考虑工况信息的沉降监测评估系统设计与实现

乐亚南 张献州 莫 春 黄惠峰

(西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都 610031)

沉降监测是工程建设中的一项重要工作，通过沉降监测提供的数据和信息，进行示警和预报，可以防止对工程和社会造成不必要的破坏和损失。很多监测单位的野外采集都由现在的电子水准测量代替过去的光学水准测量，数据采集的质量和效率有了大幅度的提高，并且减轻了作业人员的劳动强度。铁路客运专线变形监测周期长、频次高，会得到数以万计的观测点，如果使用人工方法从这些观测点上获取数据信息进行计算、分析、预测，几乎是不可能实现。现在大多数数据处理系统都是将沉降值和工况信息分开记录整理入库，当信息量很大时，这项工作特别费时费力且很易出错，满足不了大型工程对安全监测的需要，成为沉降监测的瓶颈。针对现在沉降监测的技术发展水平，介绍一个“考虑工况信息的沉降监测评估系统”。该系统除了具有其他沉降监测数据处理系统的功能外，还具有将沉降值与工况信息同时记录并整理入库的功能，实现了一体化、自动化、实用化程度高的沉降监测评估软件系统。同时，该系统能快速提供监测成果并生成审查报告，对工程安全起到了保驾护航的作用。

1 系统的设计与实现

1.1 系统的分析

沉降监测评估软件系统主要包括沉降数据处理、沉降综合分析及预处理、沉降预测分析、工况信息四大模块。其主要功能是：对沉降观测的多期数据进行质量检查，带工况的平差处理，带工况信息的成果输出；对沉降数据进行审查，并生成相应的审查报告，对沉降观测数据，再次进行综合分析及预处理(如基准点修正等)，处理结果最终用于沉降分析和预测，并可对异常数据进行分析、区段沉降数据管理，生成区段沉降观测曲线汇总图，按照《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》(铁建设[2006]158号)的要求预测模型，对沉降监测点在不同时间观测的沉降数据进行预测评估并生成评估报告等。该系统的总体功能结构图如图1所示。

图1 系统结构

1.2 系统的功能模块介绍

(1)沉降数据处理模块

对水准测量原始数据进行预处理、质量控制、平差计算和平差成果输出等。处理沉降数据时，可以按照规范要求设置各项限差值，同时输入已知的数据，在导入观测数据后进行各项限差计算，同时系统会提示是否满足限差的要求，保证外业的观测质量。

由于仪器内置程序的记录格式与我国规范要求不尽相同，因此该系统的程序设计严格按照我国现行水准规范要求，可支持多种电子水准仪(包括徕卡、天宝、拓普康等)的解析格式，以实现沉降监测内业和外业一体化、自动化。该模块可根据工程测量的需要选择水准测量等级并自动给出视距、闭合差等限差，可选择数据处理采用何种点名，可根据需要选择按距离定权还是按测测站数定权，也可以按需要设置相邻期沉降的限差。

(2)沉降综合分析及预处理模块

对施工单位提交的监测数据进行审查，并自动生成相应的沉降数据审查报告；再次对施工单位提交的沉降监测数据进行综合分析及预处理，处理结果最终用于沉降评估和预警的功能；生成区段沉降观测曲线汇总图和高程成果表；具有生成初步评估分析报告的功能。

(3)沉降预测分析模块

实现了多点或整区段沉降预测计算、单点沉降预测计算、沉降曲线图的可视化、预测沉降成果输出，对于批量预测无法通过的点，可在“单点分析”中，采用人机交互的方式进行单点的预测计算。实现了《客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南》提供的预测模型，可应用这些数学模型对监测点在不同时期的沉降数据进行曲拟合分析，并生成预测报告。

1.3 工况信息

在沉降监测理论中，工况信息是指对变形体的形变有着显著影响的环境或施工信息。在沉降变形分析中，工况信息是需要关注分析的重要信息，每次处理完数据必须立即填写，以免时间太长发生错误。例如，对与大坝沉降监测项目，水位的变化、气温的变化、荷载等因素都会对大坝产生影响，使其径向位移发生变化，需要对大坝进行沉降观测，并及时记录其工况信息。在本系统中工况信息加入采用两种方式，平差时加入工况信息，批量监测点沉降信息分析处理时的匹配工况信息。

(1)平差时加入工况信息

在进行内业处理时，需内外业点号对照，已达到内外业间的协调。内外业点号对照表采用DYB格式，输入外业点号、内业点号、工况信息

工程建筑物沉降观测，需要考虑工况信息对沉降值的影响。在内外业点号对照表中输入工况信息，导入该系统时，则可在经平差处理后输出的最终成果查看工况信息，如果在内外业对照表中没有输入工况信息，也可在平差处理时手动输入(如图2所示)。

图2 平差时输入工况信息

(2)工况信息匹配处理

为了使沉降预测的准确性更高，需要修正基准工作基点的沉降数据。先要对基准点进行时间内插计算，定权后得到工作基点的高程，根据修正后的工作基点高程值对监测点进行平差计算，进而得到修正后的监测点高程值。工作基点修正完成后重新生成的高程成果文件(*.our)中不包含工况信息和断高状态，必须进行工况信息和断高类型的匹配，恢复原来高程成果文件中的信息。传统做法是将工况信息与沉降值分开记录整理入库，但当信息量很大时，这项工作耗费大量的人力物力且很易出错，本系统可以将原始数据文件与修正后的文件自动进行匹配，生成最终文件，如图3所示。

2 工况信息的沉降监测评估系统应用

该系统已在多个工程中应用，收到了良好的效果。现已沪宁城际铁路沉降观测为例，阐述系统的主要操作步骤。

2.1 数据处理及平差

用电子水准仪对沪宁城际铁路进行水准观测，将原始数据导入数据处理模块，质量检查合格后，进行闭合差计算、高程平差。在沉降综合分析和预处理模块中导入平差数据，可综合分析评定沉降信息，并进行预处理。按规定格式将各期平差成果建立一个excel数据源，如图4所示。

图3 匹配工况信息

沪宁城际电子水准测量记录手簿

图4沪宁城际测量数据

2.2 数据综合分析

将平差成果表及沪宁城际铁路的属性数据、基准数据导入，可绘制累计沉降区域图，生成审查报告和高程表。首先导入高程成果文件，可以是*.our格式，也可以是*.excel格式文件，该文件可以从之前平差后得出的文件中获取。然后根据需要导入属性信息表和水井调查表，以及监测点沉降观测数据、工作基点沉降数据和基准点沉降数据。

2.3 沉降评估

从测点预测分析菜单中导前平差后的数据源，选中其中一个点，单击“Cal预测计算”，选择计算模型，对测点进行单点或者全部点的预测，可以看到每个点实测图和预测图的对比效果。

本区段共65个测点，每个测点观测情况统计如表1所示。

本区段主体工程于2009年5月1日完成，主体工程完工后测点观测情况统计如表2所示。

表1 测点沉降总体情况统计

2.4 桥梁工况信息匹配处理

桥梁的施工状态或工况信息和沉降监测密切相关，当对基准点工作基点进行多期监测完成后，通过对基准点沉降数据进行综合处理分析，发现工作基点发生了变化，要对工作基点数据进行修正。利用修正好的工作基点数据修正变形点沉降信息，修正后的沉降信息没有工况信息，需对其进行匹配。图5所示为无工况信息和匹配工况信息后对照。

表2 主体工程完工后的测点情况统计

3 结束语

沉降监测数据数据处理系统是一款有效性强、实用性高的内外业一体化软件，实现了数据综合分析、数据预处理、沉降预测分析及工况信息匹配的有机集成。工况信息在沉降监测中占有重要地位，该系统设计实现了工况信息下的沉降监测通用数据的处理，成功解决了传统做法在信息量很大的情况下，易出错、劳动强度大等难题，使得长大线路的海量沉降监测数据的自动管理更为有效、方便。

序号,外业点号,内业点号,高程,高程中误差,观测日期,工况,状态1,0051503C1,0051503C1,16.48995,0.133,2009-05-03, ,02,0051732C1,0051732C1,15.47101,0.517,2009-05-09, ,03,0051536D1,0051536D1,16.01373,0.629,2009-06-13, ,04,0051797D1,0051797D1,15.46728,0.588,2009-07-04, ,05,0052582D2,0052582D2,15.21144,0.111,2009-07-22, ,01,0051503C1,0051503C1,16.48995,0.133,2009-05-03,墩台身施工,02,0051732C1,0051732C1,15.47101,0.517,2009-05-09,承台施工,03,0051536D1,0051536D1,16.01373,0.629,2009-06-13,墩台身施工,04,0051797D1,0051797D1,15.46728,0.588,2009-07-04,等待架梁,05,0052582D2,0052582D2,15.21144,0.111,2009-07-22,等待铺轨,0利用工作基点数据修正后1-4-2JD45&4JD46段监测点的信息(无工况信息)利用工作基点数据修正后1-4-2JD45&4JD46段匹配工况信息后的监测点的信息(含工况信息)

图5工况信息匹配对照

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