靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程測(cè)量中應(yīng)用

1、靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程測(cè)量中應(yīng)用 【摘要】隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)重要建筑物的工程測(cè)量須具有高精度、實(shí)時(shí)性的特性，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必然引入工程測(cè)量工作中，成為工程測(cè)量的有力手段。液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量是一種精密的水準(zhǔn)測(cè)量方法，對(duì)高差的觀測(cè)精度可達(dá)到20m 甚至更高。本文介紹了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量原理，通過(guò)工程測(cè)量中應(yīng)用實(shí)例，充分體現(xiàn)了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)越性，同時(shí)總結(jié)了靜力水準(zhǔn)工程中運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)。【關(guān)鍵詞】靜力水準(zhǔn); 工作原理; 實(shí)時(shí)性; 自動(dòng)化;決策論；對(duì)策論1、 系統(tǒng)工程簡(jiǎn)介 系統(tǒng)工程的主要任務(wù)是根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要 ，把自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)中的基礎(chǔ)思想、理論、策略和方法等從橫的方面聯(lián)系起來(lái)，應(yīng)用現(xiàn)代

2、數(shù)學(xué)和電子計(jì)算機(jī)等工具 ，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和自動(dòng)控制等功能進(jìn)行分析研究，借以達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目標(biāo)。系統(tǒng)工程大致可分為系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)制造和系統(tǒng)運(yùn)用等3個(gè)階段，而每一個(gè)階段又可分為若干小的階段或步驟。 系統(tǒng)工程的基該方法是：系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)（性能、費(fèi)用和時(shí)間等）。系統(tǒng)工程的應(yīng)用日趨廣泛 ，至20世紀(jì)70年代已發(fā)展成許多分支，如經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)工程、后勤系統(tǒng)工程、行政系統(tǒng)工程、科研系統(tǒng)工程、環(huán)境系統(tǒng)工程、軍事系統(tǒng)工程等。用定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)思想和方法處理大型復(fù)雜系統(tǒng)的問(wèn)題，無(wú)論是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或組織建立，還是系統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)管理，都可以統(tǒng)一的看成是一類

3、工程實(shí)踐，統(tǒng)稱為系統(tǒng)工程。系統(tǒng)工程在系統(tǒng)科學(xué)結(jié)構(gòu)體系中，屬于工程技術(shù)類，它是一門新興的學(xué)科，國(guó)內(nèi)外有 一些學(xué)者對(duì)系統(tǒng)工程的含義有過(guò)不少闡述，但至今仍無(wú)統(tǒng)一的定義。 1978年我國(guó)著名學(xué)者錢學(xué)森指出:"系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的方法"。 1977年日本學(xué)者三浦武雄指出:"系統(tǒng)工程與其他工程學(xué)不同之點(diǎn)在于它是跨越許多學(xué)科的科學(xué)，而且是填補(bǔ)這些學(xué)科邊界空白的一種邊緣學(xué)科。因?yàn)橄到y(tǒng)工程的目的是研制一個(gè)系統(tǒng)，而系統(tǒng)不僅涉及到工程學(xué)的領(lǐng)域，還涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等領(lǐng)域，所以為了適當(dāng)?shù)亟鉀Q這些領(lǐng)域的問(wèn)題

4、，除了需要某些縱向技術(shù)以外，還要有一種技術(shù)從橫的方向把 它們組織起來(lái)，這種橫向技術(shù)就是系統(tǒng)工程"。 1975年美國(guó)科學(xué)技術(shù)辭典的論述為:"系統(tǒng)工程是研究復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)，該系統(tǒng)由許多密切聯(lián)系的元素所組成。設(shè)計(jì)該復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)有明確的預(yù)定功能及目標(biāo)，并協(xié)調(diào)各個(gè)元素之間及元素和整體之間的有機(jī)聯(lián)系，以使系統(tǒng)能從總體上達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。在設(shè)計(jì) 系統(tǒng)時(shí)，要同時(shí)考慮到參與系統(tǒng)活動(dòng)的人的因素及其作用。" 從以上各種論點(diǎn)可以看出，系統(tǒng)工程是以大型復(fù)雜系統(tǒng)為研究對(duì)象，按一定目的進(jìn)行 設(shè)計(jì)、開發(fā)、管理與控制，以期達(dá)到總體效果最優(yōu)的理論與方法。2、 系統(tǒng)工程有三個(gè)特點(diǎn):(1)研究的對(duì)象廣

5、泛，包括人類社會(huì)、生態(tài)環(huán)境、自然現(xiàn)象和組織管理等。(2)系統(tǒng)工程是一門跨學(xué)科的邊緣學(xué)科。不僅要用到數(shù)、理、化、生物等自然科學(xué)，還要用到社會(huì)學(xué)、心理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、醫(yī)學(xué)等與人的思想、行為、能力等有關(guān)的學(xué)科，是自然科學(xué) 和社會(huì)科學(xué)的交叉。因此，系統(tǒng)工程形成了一套處理復(fù)雜問(wèn)題的理論、方法和手段，使人們 在處理問(wèn)題時(shí)，有系統(tǒng)的整體的觀點(diǎn)。(3)在處理復(fù)雜的大系統(tǒng)時(shí)，常采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法。因?yàn)橄到y(tǒng)工程所研究的對(duì)象往往涉及到人，這就涉及到人的價(jià)值觀、行為學(xué)、心理學(xué)、主觀判斷和理性推理，因而系統(tǒng)工程所研究的大系統(tǒng)比一般工程系統(tǒng)復(fù)雜得多，處理系統(tǒng)工程問(wèn)題不僅要 有科學(xué)性，而且要有藝術(shù)性和哲理性。

6、系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程也是對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深化的過(guò)程。人們不可能一開始就對(duì)系統(tǒng)所涉及的專業(yè)技術(shù)，各部分之間的信息、能量、物質(zhì)溝通關(guān)系有清晰的認(rèn)識(shí)，所以必須遵循分析-實(shí)踐-再分析-再實(shí)踐的反復(fù)認(rèn)識(shí)過(guò)程。這里的實(shí)踐常常是指對(duì)分析結(jié)論的驗(yàn)證試驗(yàn)。開發(fā)過(guò)程中分析、綜合的思維過(guò)程和系統(tǒng)工程活動(dòng)如下圖所示，常稱為系統(tǒng)工程過(guò)程（SEP）。3、 系統(tǒng)工程過(guò)程是一個(gè)自頂層開始，依次反復(fù)應(yīng)用于開發(fā)全過(guò)程的、規(guī)范化的問(wèn)題解決過(guò)程，它把要求逐步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)規(guī)范和一個(gè)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。1.在系統(tǒng)研制過(guò)程中始終要保持對(duì)要求的跟蹤。系統(tǒng)工程過(guò)程的第一步是任務(wù)分析。任務(wù)分析活動(dòng)是要澄清和確認(rèn)用戶的需求和工作的目標(biāo)，明確限制條件，然后依此提

7、出對(duì)系統(tǒng)的功能和性能要求。通過(guò)任務(wù)分析得到的共識(shí)是后續(xù)成功的功能和物理設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。2.經(jīng)過(guò)任務(wù)分析得到的系統(tǒng)級(jí)功能和性能，通過(guò)功能分析和分配活動(dòng)進(jìn)一步分解成為低層次功能。結(jié)果得到的是對(duì)一個(gè)系統(tǒng)功能的全面描述，即系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。這個(gè)功能結(jié)構(gòu)不僅描述了必須具有的全部功能，還反映了各種功能和性能要求之間的邏輯關(guān)系。3.設(shè)計(jì)綜合或稱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是按照從功能分析與分配過(guò)程中得到的系統(tǒng)功能和性能描述，在綜合考慮各種相關(guān)工程技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)揮工程創(chuàng)造力，研制出一個(gè)能夠滿足要求的、優(yōu)化的系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)。4.驗(yàn)證活動(dòng)的目的是確認(rèn)所設(shè)計(jì)的各個(gè)層次的系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)滿足系統(tǒng)要求，保證能夠在預(yù)定的性能指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)所要求的功能。驗(yàn)

8、證方法包括分析（建模和仿真）、演示驗(yàn)證和試驗(yàn)。4、 系統(tǒng)工程過(guò)程的每一個(gè)步驟都可以是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，對(duì)前一個(gè)步驟進(jìn)行重新訪問(wèn)。系統(tǒng)工程過(guò)程的輸出是一套明確定義系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)的文件。五靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用垂直位移量是直接反應(yīng)工程結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)的是否穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo)，垂直位移是大部分工程安全監(jiān)控的重要內(nèi)容。在工程測(cè)量中，液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量是一種精密的水準(zhǔn)測(cè)量方法，對(duì)高差的觀測(cè)精度可達(dá)到20m 甚至更高。常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)和人工采集數(shù)據(jù)的方法，監(jiān)測(cè)范圍小、工作量大、效率低和投入高，存在漏檢的弊端。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)具有精度高、自動(dòng)化性能好、實(shí)時(shí)測(cè)量功能等特點(diǎn)。1 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量原理 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)在管道

9、連接的容器中注入一定的液體，所有的容器中的液體將在管道中自由流動(dòng)，其結(jié)果是當(dāng)平衡或者靜止時(shí)各個(gè)容器中的液體表面將保持相同的高度，但是各個(gè)容器中的液體深度并不相同，這也就反映了各個(gè)容器所在的各個(gè)參考點(diǎn)的高度的不同。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，用傳感器測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對(duì)變化，再通過(guò)計(jì)算求得各點(diǎn)相對(duì)于基點(diǎn)的相對(duì)沉陷量。整個(gè)系統(tǒng)可直接測(cè)量系統(tǒng)中各測(cè)點(diǎn)的差異沉降。若需要各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)沉降量則一般通過(guò)光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的高程作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)值，并在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)高程進(jìn)行修正，保證系統(tǒng)各測(cè)點(diǎn)高程的正確性。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移量計(jì)算公式如下:Hig = ( hi0 hig) ( hf0 h

10、fg)式中，Hig表示靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中第i 只測(cè)點(diǎn)在測(cè)試時(shí)刻相對(duì)于基點(diǎn)的垂直位移值; hi0表示靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中第i 只測(cè)點(diǎn)在初始時(shí)刻水準(zhǔn)儀容器液面高度; hig表示靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中第i 只測(cè)點(diǎn)在測(cè)試時(shí)刻水準(zhǔn)儀容器液面高度; hf0表示靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)在初始時(shí)刻水準(zhǔn)儀容器液面高度; hfg表示靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)在測(cè)試時(shí)刻水準(zhǔn)儀容器液面高度。2 工程實(shí)例外灘通道是上海市“三縱三橫”交通主干網(wǎng)絡(luò)中三縱東線的組成部分，提升城市功能，服務(wù)上海世博會(huì)交通。從福州路至天潼路為盾構(gòu)段，工程采用=14270mm 的土壓平衡盾構(gòu)施工，該盾構(gòu)是國(guó)內(nèi)直徑最大的土壓平衡盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)從天潼路工作井出發(fā)，沿大名路下

11、穿蘇州河后，沿中山東一路，向福州路工作井推進(jìn)，在第370 環(huán) 第375 環(huán)，下穿南京東路地下人行通道。外灘通道盾構(gòu)頂部距離南京東路地下人行地道底部最近距離僅為2. 4m( 約0. 17D，D 為盾構(gòu)直徑) ，兩者位置關(guān)系見(jiàn)圖1。隧道埋深8. 9m( 約0. 62D) ，盾構(gòu)穿越土層為第層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和第層灰色淤泥質(zhì)粘土，流塑性高，變形控制難度極大。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，須保證南京東路地下人行地道正常使用。2 1 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè) 為了監(jiān)控盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地下通道結(jié)構(gòu)的影響，為外灘通道盾構(gòu)施工姿態(tài)控制和同步注漿參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，對(duì)南京路地下人行通道的垂直位移結(jié)合人工普通光學(xué)水準(zhǔn)觀測(cè)實(shí)施了自動(dòng)化靜

12、力水準(zhǔn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。南京東路地下人行通道結(jié)構(gòu)主體由兩個(gè)主箱體組成，主箱體與兩端出入口結(jié)構(gòu)形成3 個(gè)施工縫，監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置施工縫兩側(cè)，共計(jì)6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為J0104戴加?xùn)|等: 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程測(cè)量中應(yīng)用 J5，具體測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)如圖2。J0 點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，其高程采用光學(xué)水準(zhǔn)進(jìn)行修正，系統(tǒng)采集頻率1 次/10min。2.2 監(jiān)測(cè)成果分析圖3 為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)斷面位移曲線如所示?？梢钥闯觯軜?gòu)推進(jìn)到358 環(huán)( 距離監(jiān)測(cè)斷面17 環(huán)) 時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面沒(méi)有明顯沉降; 盾構(gòu)推進(jìn)到367 環(huán)( 距離監(jiān)測(cè)斷面12 環(huán)，約1. 5D) 時(shí)，盾構(gòu)上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)J2、J3 開始隆起; 371 環(huán)( 距離監(jiān)測(cè)斷

13、面4 環(huán)，約0. 6D) 時(shí)， J2、J3點(diǎn)垂直位移達(dá)到7. 34mm 和6. 93mm; 376 環(huán)時(shí)， J2、J3點(diǎn)垂直位移達(dá)到最大值，分別為11. 96mm 和11. 56mm，約為0. 8D，之后開始逐步回落，381 環(huán)時(shí)垂直位移分別回落至2. 67mm 和2. 69mm。圖4 為2009 年6 月17 日00: 00 至12: 00 間盾構(gòu)由365 環(huán)推進(jìn)到375 環(huán)過(guò)程中，南京東路地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化情況。從圖中可以看出，地下通道結(jié)構(gòu)受到施工影響十分明顯，盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)1 環(huán)，地下通道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)1 個(gè)上升和下降周期。 圖5 為2009 年6 月17 日00: 30 至23:

14、30 間盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)人工光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果繪制的南京東路地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移變化曲線圖( 圖中NTD 為人工觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)，NTD1 與J0 相對(duì)應(yīng)，NTD2 與J1 相對(duì)應(yīng)，依次類推) 。因?yàn)槟暇〇|路地下人行通道結(jié)構(gòu)位置的特殊性，人工觀測(cè)頻率已加大至4 次/1d，人工觀測(cè)的工作量幾乎提升到極限，從6月17日00:30 至08: 30 觀測(cè)兩次，觀測(cè)結(jié)果不能看出地下通道結(jié)構(gòu)在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中變化情況，人工觀測(cè)結(jié)果漏檢的弊端暴露無(wú)遺。顯示了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控優(yōu)越性.3 結(jié)語(yǔ)( 1) 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的精度高、自動(dòng)化性能好、實(shí)時(shí)測(cè)量功能的特點(diǎn)在實(shí)際工程運(yùn)用中得到了充分的體現(xiàn)，較好的反應(yīng)了建筑物的變形情況。( 2) 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以避免了傳統(tǒng)人工光學(xué)水準(zhǔn)觀測(cè)的漏檢的情況的發(fā)生。( 3) 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，管路長(zhǎng)短對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有一定的影響，要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)，提高靜力