静力水准自动化监测系统在工程测量中应用

1、静力水准自动化监测系统在工程测量中应用 【摘要】随着社会的发展，对重要建筑物的工程测量须具有高精度、实时性的特性，自动化监测系统必然引入工程测量工作中，成为工程测量的有力手段。液体静力水准测量是一种精密的水准测量方法，对高差的观测精度可达到20m 甚至更高。本文介绍了静力水准系统测量原理，通过工程测量中应用实例，充分体现了静力水准自动化监测系统的优越性，同时总结了静力水准工程中运用的经验。【关键词】静力水准; 工作原理; 实时性; 自动化;决策论；对策论1、 系统工程简介 系统工程的主要任务是根据总体协调的需要 ，把自然科学和社会科学中的基础思想、理论、策略和方法等从横的方面联系起来，应用现代

2、数学和电子计算机等工具 ，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和自动控制等功能进行分析研究，借以达到最优化设计，最优控制和最优管理的目标。系统工程大致可分为系统开发、系统制造和系统运用等3个阶段，而每一个阶段又可分为若干小的阶段或步骤。 系统工程的基该方法是：系统分析、系统设计与系统的综合评价（性能、费用和时间等）。系统工程的应用日趋广泛 ，至20世纪70年代已发展成许多分支，如经营管理系统工程、后勤系统工程、行政系统工程、科研系统工程、环境系统工程、军事系统工程等。用定量和定性相结合的系统思想和方法处理大型复杂系统的问题，无论是系统的设计或组织建立，还是系统的经营管理，都可以统一的看成是一类

3、工程实践，统称为系统工程。系统工程在系统科学结构体系中，属于工程技术类，它是一门新兴的学科，国内外有 一些学者对系统工程的含义有过不少阐述，但至今仍无统一的定义。 1978年我国著名学者钱学森指出:"系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法"。 1977年日本学者三浦武雄指出:"系统工程与其他工程学不同之点在于它是跨越许多学科的科学，而且是填补这些学科边界空白的一种边缘学科。因为系统工程的目的是研制一个系统，而系统不仅涉及到工程学的领域，还涉及社会、经济和政治等领域，所以为了适当地解决这些领域的问题

4、，除了需要某些纵向技术以外，还要有一种技术从横的方向把 它们组织起来，这种横向技术就是系统工程"。 1975年美国科学技术辞典的论述为:"系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组成。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。在设计 系统时，要同时考虑到参与系统活动的人的因素及其作用。" 从以上各种论点可以看出，系统工程是以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行 设计、开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。2、 系统工程有三个特点:(1)研究的对象广

5、泛，包括人类社会、生态环境、自然现象和组织管理等。(2)系统工程是一门跨学科的边缘学科。不仅要用到数、理、化、生物等自然科学，还要用到社会学、心理学、经济学、医学等与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然科学 和社会科学的交叉。因此，系统工程形成了一套处理复杂问题的理论、方法和手段，使人们 在处理问题时，有系统的整体的观点。(3)在处理复杂的大系统时，常采用定性分析和定量计算相结合的方法。因为系统工程所研究的对象往往涉及到人，这就涉及到人的价值观、行为学、心理学、主观判断和理性推理，因而系统工程所研究的大系统比一般工程系统复杂得多，处理系统工程问题不仅要 有科学性，而且要有艺术性和哲理性。

6、系统开发过程也是对系统的认识不断深化的过程。人们不可能一开始就对系统所涉及的专业技术，各部分之间的信息、能量、物质沟通关系有清晰的认识，所以必须遵循分析-实践-再分析-再实践的反复认识过程。这里的实践常常是指对分析结论的验证试验。开发过程中分析、综合的思维过程和系统工程活动如下图所示，常称为系统工程过程（SEP）。3、 系统工程过程是一个自顶层开始，依次反复应用于开发全过程的、规范化的问题解决过程，它把要求逐步转化为系统规范和一个相应的体系结构。1.在系统研制过程中始终要保持对要求的跟踪。系统工程过程的第一步是任务分析。任务分析活动是要澄清和确认用户的需求和工作的目标，明确限制条件，然后依此提

7、出对系统的功能和性能要求。通过任务分析得到的共识是后续成功的功能和物理设计的基础。2.经过任务分析得到的系统级功能和性能，通过功能分析和分配活动进一步分解成为低层次功能。结果得到的是对一个系统功能的全面描述，即系统的功能结构。这个功能结构不仅描述了必须具有的全部功能，还反映了各种功能和性能要求之间的逻辑关系。3.设计综合或称系统设计，是按照从功能分析与分配过程中得到的系统功能和性能描述，在综合考虑各种相关工程技术的基础上发挥工程创造力，研制出一个能够满足要求的、优化的系统物理结构。4.验证活动的目的是确认所设计的各个层次的系统物理结构满足系统要求，保证能够在预定的性能指标下实现所要求的功能。验

8、证方法包括分析（建模和仿真）、演示验证和试验。4、 系统工程过程的每一个步骤都可以是一个循环过程，对前一个步骤进行重新访问。系统工程过程的输出是一套明确定义系统设计、研制和试验的文件。五静力水准自动化监测系统的应用垂直位移量是直接反应工程结构物及其基础的是否稳定的关键指标，垂直位移是大部分工程安全监控的重要内容。在工程测量中，液体静力水准测量是一种精密的水准测量方法，对高差的观测精度可达到20m 甚至更高。常规监测技术和人工采集数据的方法，监测范围小、工作量大、效率低和投入高，存在漏检的弊端。静力水准系统具有精度高、自动化性能好、实时测量功能等特点。1 静力水准系统测量原理 静力水准系统在管道

9、连接的容器中注入一定的液体，所有的容器中的液体将在管道中自由流动，其结果是当平衡或者静止时各个容器中的液体表面将保持相同的高度，但是各个容器中的液体深度并不相同，这也就反映了各个容器所在的各个参考点的高度的不同。静力水准系统，用传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉陷量。整个系统可直接测量系统中各测点的差异沉降。若需要各测点的绝对沉降量则一般通过光学水准测量基准点的高程作为系统的基准值，并在整个观测过程中对基准点高程进行修正，保证系统各测点高程的正确性。静力水准系统中测点相对于基准点的垂直位移量计算公式如下:Hig = ( hi0 hig) ( hf0 h

10、fg)式中，Hig表示静力水准系统中第i 只测点在测试时刻相对于基点的垂直位移值; hi0表示静力水准系统中第i 只测点在初始时刻水准仪容器液面高度; hig表示静力水准系统中第i 只测点在测试时刻水准仪容器液面高度; hf0表示静力水准系统中基准测点在初始时刻水准仪容器液面高度; hfg表示静力水准系统中基准测点在测试时刻水准仪容器液面高度。2 工程实例外滩通道是上海市“三纵三横”交通主干网络中三纵东线的组成部分，提升城市功能，服务上海世博会交通。从福州路至天潼路为盾构段，工程采用=14270mm 的土压平衡盾构施工，该盾构是国内直径最大的土压平衡盾构隧道。盾构从天潼路工作井出发，沿大名路下

11、穿苏州河后，沿中山东一路，向福州路工作井推进，在第370 环 第375 环，下穿南京东路地下人行通道。外滩通道盾构顶部距离南京东路地下人行地道底部最近距离仅为2. 4m( 约0. 17D，D 为盾构直径) ，两者位置关系见图1。隧道埋深8. 9m( 约0. 62D) ，盾构穿越土层为第层灰色淤泥质粉质粘土和第层灰色淤泥质粘土，流塑性高，变形控制难度极大。盾构推进过程中，须保证南京东路地下人行地道正常使用。2 1 静力水准监测系统的布设 为了监控盾构推进对地下通道结构的影响，为外滩通道盾构施工姿态控制和同步注浆参数优化提供依据，对南京路地下人行通道的垂直位移结合人工普通光学水准观测实施了自动化静

12、力水准系统的实时监控。南京东路地下人行通道结构主体由两个主箱体组成，主箱体与两端出入口结构形成3 个施工缝，监测点设置施工缝两侧，共计6 个测点，测点编号为J0104戴加东等: 静力水准自动化监测系统在工程测量中应用 J5，具体测点布置见如图2。J0 点为基准点，其高程采用光学水准进行修正，系统采集频率1 次/10min。2.2 监测成果分析图3 为监测点沉降监测断面位移曲线如所示。可以看出，盾构推进到358 环( 距离监测断面17 环) 时，监测断面没有明显沉降; 盾构推进到367 环( 距离监测断面12 环，约1. 5D) 时，盾构上方监测点J2、J3 开始隆起; 371 环( 距离监测断

13、面4 环，约0. 6D) 时， J2、J3点垂直位移达到7. 34mm 和6. 93mm; 376 环时， J2、J3点垂直位移达到最大值，分别为11. 96mm 和11. 56mm，约为0. 8D，之后开始逐步回落，381 环时垂直位移分别回落至2. 67mm 和2. 69mm。图4 为2009 年6 月17 日00: 00 至12: 00 间盾构由365 环推进到375 环过程中，南京东路地下通道结构监测点垂直位移变化情况。从图中可以看出，地下通道结构受到施工影响十分明显，盾构机每推进1 环，地下通道结构出现1 个上升和下降周期。 图5 为2009 年6 月17 日00: 30 至23:

14、30 间盾构推进过程中，根据人工光学水准测量结果绘制的南京东路地下通道结构监测点垂直位移变化曲线图( 图中NTD 为人工观测点编号，NTD1 与J0 相对应，NTD2 与J1 相对应，依次类推) 。因为南京东路地下人行通道结构位置的特殊性，人工观测频率已加大至4 次/1d，人工观测的工作量几乎提升到极限，从6月17日00:30 至08: 30 观测两次，观测结果不能看出地下通道结构在盾构推进过程中变化情况，人工观测结果漏检的弊端暴露无遗。显示了静力水准自动化监测系统的实时监控优越性.3 结语( 1) 静力水准系统的精度高、自动化性能好、实时测量功能的特点在实际工程运用中得到了充分的体现，较好的反应了建筑物的变形情况。( 2) 静力水准自动化监测系统可以避免了传统人工光学水准观测的漏检的情况的发生。( 3) 静力水准系统设计时，管路长短对监测结果有一定的影响，要根据实际情况设计，提高静力