一种托换施工监测方法及监测系统与流程

1.本发明涉及既有建筑物的地基处理和基础加固技术领域，尤其涉及一种托换施工监测方法及监测系统。


背景技术：

2.托换梁在整个托换施工过程中起关键的受力支撑作用，是整个托换施工的关键，尤其是托换跨度较大，在整个托换过程中受力较大，如果托换梁的应力过大，或者挠度过大，则会使整个施工过程处于危险状况。因此，在整个施工过程中对托换梁的应力及变形进行监测，以确保托换梁的受力和变形在规范允许的范围之内。托换的关键受力部位也要进行应力监测，避免施工过程中应力过大。
3.通过变形观测，取得实时资料，可以监视桥墩、托换梁的状态变化和工作情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采取措施，防止事故的发生，改善施工方法，以保证安全。其次，通过在施工期间对工程构造物原体进行观测，分析研究，可以验证地基与基础的计算方法、工程结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程的设计施工、管理和科学研究工作提供资料。
4.托换施工过程中的监控是掌握桥墩变形的主要手段，只有及时准确的监测，才能保证整个托换施工的顺利进行，也为该工程后续的安全提供必要的保证。现有技术中在桩基托换施工过程中，对托换梁的沉降、变形等情况的检验主要采用的方式是一次性检验是否符合标准或者定期测量。
5.专利号为cn202010749569.3的中国专利公开了一种桥梁桩基托换中墩柱的水平位移监测方法，包括以下步骤：(1)监测点布置，在墩柱的顶部和底部上下对应按组布设监测点；(2)监测点埋设，在水平位移监测点埋设监测标志；(3)观测及数据采集，使用全站仪并采用极坐标法对墩柱水平位移进行监测；(4)数据处理及分析，1)数据传输及平差计算，得出各监测点坐标；2)根据平差计算结果对监测点的稳定性分析，再结合相邻两期中监测点的最大变形量与最大测量误差比较结果，进而判断墩柱的水平位移是否有变动。该水平位移监测方法能够对墩柱的变形量和位移进行持续的监测和反馈，根据该监测方法对墩柱是否发生水平位移进行判断，提高了桩基托换施工过程的稳定性和安全性。但是该监测方法具有一定的片面性，无法准确监测整个托换施工过程中桥墩变形，存在监测不完整的缺陷，对于慢性改变的墩柱性能会出现监测遗漏，带来其他安全隐患。
6.专利号为cn201510591397.0的中国专利公开了一种深基坑托换梁柱变形自动实时监控方法，通过监测终端、监测数据自动采集仪和计算机完成：在托换梁与被托换梁的控制点处分别设置监测终端，将监测终端的信号输出端与监测数据自动采集仪的信号输入端连接；在工程施工过程中监测数据自动采集仪通过监测终端分别采集钢筋应力数据、托换梁挠度数据、托换梁沉降量数据、被托换梁与托换梁之间的滑移量数据和托换梁扭转度数据；监测数据自动采集仪通过无线网络传送装置将监测数据传送至现场监控终端计算机；现场监控终端计算机判断接收的数据是否符合施工工程设计要求，符合继续施工，否则停
止施工，调整原方案。该发明对于监测方法并未提出完整的方案，且没有提供相应的预警措施，监测数据出现异常之后不能及时进行处理，容易出现较大的施工风险。
7.因此，针对上述施工过程进行全面实时监测的问题需要提出一种托换施工监测方法及监测系统，可以实现整个施工过程监测数据的全自动采集、分析及预警等功能。


技术实现要素：

8.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种托换施工监测方法及监测系统。
9.一种托换施工监测方法，所述监测方法的步骤为：
10.步骤一、在托换施工前，对桥梁初始状态进行监测并将结果作为监测基准，确定监测对象的监测指标及每一项监测指标的控制标准；所述监测对象包括托换梁、被托桩和托换桩；
11.步骤二、在托换施工过程中，在所述监测对象上设置监测网点，进行监测并采集监测数据，将所述监测数据通过无线传输到数据中心并结合所述控制标准进行分析计算；
12.步骤三、对所述监测数据及其计算结果进行复核，结合控制标准进行安全性判别，并进行监测指标的预警。
13.优选地，所述监测指标包括托换梁内应力、托换梁挠度、托换梁裂缝、桩基沉降量和差异沉降量；每一项所述监测指标均设定有控制标准，所述控制标准包括控制值和单次变化值。
14.优选地，在步骤二中，所述监测网点包括应力监测网点、倾角监测网点、挠度监测网点和沉降监测网点。
15.优选地，所述沉降监测网点布置在所述托换梁和所述托换桩上，
16.所述托换梁上的沉降监测网点呈对称式分布且位于所述托换梁的两端，用于获取托换梁两端位移值为s
li
；所述托换桩上的沉降监测网点分布在所述托换桩顶部，用于获取既有桩体抬升值s
ui
和桩梁间距值s
di
；其中i＝1，2；
17.则桩基沉降量的监测值si的计算方法为：si＝s
li-s
di
；
18.设桩基沉降量的监测值si中较大的为max[si]，较小的为min[si]，
[0019]
则差异沉降量的监测值sc＝max[si]-min[si]。
[0020]
优选地，所述桩梁间距值采用表分表进行测量。
[0021]
优选地，所述应力监测网点延所述托换梁的轴向分布在所述托换梁1/2、1/4、及1/8长度截面受拉钢筋合力作用点位置处，所述应力监测网点设有应力测量装置，所述应力测量装置埋设在所述应力监测网点内部或者贴在所述应力监测网点表面。
[0022]
优选地，所述应力测量装置为应变片。
[0023]
优选地，所述倾角监测网点均匀分布在所述托换梁的四角，所述倾角监测网点安装有倾角仪。
[0024]
优选地，所述挠度监测网点分布在所述托换梁两端及中间位置且采用静力水准仪或精密水准仪进行监测。
[0025]
优选地，所述监测方法还监测所述监测对象的外观状态，该外观状态的监测方法为：在所属监测对象周围布置摄像机并定期采集图片，将采集到的图片经无线传输到数据中心并图像识别是否有裂缝产生，若识别出现裂缝，则利用裂缝观测仪测量裂缝宽度。
[0026]
优选地，在步骤三中，复核的方法为人工复核，在固定时间点人工采集所述监测网点的数据并与所述数据中心中的数据进行比较；当二者的误差值小于5％，则监测数据无问题；否则停止监测并进行设备检查和修正。
[0027]
优选地，所述安全性判别的标准为：所述安全性判别的标准为：结合每一项监测指标的监测数据及其控制值和单次变化值设定判别值，所述判别值包括控制值判别值和速率判别值；所述控制值判别值为每一项监测指标的监测数据与其对应的控制值的比值；所述速率判别值为每一项监测指标的监测数据与其对应的单次变化值的比值。
[0028]
优选地，所述预警包括一级预警、二级预警和三级预警，
[0029]
其中，一级预警的满足条件为以下两个条件中的一个：
①
该监测指标的所有监测数据均超过控制标准且出现不稳定迹象，
②
该监测指标至少有一种监测数据出现急剧变化；
[0030]
二级预警的满足条件为以下三个条件中的一个：
①
该监测指标所有种类的监测数据的判别值均处于[0.85,1]区间内，
②
该监测指标有一种监测数据超过控制标准且另一种监测数据的判别值处于[0.85,1]区间内，
③
该监测指标所有监测数据均超过控制标准且未出现不稳定迹象；
[0031]
三级预警的满足条件为以下两个条件中的一个：
①
该监测指标所有种类的监测数据的判别值均处于[0.7,0.85]区间内，
②
该监测指标有一种监测数据的判别值处于[0.85,1]区间内且另一种监测数据的判别值处于[0,0.85]区间内。
[0032]
本发明还提供一种托换施工监测系统，包括采集终端、数据中心、预警中心和控制中心；
[0033]
所述采集终端包括步骤在监测对象上的传感设备系统和分布在监测对象周围的图像采集系统；所述传感设备系统包括应力传感器、倾角仪、位移计和水准仪；
[0034]
所述采集终端通过无线与所述数据中心通讯连接，所述数据中心用于分析计算所述采集终端传输的监测数据并将计算结果传输到所述控制中心；所述控制中心根据所述计算结果控制所述预警中心进行信号响应，所述控制中心还设有系统操作平台。
[0035]
优选地，所述数据中心包括数据处理运算模块、数据归档模块和数据存储模块，并实时存储和管理托换施工监测系统中全生命周期的动态数据和静态资料。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0037]
1、本发明提供的托换施工检测方法不仅考虑到施工过程中的监测，同时在托换施工前，对桥梁初始状态进行监测，并以所述桥梁初始状态作为基准确定监测对象的控制标准；
[0038]
2、在托换施工过程中，在监测对象上设置监测网点，进行监测并采集监测数据，监测网点实时采集结构各工况下的受力状态数据，所述监测对象包括托换梁、托换桥墩和托换桩，所述监测数据包括变形值、倾斜值和沉降值，将所述监测数据通过无线传输到数据中心并结合所述控制标准进行分析计算；对托换过程的多个环节进行数据监测，有利于桩基托换过程的可靠实施。在监测数据分析计算之后对所述监测数据及其计算结果进行复核，结合控制标准进行安全性判别，并进行预警；复核提高了数据的真实度和可信度，安全性判别后将预警信息分为三个等级，基于所述实时监测数据的态势感知判断所述托换施工过程中施工结构的风险等级，保持了较大限度的客观性，一定程度上客观反映了不同种类监测
数据系统性结合后所提供的的预警信息的信息价值，实现了实时动态监测以及预警的技术效果，然后根据分析结果确定是否需要进行下一步施工和对原施工方案进行调整，确保整个施工过程的安全性。
附图说明
[0039]
图1是本发明提供的一种托换施工监测方法的流程图；
[0040]
图2是本发明提供的一种托换施工监测方法中托换梁监测网点分布示意图；
[0041]
附图标记：
[0042]
1-托换梁；2-托换桩；3-被托桩；4-应力监测网点；5-沉降监测网点；
[0043]
6-挠度监测网点；7-百分仪；8-原桩体沉降监测点。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0045]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0046]
本发明提供一种托换施工监测方法，所述监测方法的步骤为：
[0047]
步骤一、在托换施工前，对桥梁初始状态进行监测，并确定监测对象的控制标准；所述监测对象包括托换梁1、被托桩3和托换桩2；所述监测指标包括托换梁1内应力、托换梁挠度、托换梁裂缝、桩基沉降量和差异沉降量；每一项所述监测指标均设定有控制标准，所述控制标准包括控制值和单次变化值。
[0048]
因此在本次监测过程中，具体的监测指标和控制标准如表1所示：
[0049]
表1
[0050]
监测项目控制值(mm)单次变化标准(mm/d)桩基沉降量100.5差异沉降量50.25托换梁内应力300mpa——托换梁挠度30.3托换梁裂缝0.2——
[0051]
其中控制值为最大界限，单次变化标准为变化的速率，一般取每小时的变化量。
[0052]
对桥梁初始状态进行监测的内容包括预先变形量、初始裂缝情况和初始倾斜值，并将其作为基准，在此基础上进行后续的监测。确保上部结构的正常使用，隧道施工过程应随时监测托换上部结构的变形和结构开裂情况，如遇变形和结构开裂趋势增大，应立即停止隧道开挖，采取措施予以控制。
[0053]
步骤二、在托换施工过程中，在所述监测对象上设置监测网点，进行监测并采集监测数据，将所述监测数据通过无线传输到数据中心并结合所述控制标准进行分析计算；
[0054]
在步骤二中，所述监测网点包括应力监测网点4、倾角监测网点、挠度监测网点和
沉降监测网点5。上述监测贯穿个托换施工和隧道施工过程，其中应力监测网点4对应的监测项目为托换梁内应力，具体获得的数据为托换梁内应力值及托换梁内应力单次变化值，倾角监测网点对应的监测项目为倾斜值，挠度监测网点对应的监测项目为托换梁挠度，具体获得的数据为托换梁挠度值及托换梁挠度单次变化值沉降监测网点5对应的监测项目为桩基沉降量和差异沉降量，具体获得的数据包括桩基沉降量、桩基沉降单次变化值、差异沉降量和差异沉降单次变化值。
[0055]
所述沉降监测网点5布置在所述托换梁1和所述托换桩2上，所述托换梁1上的沉降监测网点5呈对称式分布且位于所述托换梁1的两端，用于获取托换梁1两端位移值为s
li
，其中i＝1，2，s
l1
和s
l2
对应代表托换梁1两端的位移值；所述托换桩2上的沉降监测网点5分布在所述托换桩2顶部，一般分布在托换桩2顶部的顶升机构中以及托换桩2与托换梁1之间。所述顶升机构包括设置在所述托换桩2和所述托换梁1之间的千斤顶，所述千斤顶上分布有沉降监测网点5，在整个顶升和托换过程中，对每组千斤顶进行实时监控，始终掌握每一组千斤顶的工作状态，获取既有桩体抬升值s
ui
，其中i＝1，2，由于在实施过程中，一般采用两个托换桩2，因此s
u1
和s
u2
对应代表两个托换桩2的既有桩体抬升值。所述桩梁间距值s
di
采用百分仪7进行测量，s
d1
和s
d2
对应代表两个托换桩2的桩梁间距值。
[0056]
其中s
u1
和s
d1
对应同一个托换桩2，且靠近托换梁s
l1
所对应的一端，其中s
u2
和s
d2
对应同一个托换桩2，且靠近托换梁s
l2
所对应的一端。
[0057]
则桩基沉降量的监测值si的计算方法为：si＝s
li-s
di
；即两根托换桩2的桩基沉降量的监测值分别为s1和s2，则s1＝s
l1-s
d1
，s2＝s
l2-s
d2
。
[0058]
设桩基沉降量的监测值si中较大的为max[si]，较小的为min[si]，则差异沉降量的监测值sc＝max[si]-min[si]。
[0059]
若两根托换桩2的桩基沉降量的监测值中较大的为s1，则max[si]＝s1，min[si]＝s2，此时差异沉降量的监测值sc＝max[si]-min[si]＝s
1-s2。
[0060]
若两根托换桩2的桩基沉降量的监测值中较大的为s2，则相反，max[si]＝s2，min[si]＝s1，此时差异沉降量的监测值sc＝max[si]-min[si]＝s
2-s1。
[0061]
在被托桩3上也设置有原桩体沉降监测点8，可以监测被托桩3的沉降情况。
[0062]
由于托换梁1在整个托换施工过程中起关键的受力支撑作用，是整个托换施工的关键，尤其是托换跨度较大，在整个托换过程中受力较大，如果托换梁1的应力过大，或者挠度过大，则会使整个施工过程处于危险状况。因此，在整个施工过程中对托换梁1的应力变化及变形进行监测，以确保托换梁1的受力和变形在规范允许的范围之内。同时托换的关键受力部位也要进行应力监测，避免施工过程中应力过大。
[0063]
所述应力监测网点4分布在所述托换梁1/2、1/4、及1/8长度截面受拉钢筋合力作用点位置处，所述应力网点设有应力测量装置，所述应力测量装置埋设在所述应力网点内部或者贴在所述应力网点表面，对托换过程中的托换梁内力变化进行严密监测。托换梁1内预埋小型管，内注清水，把温度计置入管内，监测托换梁砼养护期内水化热的情况，指导砼的养护。在本实施例中，所述应力测量装置为应变片，应变片呈薄膜状，可以测量多种力学信号，如：测量扭矩、剪切应力、集中应力等。
[0064]
所述倾角监测网点均匀分布在所述托换梁1的四角，所述应力网点安装有倾角仪。对其在顶升过程中所产生的各向弯扭进行监测控制，确保顶升过程中整个托换梁1不倾斜。
[0065]
所述挠度监测网点分布在所述托换梁1两端及中间位置且采用静力水准仪或精密水准仪进行监测。
[0066]
所述监测方法还监测所述监测对象的外观状态，该外观状态的监测方法为：在所属监测对象周围布置摄像机并定期采集图片，将采集到的图片经无线传输到数据中心并图像识别是否有裂缝产生，若识别出现裂缝，则利用裂缝观测仪测量裂缝宽度。
[0067]
步骤三、对所述监测数据及其计算结果进行复核，结合控制标准进行安全性判别，并进行预警。
[0068]
本区间全部工程测量工作实行分级管理：成立由专职测量工程师为组长的精测组和施工测量组，分别负责各自职权内的工作。
[0069]
执行分级测量复核制度：精测组负责本标段的控制测量、分阶段性控测和复核检查工作，负责复核和指导工点架子队施工测量组完成施工测量任务，并负责向施工测量组现场交点、交桩、交测量资料和成果。负责控制护桩的测量，保护和保存好工程范围内全部监测网点。施工测量组负责工程现场的日常施工测量、施工放样及控制桩点的埋设及防护。测量原始记录、资料、计算、图表做到真实完整，并由专人妥善保管。工程施工中，按设计图纸进行中线、高程测量，确保中线、水平准确无误；工程完工后，及时进行贯通测量，搭接闭合，并向监理工程师提交测量竣工资料。
[0070]
认真贯彻执行测量复核制度，测量资料必须经过人工复核，内业测量成果必须二人独立计算，相互核对无误才能交付使用。复核的方法为人工复核，在固定时间点人工采集所述监测网点的数据，依据监测产生数据，进行分析，采集托换梁1两端沉降监测网点5数据，数据对比，得出托换桩2沉降，梁端是否有抬升，采集梁体挠度监测网点数值，并结合托换梁1上应力计，得出梁体变化，并与所述数据中心中的数据进行比较；当二者的误差值小于5％，则监测数据无问题；否则停止监测并进行设备检查和修正。
[0071]
在步骤三中，根据监测数据，项目监测按"分区、分级、分阶段"的原则进行安全性判别，对每一项监测指标按一级、二级和三级三种状态的预警进行反馈和控制。
[0072]
所述安全性判别的标准为：结合每一项监测指标的监测数据及其控制值和单次变化值设定判别值，所述判别值包括控制值判别值和速率判别值；
[0073]
所述控制值判别值为每一项监测指标的监测数据与其对应的控制值的比值；
[0074]
所述速率判别值为每一项监测指标的监测数据与其对应的单次变化值的比值。由于部分监测项目中并不包括单次变化值，
[0075]
因此每一监测指标的判别值的计算方法为：
[0076]
所述预警包括一级预警、二级预警和三级预警，
[0077]
其中，一级预警的满足条件为以下两个条件中的一个：
①
该监测指标的所有监测数据均超过控制标准且出现不稳定迹象，
②
该监测指标至少有一种监测数据出现急剧变化；
[0078]
二级预警的满足条件为以下三个条件中的一个：
①
该监测指标所有种类的监测数据的判别值均处于[0.85,1]区间内，即该监测指标的控制值判别值和速率判别值均处于[0.85,1]区间内，
②
该监测指标有一种监测数据超过控制标准且另一种监测数据的判别值处于[0.85,1]区间内，
③
该监测指标所有监测数据均超过控制标准且未出现不稳定迹象；
[0079]
三级预警的满足条件为以下两个条件中的一个：
①
该监测指标所有种类的监测数
据的判别值均处于[0.7,0.85]区间内，即该监测指标的控制值判别值和速率判别值均处于[0.7,0.85]区间内，
②
该监测指标有一种监测数据的判别值处于[0.85,1]区间内且另一种监测数据的判别值处于[0,0.85]区间内。
[0080]
若存在监测指标只有一种监测数据和一种判别值，则该监测数据超过控制标准且出现不稳定迹象或者出现急剧变化时发出一级预警，该监测指标的监测数据的判别值处于[0.85,1]区间内或者超过控制标准且未出现不稳定迹象则发出二级预警，该监测指标的监测数据的判别值均处于[0.7,0.85]区间内则发出三级预警。
[0081]
发出"三级预警"时，监测组和施工单位应加密监测频率，加强对地面和建(构)筑物沉降动态的观察。
[0082]
发出"二级预警"时，除应继续加强上述监测、观察、检查和处理外，应根据预警状态的特点进一步完善针对该状态的预警方案，同时应对施工方案、掘进进度、掘进参数等做检查和完善，在获得设计和建设单位同意后执行。
[0083]
发出"一级预警"时，除应立即向上述单位报警外还应立即采取补强措施，并经设计、施工、监理和建设单位分析和认定后，改变施工程序或设计参数，必要时应立即停止掘进，进行施工处理。
[0084]
在施工期间，具体的监测时间段可划分托换结构施工期间、千斤顶预压时间、盾构穿过时间、立柱沉降调整、盾构穿过后，其中在托换结构施工期间和盾构穿过后，监控频率即记录监控数据的频率控制在每天1-2次，其余时间段均实时进行监测，其中重点的监测数据为沉降值。桩基托换过程中，高程测量一般采用水准测量，由交桩控制高程控制点按二等水准测量传递到施工范围内。利用导线基线控制点兼作高程控制点，进行往返观测，观测限差和精度是否符合规定等级的精度。
[0085]
本发明还提供一种托换施工监测系统，包括采集终端、数据中心、预警中心和控制中心；所述监测对象包括托换梁1、托换桩2和被托换桩2；
[0086]
所述采集终端包括步骤在所述监测对象上的传感设备系统和分布在所述监测对象周围的图像采集系统；所述传感设备系统包括应力传感器、倾角仪、位移计和水准仪；所述图像采集系统包括若干个高分辨率工业相机和摄像机，用于采集所述施工现场的图像信息和视频信息。
[0087]
所述采集终端通过无线与所述数据中心通讯连接，所述数据中心用于分析计算所述采集终端传输的监测数据并将计算结果传输到所述控制中心；所述数据中心包括数据处理运算模块、数据归档模块和数据存储模块，并实时存储和管理托换施工应力监测系统中全生命周期的动态数据和静态资料；
[0088]
所述控制中心根据所述计算结果控制所述预警系统进行信号响应，所述控制中心还设有系统操作平台，所述系统操作平台可用于常规操作同时展示了各监测项的实际值、控制标准与监测频率。
[0089]
采集终端与数据中心通讯连接，实现数据分析、数据归档、控制值预警同步进行，数据透明清晰，整个监测系统通过蓝牙通讯装置和wifi通讯装置的设置，利用物联网技术，实现信息的无线传输，使得信息传输迅速，同时避免铺设大量线缆，降低了生产成本。
[0090]
托换施工过程中的监控是掌握桥墩变形的主要手段，只有及时准确的监测，才能保证整个托换施工的顺利进行，也为该工程后续的安全提供必要的保证。通过本发明提供
的应力监测，取得第一手的资料，可以监视桥墩、托换梁1的状态变化和工作情况，在发现不正常现象时，应及时分析原因，采取措施，防止事故的发生，改善施工方法，以保证安全。其次，通过在施工期间对工程构造物原体进行观测，分析研究，可以验证地基与基础的计算方法、工程结构的设计方法，对不同的地基与工程结构规定合理的允许沉陷与变形的数值，为工程的设计施工、管理和科学研究工作提供资料。
[0091]
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。