建筑高支模人工监测及自动化监测的技术方法和实施方案

1 问题的提出高支模支架坍塌的安全事件时有发生。

广东省早在1998年就颁发了《广东省建设工程高支撑模板系统施工安全管理办法》（粤建监字[1998]027号），规定了“高度大于或等于4.5米的模板及其支撑系统，施工前应由施工单位编制专项技术方案。

技术方案应包括模板及其支撑系统的设计、搭设与拆除、混凝土浇筑方法和浇筑过程观测及安全控制要求等方面内容”。

由于高支模施工过程中不确定性等影响，对于高支模工程混凝土浇筑过程中模板及其支撑系统的稳定性的监测显得尤为重要。

但是，至今我国尚无高支模变形测量的相应技术规范，对高支模监测技术要求没有明确规定。

近几年来，科研以及监测单位对于高支模混凝土浇筑过程中支撑系统稳定性的监测手段和方法做了许多的研究，成功的案例也不少。

这里所说的成功只是相对的，它与模板及其支撑系统的搭设方案以及施工作业的规范性、严谨性是分不开的。

已用于高支模监测的方法可总结归纳如下：1）沉降观测法从模板上部变形特征点（立柱顶端）引出测量专用标志到模板下方便于观测的位置，利用精密水准测量的方法，测定这些点的沉降量，以确定模板立柱的受压变形情况，预报高支模在混凝土浇筑过程中的安全状况。

如果模板支撑系统的基础不是混凝土楼板，还需要对支撑底座的沉降进行观测，以监视基础的不均匀沉降对支撑系统的影响。

这种单一的水准测量方法，优点是沉降观测的精度较高，缺点是无法监测到立柱的挠曲变形。

2）全站仪极坐标法在模板立柱变形的关键部位设置水平位移监测点，监测点标志采用固定反光片，利用全站仪同时测角测距的优势，测定监测点的平面位移情况，以监视模板立柱的挠曲变形。

这种监测方法能在混凝土施工期间进行，能比较及时地反映模板的平面位移变化趋势。

缺点是目前所用的全站仪测距精度较差，沿视线方向的测量误差较大，通常为2至3mm，位移测量误差占位移报警值（一般8至10mm）的30%。

如极坐标法同时三角高程观测，则观测精度较低，无法精密测定立柱沉降变形。

3）水准测量+全站仪极坐标法就是综合运用以上两种方法的，取其各自的优点。

4）全站仪自动监测法针对高支模安全监测的特点，有条件的检测单位为了使高支模监测工作做到精度高、反应速度快，一般采用高精度的自动化监测设备。

目前应用于高支模监测的较先进方式是使用全自动精密全站仪，可在短时间内完成一个周期的观测，利用专用软件，将原始测量数据转换为监测点的三维坐标，并计算出观测点的三维位移量，每期观测可保证平面及高程测量精度≤±1.5mm，且能随时提供观测成果。

缺点是仪器购置费用高，沉降测量精度低于精密水准测量的精度。

图1 自动化全站仪现就利用精密自动化全站仪进行高支模监测的原理及方法介绍如下。

2 自动化监测仪器及原理2.1 自动化监测仪器目前，自动化监测的方式和仪器很多，大致分为两种类型：一是自动采集传输装置，在传感器自动采集数据，利用无线网络技术，实现适时监测。

二是自动全站仪监测，俗称测量机器人监测。

2.2 全站仪自动监测技术高支模自动化监测采用全自动精密全站仪及配套棱镜、软件系统。

全自动精密全站仪可实现人工设站、自动三维位移测量，同时测定各轴线方向水平位移分量dX、dY和垂直分量dz。

全自动精密全站仪的技术参数一般优于为：测角精度0.5″，测距精度1mm+1ppm。

其自动化功能体现为：（1）可自动搜索、自动识别目标；（2）可自动照准、精确定位、自动测量；（3）测量精度高，稳定性好；（4）可自动对轴系误差进行修正；（5）有电子自动补偿功能。

仪器还可进行数据无线传输，也可实行有线传输。

测量软件采用自动变形监测系统，该系统的功能有：（1）对所要测量的点位进行学习与记忆；（2）在无人值守的情况下，可按用户设置的时间间隔进行自动多测回测角、测距；（3）实施多重差分改正，最大限度地消除多种误差因素的影响，从而大幅提高测量精度；（4）变形趋势实时图解显示，可同时显示用户设置断面上所有点的位移量；（5）可实时进行数据采集、数据处理、数据分析、报表输出及提供图形曲线，从而可及时进行变形情况的预报。

2.2.1全自动精密全站仪三维测量原理三维位移测量原理如下：如图2所示，以全站仪的设站点O点为原点，测站的铅垂线为 Z轴，以定向方向为X轴，建立左手直角坐标系O-XYZ。

设全站仪测量P点的观测值分别为：水平角α，垂直角β，斜距S，则P点在图2所示的测站坐标系下的坐标为：（2-1）2.2.2 机器人自动差分改正全自动精密全站仪可以对大气条件和已知条件等影响因素实施自动差分改正，差分改正原理如下：（1）大气条件对距离测量影响的差分改正在极坐标法变形监测中，必须考虑大气条件的变化对距离测量的影响。

一般情况下，为了准确求得距离测量的大气折射率改正数，需要测定大气的气象元素（温度、湿度、气压）。

全自动精密全站仪可利用监测站与各基准点间的已知距离信息，在无需测定气象元素的情况下，实现距离的大气折射率改正，称为距离实时差分改正。

设监测站至某基准点的已知斜距为d0，在变形监测过程中，某一时刻实测的斜距为d1，两者间的差异可以认为是因气象条件变化引起的，按下式可求出气象改正比例系数：=(d1- d0)/ d1(2) 球气差的改正为了准确测定变形点的三维坐标，在极坐标的单向测量中，须考虑球气差对高差测量的影响。

监测站与各基准点之间经精密水准测量，高差是已知的。

如上述的距离测量一样，如果某一时刻测得监测站与某基准点间的单向三角高差为：hj=djsinα+ij-aj式中：α—垂直角，ij—仪器高，aj—棱镜高。

那么，根据下式可求出球气差改正系数c：c=(Δh0 −hj )/dj2cos2α在每周期变形点的监测量过程中，由于测量时间较短（约几十分钟左右，监测点太多时可分组），可以认为c值对基准点及与基准点相近区域的变形点具有相同的影响，所以可以考虑把上式计算出的球气差c用于变形点三角高差计算中的球气差改正。

（3）方位角的差分改正在长期的变形监测过程中，难以保证仪器的绝对稳定。

因水平度盘零方向的变化和大气水平折光等因素的影响，需考虑水平方位角差分改正。

在实际变形监测中，所求的变形量一般是相对第一周期而言的，故可把基准点第一次测量的方位角作为基准方位角，其它周期对基准点测量的方位角与基准方位角相比，有一差异，这一差异主要是因仪器不稳定引起的水平度盘零方向的变化、大气水平折光等对方位角的影响而引起的。

此差异对变形点的测量有同等的影响，故在变形点每周期的方位角测量值中，实时加入由同期基准点求得的改正值，可准确求得变形点的方位角。

（4）变形点三维坐标和变形量的计算综合以上各项差分改正，按极坐标计算公式可准确求得每周期各变形点的三维坐标：XP=X0+DP.cosHZPYP=Y0+DP.sinHZPZP=Z0+ΔHZP式中：X0、Y0、Z0——为监测站的坐标值。

本工程监测线路短，隧道内大气条件的变化可忽略不计，球气差和大气水平折光影响小，故不需进行专门的改正，其精度也可满足要求。

2.3 监测误差分析2.3.1 监测误差来源测量的误差来源于仪器的系统误差、测站和目标的对中误差、外界环境的影响、测量仪器的影响。

(1) 仪器的系统误差主要是由仪器本身构造引起的，为保证精度，需在测量前对仪器进行检校，仪器即使在检校后还有残余的系统误差。

但由于监测需要得到的是2次测量之间的位移值，因此系统误差可以基本消除。

(2) 由于测站点、观测点均采用强制对中措施，而且标志埋设后在整个观测过程中不再重新安置，因此，测站、目标的对中误差可忽略不计。

(3) 由于本次监测需要实时监测，而地铁隧道的湿度较大，对测距的精度会有影响，但地铁隧道内的温度﹑气压﹑湿度均比较稳定，因此，可不考虑这些外界环境因素对观测结果的影响，可在观测过程中利用数学模型进行修正。

(4) 本次测量采用全自动精密全站仪观测，其测角精度0.5″，测距精度1mm±1ppm，因此，其是影响测量的主要误差源。

2.3.2 监测误差分析（1）极坐标监测原理及点位精度分析式2－1是监测点在测站独立坐标系下的坐标计算公式，当全站仪连测两个或两个以上已知坐标点，通过后方交会的方法可以得到监测站独立坐标系与已知控制点所在坐标系的关系。

极坐标法测量点位的精度分析如下：将2－1式两边对三个观测值S、α、β求全微分，并设平距，则得：（2－2）将2－2式转换为中误差形式并用矩阵表示为：（2－3）其中：分别为点位坐标x、y、z的中误差，为测边中误差，分别为水平角和垂直角的测定误差。

根据Helmert点位误差估计公式有：（2－4）将2-3式代入2-4式得P点的点位中误差自为：（2－5）根据2-5式当测边中误差为0.5mm，秒，距离为200米时，极坐标测量的点位精度为0.87mm，完全可以达到亚毫米测量精度。

（2）多重实时差分系统理论精度分析极坐标差分三维坐标测量的精度估算公式：（2－6）根据Helmert点位误差估计公式：（2－7）将（2－6）式代入（2－7）式得P点的点位中误差：（2－8）式中为测站点至变形点间平距的中误差，为测站点至变形点间经球气差改正的三角高差hP的中误差。

由系统差分中各公式，根据误差传播定律，并设测量各基准边的测距相对中误差相同为，测角中误差相同为，可以得到下式：（2－9）其中的误差项：（2－10）在（2－10）式中，当垂直角较小（小于45º）时，由于球气差是个微小量，由（2－10）式计算的公式可知，接近于0，可忽略不计。

将（2－9）式、（2－18）式得入（2－16）式，同时设测量基准点与测量变形点有相同的方向测量精度与相同的测距相对精度。

得到系统差分后的变形点点位精度的简化公式：（2－11）根据试验结果，可以选取TCA2003全站仪的ATR角度（水平方向、垂直角）实际测量精度为±0.24″，即；距离测量精度为±0.2mm，即。

设方位角，垂直角，大气垂直折光系数取为0.16，仪器高和棱镜高的量取精度（高度卡规）为±0.1mm，则由上述有关公式可得到：在200米的监测范围内，极坐标实时差分测量三维坐标的理论估计精度能达到亚毫米，约为±0.3mm。

在500米的监测范围内，极坐标实时差分测量三维坐标的理论估计精度能达到亚毫米，约为±0.5mm。

能够满足高支模监测的技术要求。

3 监测实施3.1 测点布设测点分测站点、基准点和监测点三类。

测站点布设：设置在监测区间范围内，用来安置监测仪器。

一般布设在观测层楼板上。

测站点布置数量以观测作业方案为准（保证所有监测点同时都能观测到）。

基准点布设：布置在基坑影响范围以外，距离最近基坑边线45m。

基准点一般不设3个以上，除作为监测基准外，还要用于检验测站点的稳定性。

基准点采用棱镜作为观测标志（可实现在水平方向上和垂直方向上的旋转），固定在支座上，支座采用膨胀螺丝固定在相对稳定的地面上，安装高度要便于观测。