● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的形變監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

● 文 |航天恒星科技有限公司 侯倩

一、應(yīng)用背景

形變是指在各種載荷作用下物體形狀、大小及位置在時間域和空間域中的變化。變形體的變形在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災(zāi)害。自然界的變形危害現(xiàn)象很普遍，如地震、滑坡、巖崩、地表沉陷、火山爆發(fā)、潰壩、尾礦庫沉降、橋梁與建筑物的倒塌等?？茖W(xué)、準(zhǔn)確、及時地分析和預(yù)報變形體的變形情況，對災(zāi)害發(fā)生的預(yù)防、災(zāi)害體的科學(xué)管理極為重要。

形變監(jiān)測按照測量方法可分為地下觀測技術(shù)、地面觀測技術(shù)和空間觀測技術(shù)。地下觀測技術(shù)主要監(jiān)測巖土內(nèi)部變形及結(jié)構(gòu)體的變形，以沉降儀、側(cè)斜儀為代表。地面觀測技術(shù)監(jiān)測巖土、建筑表面位移，以全站儀為代表?？臻g觀測技術(shù)包括GNSS測量技術(shù)、差分干涉測量（D-InSAR）技術(shù)以及機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)等。其中GNSS以其全天候、高精度、高效率、實(shí)時動態(tài)、可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今極為重要的監(jiān)測手段之一。

與全站儀等傳統(tǒng)測量儀器測量手段比，GNSS高精度測量方法測量點(diǎn)之間不需要通視，選點(diǎn)不受地形限制，可省略許多中間過渡點(diǎn)，且不必建標(biāo)，從而可節(jié)省大量的人力物力；測量點(diǎn)的三維坐標(biāo)可同時測定；測量不受天氣條件限制，可進(jìn)行全天候觀測；在特定位置的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)可以多點(diǎn)同步觀測，測量、記錄、計算全自動完成，確保了測量結(jié)果的客觀性和可靠性；大范圍內(nèi)精度較高，在基線長度大于10km時，其相對精度可達(dá)到10-6～10-7，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)大地測量技術(shù)。

當(dāng)前，我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已運(yùn)行服務(wù)4年，將北斗應(yīng)用于形變監(jiān)測領(lǐng)域，與測斜儀、裂縫計、雨量計、滲壓計等傳統(tǒng)傳感器融合，使零散的傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備有機(jī)融合為一體，建設(shè)智能自動化立體監(jiān)測系統(tǒng)，可以滿足建筑形變監(jiān)測、橋梁監(jiān)測、大壩監(jiān)測、礦區(qū)邊坡監(jiān)測、沉降監(jiān)測（高鐵、高速公路電力塔桿、建筑基坑、地表沉降）等多項(xiàng)國民經(jīng)濟(jì)生活中的需求。

二、系統(tǒng)設(shè)計

基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的形變監(jiān)測系統(tǒng)通過在監(jiān)測區(qū)域設(shè)置若干監(jiān)測點(diǎn)，采用北斗/GPS雙系統(tǒng)高精度接收機(jī)采集GNSS數(shù)據(jù)，進(jìn)行坐標(biāo)的計算，生成各個點(diǎn)位的偏移量，通過與初始數(shù)據(jù)對比，計算形變位移的累積變化量，通過智能控制軟件算法，自動將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，預(yù)測位移的發(fā)展趨勢。系統(tǒng)具備自動報警功能，在形變超限時自動報警（見圖1）。

系統(tǒng)綜合多種類型傳感器、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遙感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段，可以針對鐵路、高速公路、橋梁、水電站、礦山、建筑物等多種類型基建設(shè)施，二級開發(fā)形成相應(yīng)健康安全監(jiān)測系統(tǒng)，圍繞具備監(jiān)測、處理、挖掘、預(yù)警等功能的形變監(jiān)測平臺，可以實(shí)現(xiàn)形變、沉降、地面塌陷等實(shí)時位移監(jiān)測和形變分析，具備厘米至毫米級監(jiān)測精度。

高精度形變監(jiān)測功能是通過北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位信號增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的。基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的區(qū)域工程形變監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計模式可以歸結(jié)為兩種主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):直聯(lián)模式和級聯(lián)模式（見圖2）。直接監(jiān)測法的實(shí)質(zhì)是利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，取代常規(guī)監(jiān)測現(xiàn)場布設(shè)的形變監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)網(wǎng)，利用單頻或雙頻接收機(jī)終端布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域，監(jiān)測點(diǎn)通過直接與地基增強(qiáng)系統(tǒng)基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測來實(shí)現(xiàn)形變監(jiān)測。

直聯(lián)設(shè)計模式要求地基增強(qiáng)系統(tǒng)的坐標(biāo)精度要高于獨(dú)立建立的變形監(jiān)測基準(zhǔn)站坐標(biāo)，可以減少大量外業(yè)基準(zhǔn)聯(lián)測操作；但是當(dāng)監(jiān)測站離地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)較遠(yuǎn)，則需要較長時間才能完成模糊度固定，一定程度上增加作業(yè)時間，降低工作效率。

級聯(lián)設(shè)計模式與直聯(lián)式監(jiān)測方法的區(qū)別主要表現(xiàn)在形變監(jiān)測系統(tǒng)所依據(jù)的基準(zhǔn)網(wǎng)的建立上。該方法需在形變監(jiān)測區(qū)域周邊搭建基準(zhǔn)站，新建基準(zhǔn)站與周邊已有的地基增強(qiáng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站進(jìn)行聯(lián)測，其中，新建基準(zhǔn)站構(gòu)成形變監(jiān)測系統(tǒng)的直接基準(zhǔn)，周邊北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的基準(zhǔn)站點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)形成監(jiān)測系統(tǒng)的間接基準(zhǔn)。

1. 橋梁形變監(jiān)測系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及交通運(yùn)輸?shù)男枨?，許多大跨度橋梁應(yīng)運(yùn)而生，尤其是懸索橋、斜拉橋以其跨度大、造型優(yōu)美，節(jié)省材料而備受人們的青睞，成為大跨度橋梁的首選。但隨著跨度的增大（從幾百米到3000米），加勁梁的高跨比越來越小(1/40～1/300)，安全系數(shù)也隨之下降，實(shí)時掌握大型橋梁的運(yùn)營狀況和安全狀態(tài)顯得尤其重要。

為了監(jiān)測橋梁整體的空間幾何變化，必須分別對大橋主橋面、主塔、基礎(chǔ)以及連續(xù)剛構(gòu)橋橋面進(jìn)行全面的監(jiān)測，橋梁形變監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1 橋梁監(jiān)測項(xiàng)目需求

2. 建筑形變監(jiān)測系統(tǒng)

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，高層建筑越來越多。在工程建筑的建設(shè)中，從工程施工到竣工，以及建成后的運(yùn)營期間都要不斷地對工程建筑物進(jìn)行監(jiān)測，以便掌握工程建筑物形變的一般規(guī)律，及時發(fā)現(xiàn)問題、及時分析原因、采取措施，保證工程建筑物的安全。

高層建筑物的形變按其類型來區(qū)分，可分為靜態(tài)形變和動態(tài)形變。靜態(tài)形變通常指形變觀測結(jié)果只表示在某一期間內(nèi)形變值，動態(tài)形變是指在外力影響下產(chǎn)生形變，這兩種形變是相互關(guān)聯(lián)的。形變觀測任務(wù)是周期性對觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測，求得同一觀測周期內(nèi)觀測量變化。高層建筑形變需監(jiān)測的項(xiàng)目內(nèi)容、精度要求分析（見表2）。

表2 高層建筑形變監(jiān)測項(xiàng)目需求

三、應(yīng)用案例

1. 橋梁形變監(jiān)測應(yīng)用

航天恒星科技有限公司對北京市豐沙鐵路轉(zhuǎn)體斜拉橋開展了橋梁形變監(jiān)測應(yīng)用。該橋?yàn)?6m+100m+70m+37m四跨連續(xù)子母塔單索面的預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主塔采用塔、梁、墩固結(jié)體系，索塔高度與中跨跨長之比為0.33，主梁主跨的跨高比為1/33；子塔采用塔、梁固結(jié)體系，索塔高度與中跨跨長之比為0.19。該橋跨越繁忙的豐沙鐵路，是北京六環(huán)路全線最關(guān)鍵的控制性工程，其健康狀態(tài)監(jiān)測對于該路段的交通安全運(yùn)行意義重大。

在北京豐沙橋進(jìn)行的北斗高精度監(jiān)測系統(tǒng)形變監(jiān)測應(yīng)用，距橋面5km處建設(shè)GNSS基準(zhǔn)站作為系統(tǒng)的監(jiān)測基準(zhǔn)，在橋塔頂端、橋面1/2、1/4處分別設(shè)置GNSS監(jiān)測點(diǎn)對橋體振動參數(shù)進(jìn)行采集?；鶞?zhǔn)站及各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸至數(shù)據(jù)處理中心對橋梁沉降、位移、振幅等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時解算，并利用解算結(jié)果對橋梁健康狀態(tài)進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)某參數(shù)超出閾值范圍則按照既定策略通過短信、郵件向相關(guān)人員報警，若在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)系統(tǒng)還可通過北斗短報文進(jìn)行預(yù)警及簡要報表發(fā)送。系統(tǒng)通過長時間穩(wěn)定運(yùn)行，精確測量出橋面的實(shí)時位移及橋塔、橋墩的緩慢周期性移動及沉降，采用時頻分析方法獲得了橋梁的震動頻譜，測量結(jié)果與測斜儀、加速度計等傳統(tǒng)傳感器互檢，振幅測量精度優(yōu)于2cm，沉降測量優(yōu)于2.5mm，取得了良好的應(yīng)用效果（見圖3）。

2. 建筑形變監(jiān)測應(yīng)用

航天恒星科技有限公司將建筑形變監(jiān)測應(yīng)用在哈爾濱某建筑高層（見圖4）。以前期在哈爾濱建設(shè)的三個北斗基準(zhǔn)點(diǎn)以及IGS站點(diǎn)數(shù)據(jù)作為形變監(jiān)測基準(zhǔn)，在樓體頂端及中部結(jié)構(gòu)上設(shè)置若干GNSS監(jiān)測點(diǎn)，對樓體開展了3年的連續(xù)監(jiān)測，通過專用的建筑形變監(jiān)測軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，獲得了樓體的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)及處理結(jié)果。

以24h觀測數(shù)據(jù)為一組進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算得到被測建筑到毫米級沉降結(jié)果，同時為進(jìn)一步提高監(jiān)測精度及穩(wěn)定性，將各監(jiān)測點(diǎn)與北斗基準(zhǔn)站及IGS站點(diǎn)組成監(jiān)測網(wǎng)，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)平差。經(jīng)過3年累積測試，樓體年沉降量小于4mm，符合建筑形變相關(guān)規(guī)定。

四、結(jié)束語

基于北斗高精度定位技術(shù)的形變監(jiān)測系統(tǒng)可以對被測對象進(jìn)行建模，根據(jù)被測對象的形變位移變化，綜合其他健康數(shù)值，形成科學(xué)的健康變化模型，并可據(jù)此進(jìn)行科學(xué)預(yù)警，有效降低因形變引起的生命財產(chǎn)安全損失，可廣泛應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測、地鐵路基沉降監(jiān)測、地質(zhì)滑坡監(jiān)測、城市采空區(qū)沉降、建筑深基坑作業(yè)、高層建筑健康監(jiān)測、電力塔桿傾斜監(jiān)測等多個行業(yè)，具有廣闊的市場前景。