一种基于差分gps的沉井几何形态监控方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于差分GPS的沉井几何形态监控方法，通过设置GPS监控基站，监控沉井在起浮、出坞、拖航、系泊、沉放、对接等工序过程中，沉井中心的坐标、高程、偏位、扭转、刃脚标高、井内外河床面标高、水流速流向、波浪力和水位标高等参数，通过无线组网方式，把沉井顶各个监控点的GPS定位测量数据实时传输到监控中心，实时计算倾斜度和扭转角姿态，通过数据监控方法得出沉井偏位，发放控制指令，再通过控制装置调整拉缆的受力，以达到对沉井偏位量进行修正的目的。本发明提供的监控方法可以实现监控沉井运动姿态精度达到厘米级，对沉井下沉偏位量进行实时修正具有良好的控制能力。
【专利说明】一种基于差分GPS的沉井几何形态监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及沉井几何形态监控，具体涉及一种厘米级精度的、实时无线传输的沉井几何形态监控方法。
【背景技术】
[0002]沉井隧道是从上世纪初开始逐步发展起来的一种大型跨水交通工程。国内目前已有多个越江、跨海工程正在修建或规划修建中。港珠澳大桥岛隧工程、琼州海峡跨海工程、长江口越江工程、蓬莱至旅顺的跨海工程等大型工程中，多数是采用了沉井隧道方案。沉井隧道是由若干预制的管节，分别浮运到现场，逐个依次地沉放安装，在水下将其互相连接并正确定位在已经开挖的水下基槽内，其后辅以相关工程施工，沉井隧道的关键技术主要有基槽浚挖与地基处理技术、管节预制技术、管节浮运与沉放技术、管节接头设计与管节防水技术。沉井浮运与沉放受水流速度与方向、潮汐、水的密度、波浪、大风、拖轮特性、航道特性、管节特性、系缆方式、拖带方案、临场指挥等多方面影响，施工非常复杂，风险较大。沉井拖带和下沉过程中的应力应变及整体稳定性进行监控历来都受到工程界的高度重视。国内外学者也进行了较深入的研究。
[0003]邹进贵分析了对施工沉井几何位置等参数进行自动监测的方法，采用了 VisualC++编程语言和Access数据库系统，实现了施工沉井自动化监测系统。
[0004]肖文福提出泰州大桥中塔超大沉井下沉监控技术，包括沉井刃口反力、侧壁摩阻力、井壁与土的摩阻力、锚缆力的监测方案，为沉井基础的安全施工提供了及时、准确的预报预警信息。
[0005]朱建民对世界上平面尺寸最大的南京长江四桥北锚碇沉井排水下沉安全进行了监控研究。根据有限元分析结果选取典型截面来监控拉应力变化，能够找出结构受力的薄弱环节，为超大型沉井的下沉安全监控提供指导。赵有明依据规范并结合以往的施工经验，提出了南京长江四桥北锚碇沉井几何姿态监控标准。
[0006]李宗哲提出了向家坝水电站大型沉井群中的6号沉井下沉阻力的监测技术。通过这些监测数据，控制了沉井的安全平稳下沉。
[0007]陈松从基础位移监控、基础抗滑稳定监控和地基土稳定监控3个方面建立了了江阴长江公路大桥北锚碇沉井的散索鞍水平位移监控模型、沉井前侧地基土水平向反力监控模型和基底反力监控模型。
[0008]综合国内外，由于技术条件和监控元件的限制，沉井拖带和下沉过程中的实时监控一般是通过下沉阻力的监控对土压力的监控。目前仍缺少能精确到厘米级监控并提供实时采集并无线传输的监控系统和方法。
【发明内容】
[0009]本发明针对现有方法所存在的缺陷，而提供一种基于差分GPS的沉井几何形态监控方法，沉井中心的坐标、高程、偏位、扭转、刃脚标高、井内外河床面标高、水流速流向、波浪力和水位标高等等参数，通过无线传输，实时计算倾斜度和扭转角姿态，并对沉井偏位量进行修正。
[0010]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案
[0011]基于差分GPS的沉井几何形态监控方法，该方法包括如下步骤:
[0012](I)在沉井顶的四周布设4个监控点如图2，点位可根据现场情况考虑，并设立测量点位标志，安装GPS接收机天线，与岸侧安置的GPS基准站一起，构成实时动态相对定位；
[0013](2)建立钢沉井下沉GPS基准站，在栈桥处建立一个监控基站，用于沉井的实时监控；
[0014](3)系统通过无线组网方式，把沉井顶各个监控点的GPS定位测量数据实时传输到监控中心；
[0015](4)测量沉井施工平面位置。根据施工现场情况及施工工艺，几何监控主要采用高效率、高精度、高可靠性和低消耗的差分全球卫星定位系统(DGPS)进行平面位置测量，并以全站仪测量结果进行校核；
[0016](5)监控沉井位移。根据沉井的平面定位结果，将沉井四周四个GPS点的定位结果和理论结果进行比较，得到每个监控点的X，y坐标差，并计算点位位移，利用沉井四周GPS点的坐标计算出沉中心坐标，和沉井中心的设计位置进行比较，可以得到沉井中心的整体位移；
[0017](6)测量沉井高程。在岸上选择2-3个高程控制点，并在其上置GPS接收机，另一个接收机初始化后按GPS-RTK法分别测出沉井轴线点的大地高，按上述加权平均法原理可求得正常高；
[0018](7)测量控制沉井倾斜值。通过监控沉井轴线控制点高程，计算出沉井的倾斜度。通过2、4点和1、3点之间高差和距离相比求得沉井倾斜度；
[0019](8)计算沉井扭转度。根据沉井下沉到位后所测得的轴线控制点I'、3'或2'、4/两点坐标求出它们与桥轴线的夹角，即为沉井扭角。
[0020]本发明运用差分GPS技术对监控沉井几何形态进行高精度处理，使得监控精度可以达到厘米级，使得对沉井下沉偏位量进行实时修正具有良好的控制能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0021 ] 以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0022]图1为本发明的流程图
[0023]图2为沉井顶GPS测点布置示意图
[0024]图3为沉井GPS观测示意图
[0025]图4为钢沉井扭转测量示意图
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0027]高精度、实时性无线传输是沉井几何形态监控的关键。为此，本发明提供一种基于差分GPS的沉井几何形态监控方法，该方法包括如下步骤(如图1所示):
[0028](I)在沉井顶的四周布设4个监控点如图2，点位可根据现场情况考虑，并设立测量点位标志，安装GPS接收机天线，与岸侧安置的GPS基准站一起，构成实时动态相对定位。
[0029](2)建立钢沉井下沉GPS基准站
[0030]在栈桥处建立一个监控基站，用于沉井的实时监控。
[0031]除了权利要求3所述的方式，其特征在于，还包括实现多个监控点同步采集。
[0032](3.1)设置相应IP协议，通过无线网络，由全向天线接收来自各监控点的数据，再传送给数据处理中心；
[0033](3.2)6?5接收机采用的接口标准时1?-232串行接口，无线扩频通信网络为RJ-45接口 ；
[0034](3.3)通过基于IP协议的串口通讯设备服务器可实现协议的转换，组成单点对多点的无线通讯系统，实现多个监控点同步采集。
[0035]除了权利要求4所述的方式，其特征在于，还包括在监控室内设立GPS测量控制和计算中心，随时将基站点和流动站的测量参数和数据通过无线局域网进行传输，在控制中心进行分析处理，得到各个监控点的平面位置。
[0036](5)监控沉井位移。根据沉井的平面定位结果，将沉井四周四个GPS点的定位结果和理论结果进行比较，得到每个监控点的X，y坐标差，并计算点位位移，利用沉井四周GPS点的坐标计算出沉中心坐标，和沉井中心的设计位置进行比较，可以得到沉井中心的整体位移；
[0037](6)测量沉井高程。在岸上选择2-3个高程控制点，并在其上置GPS接收机，另一个接收机初始化后按GPS-RTK法分别测出沉井轴线点的大地高，按上述加权平均法原理可求得正常高；
[0038]除了权利要求7所述的方式，其特征在于，还包括在施工到混凝土浇筑段时，需要即时测量每次浇筑混凝土后，上、下节之间的相对倾斜变化，并建立即时的三维模型，以便在最后得出沉井的真实三维姿态。同时，采用垂球即时检测每节沉井内侧的倾斜度，测定每节沉井的顶口及前一节沉井顶口的倾斜度来进行计算，并作好记录，分析每次焊接后，下面一节沉井对上面一节沉井的影响和规律，提前进行改正。沉井下沉深度、平面位置及偏斜采用全站仪、水准仪、自动高程监控微压传感器和测斜仪监控。
[0039]除了权利要求8所述的方式，其特征在于，还包括沉井下沉到位后，可以直接采用GPS-RTK测量模式测出沉井的顶面轴线控制点坐标。同时用全站仪极坐标法进行检核，保证所测数据准确。钢沉井扭转测量示意图如图4。
[0040]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种基于差分GPS的沉井几何形态监控方法，其特征在于实现高精度、实时计算并无线传输沉井几何形态，该方法包括如下步骤: (1)在沉井顶的四周布设若干监控点，获取沉井的GPS位置数据； (2)建立钢沉井下沉GPS基准站； (3)获取各个监控点的平面坐标和高程； (4)通过无线组网方式，把沉井顶各个监控点的GPS定位测量数据实时传输到监控中心； (5)测量沉井施工平面位置；监控沉井位移；测量沉井高程； (6)全站仪三角高程进行校核测量； (7)沉井位移监控； (8)测量沉井倾斜值； O)计算沉井扭转度； (10)对沉井偏位量进行修正。
【文档编号】E02D33/00GK104153391SQ201410321001
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年9月17日 优先权日:2014年9月17日
【发明者】张 浩, 肖英杰, 白响恩, 陈亮, 郑剑, 李芸 申请人:上海海事大学