据为(X_n,Y_n,Z_n)。

步骤1：如果X_n＝Y_n＝Z_n＝0，则该次监测坐标数据含有粗差不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测值参与计算，并显示计算结果，同时系统提示该观测无效、无观测数据，显示所采用无粗差观测值的观测时间；否则进入步骤2；

步骤2：将该监测坐标数据与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算其平面偏差

步骤3：如果D_n≥1m，则该次监测值含有粗差不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测值参与计算，并显示计算结果，同时系统提示该观测无效、点平面较差过大，显示所采用无粗差观测值的观测时间；否则进入步骤4；

步骤4：将该监测数据与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算其高程偏差ΔH＝Z_n-Z₁；

步骤5：如果ΔH≥±150mm，则该次监测值含有粗差不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测值参与计算，并显示计算结果，同时系统提示该观测无效、与初始高程不符，显示所采用无粗差观测值的观测时间；否则进入步骤6；

步骤6：计算本次监测(第N次)与上次监测(第N-1次)之间的时间间隔Δt＝t_n-t_n-1；

步骤7：与N-1次测量A点高程H比较，如果Δt≥2h，则计算沉降变化速率

进入步骤8；否则计算高程差Δh＝H_n-H_n-1进入步骤9；

步骤8：如果K≥±2.5mm/h，则该次监测值含有粗差不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测值参与计算，并显示计算结果，同时系统提示该观测无效、沉降变化率异常，显示所采用无粗差观测值的观测时间；否则进入步骤10；

步骤9：如果Δh≥±6mm，则该次监测值含有粗差不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测值参与计算，并显示计算结果，同时系统提示该观测无效、与前次高程不符，显示所采用无粗差观测值的观测时间；否则进入步骤10；

步骤10：该次观测值为无粗差观测值，参与后续计算。

其中该判别流程中第N-1次观测值的意义为，时间上最接近第N次观测的第一个无粗差观测值(例如：若N-1次已经判别为含有粗差，则以时间为序向前搜索第N-2、N-3、N-4…直至搜索到第N-X项，且第N-X项已经被判别为无粗差观测值)。

本发明的盾构施工地面沉降自动监测方法和系统，相比于现有技术的优点具有：

(1)通过设计线上快速部署棱镜结合扫描型全站仪，实现盾构施工动态大范围沉降监测。

(2)快速剔除实时监测信息中错误数据的粗差滤波方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，包括：

在盾构始发之前，在施工变形区域以外的区域设置至少两个全站仪站点及后视参考点，沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点，所述全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的所述地面监测点；

在盾构推进过程中，利用至少两个全站仪站点上的全站仪交替换站，跟随着盾构推进实时采集所述地面监测点的监测坐标；

结合设置所述地面监测点时的初始坐标，对所述监测坐标进行滤波处理，判断所述监测坐标是否符合所述对应的所述初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

2.如权利要求1所述的盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，所述全站仪为扫描型全站仪，配合棱镜对所述地面监测点进行监测，所述棱镜放置在所述扫描型全站仪实时放样出的位置，供获取所述监测坐标。

3.如权利要求1所述的盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，在隧道管片的每环位置均布设一个所述地面监测点。

4.如权利要求1所述的盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，在盾构始发之前，设置两个所述全站仪站点，每个所述全站仪站点上通过强制对中装置设置有一台全站仪，两个所述全站仪站点以一定间距沿着盾构轴线方向布置；

并且在盾构推进距离超过前一个全站仪的测程范围时，利用后一个全站仪继续监测并将前一个所述全站仪沿着盾构轴向方向移动至后一个所述全站仪之后，保持两个所述全站仪之间的间距不变，重复交替两个所述全站仪的前后位置关系，进行所述交替换站。

5.如权利要求1所述的盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，所述滤波处理为粗差滤波，若假设某个地面监测点A第N次的监测坐标为(X_n,Y_n,Z_n)，粗差滤波包括：

步骤1：若X_n＝Y_n＝Z_n＝0，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算，并显示计算结果；否则进入步骤2；

步骤2：将该监测坐标与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算平面偏差

步骤3：如果D_n≥1m，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算；否则进入步骤4；

步骤4：将该监测坐标与A点初始坐标(X₁,Y₁,Z₁)进行比较，计算高程偏差ΔH＝Z_n-Z₁；

步骤5：如果ΔH≥±150mm，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差监测坐标参与计算；否则进入步骤6；

步骤6：计算第N次监测与第N-1次监测之间的时间间隔Δt＝t_n-t_n-1；

步骤7：与N-1次测量A点高程H比较，如果Δt≥2h，则计算沉降变化速率

进入步骤8；否则计算高程差Δh＝H_n-H_n-1进入步骤9；

步骤8：如果K≥±2.5mm/h，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测坐标参与计算；否则进入步骤10；

步骤9：如果Δh≥±6mm，则该第N次监测坐标含有粗差，不参与后续计算，按时间序列向前找到A点上一个无粗差观测坐标参与计算；否则进入步骤10；

步骤10：判断该第N次观测值为无粗差观测坐标，参与后续计算。

6.如权利要求1所述的盾构施工地面沉降自动监测方法，其特征在于，还包括：将保存的沉降监测数据上传至网络云端数据库，将盾构实时施工数据与所述沉降监测数据进行比对显示。

7.一种盾构施工地面沉降自动监测系统，其特征在于，包括：

沿隧道设计轴线的地表对应位置设置多个地面监测点；

至少两个全站仪站点，设置在施工变形区域以外的区域，所述全站仪站点上全站仪的测程范围覆盖临近位置的所述地面监测点，用于配合棱镜在盾构推进过程中交替换站，跟随着盾构推进实时采集所述地面监测点的监测坐标；

后视参考点，设置在施工变形区域以外的区域；

工控机，信号联接于所述全站仪，用于结合设置所述地面监测点时的初始坐标对所述监测坐标进行滤波处理，判断所述监测坐标是否符合所述对应的所述初始坐标，若符合则保存为沉降监测数据，否则予以剔除。

8.如权利要求7所述的盾构施工地面沉降自动监测系统，其特征在于：所述全站仪为扫描型全站仪，所述棱镜放置在所述扫描型全站仪实时放样出的位置，供获取所述监测坐标。

9.如权利要求7所述的盾构施工地面沉降自动监测系统，其特征在于：在盾构始发之前，设置两个所述全站仪站点，每个所述全站仪站点上通过强制对中装置设置有一台全站仪，两个所述全站仪站点以一定间距沿着盾构轴线方向布置；

并且在盾构推进距离超过前一个全站仪的测程范围时，利用后一个全站仪继续监测并将前一个所述全站仪沿着盾构轴向方向移动至后一个所述全站仪之后，保持两个所述全站仪之间的间距不变，重复交替两个所述全站仪的前后位置关系，进行所述交替换站。

10.如权利要求7所述的盾构施工地面沉降自动监测系统，其特征在于：所述工控机通过网络联接于云端数据库。

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