SDT智能数据采集软件及HRMAS测量平差软件在某机场隧道进口航油管道变形监测中应用

1 工程概况 重庆铁路枢纽东环线DHZQ-9标段江北机场隧道位于重庆市渝北区两路街道，为机场支线双线隧道，从机场南端场平下填方区域进洞，在建的T3航站楼下设地下车站（站台中心里程JDK13+505），从在建机场第三跑道场平区边缘出洞，里程范围为JDK11+300~JDK15+650，全长4350m，最大埋深26m。重庆铁路枢纽东环线DHZQ-9标段江北机场隧道进口段施工区域涵盖既有天然气斜穿管道，受隧道施工影响，区域结构应力重新分配，可能致使受影响区域边坡和建构筑物（主要为天然气管道侧方边坡、天然气管道支架）产生沉陷、位移甚至坍塌，危及隧道安全施工和既有天然气管道设施安全运营，甚至导致重大灾难事故。受中铁二十四局集团有限公司委托，四川交大工程检测咨询有限公司承担重庆铁路枢纽东环线DHZQ-9标段江北机场隧道进口处施工区域内既有天然气管道变形监测任务。

图1-1 进口段施工区域涵盖既有天然气斜穿管道 2 编制依据 1.《铁路安全管理条例》（国务院令第639号）； 2.《工程测量规范》（GB 50026-2007）； 3.《全球定位系统（GNSS）测量规范》（GB/T18314-2009）； 4.《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897-2006）； 5.《建筑变形测量规范》（JGJ8-2016）； 6.《铁路技术管理规程》(普速铁路部分)(TG/01-2014)； 7.《铁路工程测量规范》（TB 10101-2009）； 8.《铁路隧道监控量测技术规程》（TB 10121-2015）； 9.《新建铁路重庆铁路枢纽东环线施工图——江北机场隧道设计图（机场支线双线隧道）》（中国中铁二院工程集团有限责任公司）； 10.《新建重庆铁路枢纽东环线站前工程DHZQ-9标施工图及斜井变更施工图》（中国中铁二院工程集团有限责任公司）； 11.《新建重庆铁路枢纽东环线站前工程DHZQ-9标施工图及施工组织设计》（中铁二十四局集团有限公司）； 12.现场踏勘及调查周边环境所获得的资料； 13.国家现行相关规范及强制性标准； 3 监测目的 1.通过对管道的监测，及时掌握受施工影响的航油管道区段变形情况，为管道安全运营提供技术保障，为江北机场隧道进口段安全施工提供决策依据。 2.通过对监测数据的相关分析和信息反馈，掌握施工过程中航油管道结构变形情况，及时修正设计和指导施工，对施工过程进行有效的预测和控制，优化施工工序，调整施工措施，预防发生工程安全事故。 3.为保障施工区域内受影响建构筑物的长期安全、稳定提供技术支撑，满足机场安全运营需要。 4监测范围 经现场踏勘并结及施工设计图纸，本方案设计监测范围为：重庆铁路枢纽东环线DHZQ-9标段江北机场隧道进口段施工影响区域内的航油管道区段，主要监测内容包括：管道本体和管道支架基础。 表4-1 监测范围统计表 监测对象 测量内容 监测方式 测量方法 航油管道 水平位移 粘贴反光标 全站仪固定测站平面测量 支架基础 沉降+水平位移 镶嵌棱镜强制对中预埋件 全站仪固定测站平面测量+三角高程测量 图4-1 既有航油管道与隧道施工区域相对位置关系卫星影像图



5监测周期 经与施工单位沟通，江北机场进口段施工工期预计1个月，本方案监测时长按1个半月考虑。本次结构物变形监测主要是进行水平位移监测和沉降监测，其监测频次根据《工程测量规范》第10.7.3条第4款要求，结合江北机场隧道（JDK11+300~JDK13+010）工程实际情况，对隧道进口管道位移监测每天1～2次，该段隧道施工终止后，监测数据判定航油管道及其支撑结构稳定后终止观测。 6监测方案 6.1 监测基准网 6.1.1监测基准网布设 本次位移监测采用既有的线路控制点JMP217及JMP219，并新埋设设站点JBSDJC01。位移监测设站点按照《工程测量规范》附录B.3.1要求布设，如图所示。观测墩上部设强制对中器，用于平面基准网测量架设GPS、全站仪、棱镜等。

图6-1 全站仪强制对中观测墩现场实物图

图6-2 《工程测量规范》附录B.3.1 6.1.2监测基准网测量技术要求 1.垂直位移监测基准网按《铁路工程测量规范》第8.2.5条要求中“三等”技术要求执行。基准网采用二等水准方法测量。 表6-1 三等沉降监测基准网主要技术要求

表6-2 二等水准测量的主要技术要求

2.水平位移监测基准网按《铁路工程测量规范》第8.2.2条要求中“三等”技术要求执行。水平位移监测基准网的首级控制网采用GNSS静态方法建立和维护，按照《全球定位系统（GPS）测量规范》中D级GPS技术要求执行。 表6-3 三等水平位移监测基准网主要技术要求

表6-4 D级GNSS外业观测技术要求

GPS外业观测完成后，需要进行观测数据解算与质量评定：

4）独立闭合环或附合路线坐标闭合差W以及坐标分量闭合差应满足：

式中：n 为闭合环边数；；其中a=5mm，b=1ppm。 （2）基线向量解算 基线向量计算基本要求如下： 1）D级网GNSS观测值均应加入对流层延迟修正，对流层延迟修正模型中的气象元素可采用标准气象元素。 2）基线解算，按同步观测时段为单位进行。按多基线解时，每个时段须提供一组独立基线向量及其完全的方差—协方差阵；按单基线解时，须提供每条基线分量及其方差—协方差阵。 （3）GNSS网平差 1）在基线向量检验合格后，以三维基线向量及其相应方差—协方差阵作为观测值，以一个点在WGS-84地心坐标系下的三维坐标作为起算数据，进行三维无约束平差，以检验空间向量网的内符合精度。 2）在无约束平差中，基线向量的改正数绝对值应满足下式要求：

3）在三维无约束平差结束后，将GNSS空间向量网经投影变换至高斯坐标平面，再固定联测的起算点平面坐标进行平面网的二维约束平差。平差结束后，应对平差点位中误差、方位角中误差、边长相对中误差进行分析统计。 4）在约束平差中，基线向量的改正数与剔除粗差后的无约束平差结果的同名基线相应改正数的较差应符合下式要求：

式中：—基线测量中误差。 6.1.3监测点布设 本次水平位移监测点根据规范及现场实际情况，在墩台处埋设1个棱镜预埋件，在墩台管道上方布设带有十字丝反光帖板，管道本体上反光标主要用于管道的水平位移监测，管道支架基础上测点棱镜用于基础的水平位移监测和沉降监测，共埋设14点。

图6-3 监测点埋设示意图 6.2 监测办法 6.2.1水平位移监测方法 本次水平位移监测主要采用全站仪固定设站平面测量方法进行监测。 （1）水平位移监测测量所采用的全站仪具有ATR自动目标识别照准功能的徕卡测量机器人型TM50，仪器标称精度为0.5″，0.6mm+1ppm。采用Leica公司生产的GPR121进口钢化精密棱镜。在进行变形监测时正确输入对应棱镜的棱镜常数。外业数据采集采用自动化观测软件来获取测量数据。 （2）测距边的斜距应进行气象和仪器常数改正。气压、气温的读取应采用测量专用干湿温度计和空盒气压表，其中气压读数精确到0.5hPa，温度读数精确到0.2℃。气温、气压应为斜距边通过区域的平均值，实际作业过程中也可分别量取测距边两端的气温、气压值，取平均值作为测距边通过区域的平均值。 （3）水平角观测采用方向观测法，并满足表6.2.1-1的要求。 表6.2.1-1 水平角观测技术要求

注：当观测方向的垂直角超过±3°的范围时，该方向2C互差可按相邻测回同方向进行比较，其值应满足表中一测回2C互差的限值。 （4）边长测量技术要求应符合表6.2.1-2的要求。 表6.2.1-2 边长测量限差

（5）观测时选择天气良好、温度较为恒定且附件无施工时采集数据。 （6）将JMP217,JMP219,JBSDJC01作为基准点，采用极坐标差分测量法观测桥墩监测点时，将一台全站仪架设在JBSDJC01点，后视JMP217,JMP219。 （7）数据采集完成后，通过软件计算获取各测点平面坐标，对各期的平面坐标进行对比得出水平位移量(ΔX, ΔY)。在数据处理时，为了提高监测精度，还需根据参考点的测量数据，对变形点监测的边长、方位角、竖直角进行修正，对观测数据进行差分处理，提高变形观测精度。 6.2.2垂直位移监测方法 根据《工程测量规范》（GB 50026-2007）第10.7.2条和《铁路工程测量规范》（TB 10101-2009）第8.6.2条要求，结合江北机场隧道下穿工程实际情况，垂直位移监测按变形测量“三等”精度指标执行，如表6-5所示。垂直位移监测采用二等水准方法进行数据采集。 表6-5 垂直位移监测网技术要求

等级 相邻基准点高差中误差（mm） 每站高差中误差（mm） 往返较差、附合或环线闭合差（mm） 检测已测高差较差（mm） 使用仪器、观测方法及要求 三等 1.0 0.3 0.6 0.8 DS05或DS1型仪器，按《高速铁路工程测量规范》二等水准测量的技术要求施测。 注：n——测站数

图6.2.2-1垂直位移观测水准路线影像图 数据采用天宝dini03水准仪进行监测，监测时需注意以下事项： ① 观测前30min，将仪器置于露天阴影下，使仪器与外界气温趋于一致；迁站时，罩以仪器罩。使用数字水准仪前，进行预热，预热不少于20次单次测量。 ②水准仪的圆水准器，严格置平。 ③ 在连续各测站上安置水准仪的三角架时，使其中两脚与水准路线的方向平行，而第三脚轮换置于路线方向的左侧与右侧。 ④ 水准尺采用辅助支撑进行安置，测量转点安置尺垫，放置尺垫要选择坚实硬质地，并踩实以防尺垫下沉（尺垫重量5kg）。 ⑤ 每一测段的往测与返测，其测站数为偶数。由往测转为返测时，两支标尺互换位置，重新整置仪器。 ⑥避免望远镜直接对着太阳；仪器在厂方规定的温度范围内工作；震动源造成的震动消失后，启动测量键。 ⑦应避开附近施工作业时间段。 ⑧数据采集完成后需及时进行内业数据处理，对每期数据进行高程比较得出垂直位移量（ΔH），并分析其变化速率。 7预警机制与信息反馈 安全生产法第三条规定了安全生产管理的基本方针——安全第一。变形监测预警充分体现了“安全第一，预防为主”的生产原则。预警机制，本义上是指预先发布警告的制度，通过构建科学、系统、及时、高效的监测预警系统，实现信息的超前反馈，为及时布置、防风险于未然奠定基础。 变形监测预警系统内的各项目监测有着必然的、内在的联系。某一单项的监测结果往往不能揭示和反映整体情况，必须结合相关项目的监测数据和自然环境、施工工况等情况以及以往数据进行分析，才能通过相互印证、去伪存真，正确地把握机场运营状态及周边环境的真实状态，提供出高质量的综合分析报告。确定工程监测项目的监测预警值是一个十分严肃、复杂的课题，建立一个定量化的报警指标体系对于监控航油管道安全运营和预防施工安全事故意义重大。 工程结构运营状态一般分为正常（Ⅰ级预警，蓝色预警）、异常（Ⅱ级预警，黄色预警）和危险（Ⅲ级预警，红色预警）三种情况。异常是指监测对象受力或变形呈现出不符合一般规律的状态。危险是指监测对象的受力或变形呈现出低于结构安全储备、可能发生破坏的状态。故本监测方案中，采用三级预警机制。预警值设置详见表7-1所示。 表7-1 监测预警值设置 待定--------- 9 质量保证体系及措施 为确保监测成果的质量，加快信息反馈速度，外业监测全部采用自动化记录方式，并且每次外业数据及时传入计算机监测数据管理库中进行计算机管理分析。并按期向业主单位提交监测成果及分析报告，对受江北机场隧道施工影响的航油管道区段进行监测评价和并提出相应建议。 9.1 质量方针 行为公正诚实、方法科学客观、数据准确可靠、服务规范热情。 行为公正诚实——为保护客户(委托人)的技术所有权，站在公正立场上，独立诚实地开展监测工作； 方法科学客观——严格执行现行有效的，为业主认可的方法标准； 数据准确可靠——认真执行作业程序，严格控制监测过程，满足监测要求； 服务规范热情——切实履行承诺的各项服务，对待客户积极热情。 9.2 质量目标 （1）建立完善的质量管理体系，始终保持管理体系运行的有效性。致力于不断提高为业主监测服务质量，使本公司逐步成为本专业领域中让业主感到安全、放心、满意和权威的监测服务机构； （2）维护监测工作的科学性、公正性，确保量值的统一和数据的准确。监测报告不得有数据或结论性差错，其他差错率低于1%； （3）坚定不移的执行“以客户为中心”的服务宗旨，不折不扣地贯彻执行“科学公正、准确可靠、优质高效、方便客户”的服务方针，使客户的满意率达98%以上； （4）加强全员培训，提高全员素质，使全体员工牢固树立统一的目标和价值观，并以规范的行为、过硬的技术、优质的服务赢得全社会赞誉。 9.3 质量管理体系 项目部成立质量管理领导小组，由项目负责人任组长，由技术负责人、现场负责人任副组长，组员由各监测小组长组成，对监测质量进行控制。质量管理领导小组对各个环节进行定期检查与不定期的抽查，召开质量分析会，发现问题及时解决，及时改正。建立质量奖惩制度，奖优罚劣，对造成事故的责任人处以重罚。 （1）技术方案审核制度 技术方案是质量保证的根本，方案编写应深入细化，明确做什么与怎么做，对于重点、难点应特别指明。在监测工作开展之前，项目部将组织技术人员和操作骨干人员，学习规范与特别要求，并总结要点，重点学习，避免原则性错误的发生。所有监测方案均进行审核制度，即项目部审批后报建设单位批准后方可执行。 （2）技术交底制度 技术方案的贯彻、执行是质量保证的关键，直接影响到工程质量能否合乎要求。在每个方案实施前需要对工作人员进行技术交底，工作过程中必须执行规范、标准、技术方案，明白技术要求、工作流程、质量标准、安全措施等。做好技术交底记录，接底人对于方案的实施负全部的责任。 （3）仪器设备管理制度 保证所有的仪器设备投入使用前在检定有效期内，并进行检查、调试，确保仪器设备处于良好状态；仪器设备使用过程中，严格按照操作说明进行操作，做好使用记录，安排专人做好仪器设备的保养工作。

图9-1 质量保证体系框图 9.4 质量措施 （1）建立监测专业组；建立专业监测小组，以监测组长为直接领导，由具备丰富施工经验、监测经验的工程技术人员组成。除及时收集、整理各项监测资料外，尚需对这些资料进行计算分析对比。 （2）制定详细的监测计划：根据施工监测的具体要求制定监测计划。 （3）采购元器件及有关监测元件和仪器的标定：根据监测计划，在监测进场前，备齐所有的监测元件和仪器。并根据规范进行有关标定工作。 （4）处理好施工和监测的关系：妥善协调好施工和监测的关系，将观测设备的埋设计划列入工程施工进度计划中。及时提供工作面，创造条件保证监测埋设工作的正常进行。在施工过程中采取切实有效措施，防止一切观测设备、观测测点和电缆受到机械和人为的破坏，如有破坏，按要求及时采取补救措施，并详细作出记录备查。 （5）基准点和测点的保护：保护和保存好合同范围内全部基准点、水准网点和新布设的网点，使之容易进入和通视，防止移动和破坏。 （6）监测数据的采集整理 ①监测资料主要包括监测方案、监测数据、监测日志、监测报表、监测报告、监测工作联系单、监测会议纪要。 ②采用专用的表格记录数据，保存原始资料，并按要求进行签字、计算、复核。 ③根据不同原理的仪器和不同的采集方法，采取相应的检查和鉴定手段，包括严格遵守操作规程、定期检查维护监测系统，加强上岗人员的培训工作等内容。 ④误差产生的原因及检验方法：误差产生主要有系统误差、过失误差、偶然误差等，对量测产生的各种误差采用对比检验、统计检验等方法进行检验。 （7）监测结果的分析、处理：对监测数据及时进行处理和反馈，预测结构状态的稳定性，提出施工参数的调整意见，确保工程的顺利施工。监测工作应分阶段、分工序对量测结果进行总结和分析。 ①数据处理：将原始的数据通过科学、合理的方法，用频率分布的形式把数据分布情况显示出来，进行数据的数值特征计算，舍掉离群数据。 ②曲线拟合：根据各监测项选用对应的反映数据变化规律和趋势的函数表达式，进行曲线拟合，对现场量测数据及时绘制对应的位移――时间曲线或图表，当位移――时间曲线趋于平缓时，进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。 10成果资料提交 人工周期监测，每周期外业测量外业完成后及时提交，并在次月5号之前汇总分析前1月监测数据资料后，提交前1月监测月报。 监测成果资料主要包括： （1）监测方案； （2）基准点、监测点平面位置图； （3）监测网型示意图； （4）所有测量记录表以及仪器的检验资料； （5）变形监测（沉降+水平位移）技术分析报告； （6）其他。