江苏省水利建设工程有限公司 江苏扬州 225002
摘要：沉井作为工程建设的关键基础设施，需要平稳有序下沉以充分发挥其工程稳固作用。重点设计了沉井姿态与沉井侧壁摩擦力跟踪方案，采用多串口高速数据采集系统传输沉井状态信息，最终在计算机控制端进行数据处理与分析，明确沉井下沉状态。桥梁工程施工现场的沉井监测实验显示，此沉井处于正常下沉状态、下沉幅度较为合理。
关键词：沉井；下沉状态；跟踪；倾斜度
1 引言
沉井是大型桥墩基坑、大型设备基础、建筑工程基础施工的基本围护装置，监测沉井下沉状态、全面掌握下沉幅度是保障施工安全的基础。沉井下沉状态监测内容多种多样，本次状态跟踪研究主要采集沉井姿态信息与沉井侧壁土压力信息，以描述建筑工程沉井的下沉状态[1]；然后基于状态跟踪布局方案获得沉井状态数据，并传输到数据处理端，为施工管理提供科学的决策依据，在沉井有序合理下沉的情形下完成工程施工任务。沉井下沉状态跟踪与信息采集技术使全面获得沉井下沉信息成为可能，方便工程施工人员及时纠正沉井下沉状态，作出科学的施工决策。
2沉井下沉状态监测
2.1下沉状态跟踪布局
2.1.1沉井姿态跟踪布局
沉井状态监测的基础信息包括平面位置信息、高程信息，通过对监测点平面位置信息、高程信息的分析处理可得到沉井姿态数据，如沉井顶面中心、标高、倾斜度等等。在工程施工环境状态约束下确定使用全球卫星定位系统（GPS）与全站仪配合测绘沉井的基础信息，其中，全站仪的功能是校准GPS的测量结果，为数据采集提供双重保障；平面信息与高程信息采集的精度分别高达±1.5cm、±2.5cm[2]。全球卫星定位系统的控制与计算中心设置在工程的管理部门的监控机房内，无线网络是实现基站与流动站数据传输的关键介质，数据传输到控制中心完成预处理与分析，最后呈现高精度、高可信度的沉井基础数据。
基于上述GPS设备采集沉井姿态数据的原理对沉井姿态信息采集进行跟踪布局，并在监控机房的控制端实时显示采集到的数据。基于GPS设备设计了监测沉井姿态单元，监测单元布局方式如图1所示。沉井姿态单元包括GPS基准站与接收设备两部分，以无线组网连接将数据发送至控制端界面：首先，将GPS数据接收设备安装在沉井四周边的中央部分，总计4个GPS监测点[3]；然后将GPS基准站布局在A点处，与四个接收器进行数据传输。
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图1 沉井姿态监测单元布局
2.1.2沉井侧壁摩擦力跟踪布局
沉井侧壁压力监测主要针对沉井下沉过程中的立面进行跟踪布局，以获取各深度土层对沉井侧壁的压力作用程度，根据侧壁压力可解算出沉井侧壁的摩擦力[4]。工程项目施工的沉井设计要充分考虑沉井侧壁摩擦力情况，所以监测沉井侧壁压力精度要高、可靠性要强。
图2为沉井侧壁压力监测跟踪布局情况。压力数据采集主要应用到压力传感器，分别以刃脚踏面为基准，向上设置了4个压力监测点，向上高度分别为3m（1号测点）、11m（2号测点）、28m（3号测点）、47m（4号测点）。以同样的方式在每个测点安装6个土压力传感器，布局结构一致，以采集沉井侧壁的土压力情况[5]。
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图2 沉井侧壁压力监测跟踪布局
2.2沉井下沉状态信息采集
沉井下沉状态数据采集系统中，沉井姿态与侧壁摩擦力采集均属于采集系统的一部分，系统基于多串口完成沉井状态监测，实现各模块之间的数据高速传输与通信，基于多串口的数据采集系统结构如图3所示。
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图3 沉井下沉状态数据采集系统结构
多通道数据采集单元、串口接口输出单元是沉井状态数据采集系统的主要构成：（1）多通道数据采集单元。包括串转并模块、数据缓存模块以及PC控制器三部分。FIFO功能是缓存沉井状态数据，优化数据传输速率，此系统采用的缓存模块是根据实际传输字节量身定制，更加节省存储空间资源[6]。（2）串口接口输出单元。应用了RS232串口接口，能够实现串行数据向并行数据的转换，并在毫无关联的8个数据缓存器中进行存储。最后，系统采集到的8路沉井状态数据经过RS232建模与运算成功发送至计算机控制端，作为基础数据进行沉井状态监测分析。
3 沉井下沉状态监测实验
本次研究以某大桥建设工程为例，将工程沉井作为实验对象，监测沉井下沉状态并判断是否符合正常下沉现象。本次监测实验主要应用到GPS设备、全站仪、数据采集系统、压力传感器、计算机等硬件设施，用于沉井下沉数据采集与处理。
3.1沉井倾斜度分析
沉井姿态跟踪布局过程中可采集到沉井倾斜度信息，沉井高程差与距离的比值即为倾斜度信息。此工程沉井在监测周期内的倾斜度变化情况如图4所示。
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图4 沉井倾斜度变化趋势
图中沉井倾斜度是以GPS测点1与GPS测点3高程信息为基础数据计算得到，监测过程中出现两次明显的偏差，即两个测点的高程差较大，说明此刻沉井的倾斜度较高，需要人为进行干预维护，保障沉井正常下沉。
3.2 沉井下沉状态分析
下沉系数是衡量沉井下沉量的有效参量，根据数据采集系统得到沉井侧壁摩擦力，可计算沉井的下沉系数，计算方法见公式（1）：
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（1）
其中，沉井在下沉过程中的浮力和总重分别用
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、
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表示，下沉期间的刃脚阻力与侧壁摩擦力分别为
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、
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。在数据采集系统中，为刃脚部分布局压力传感器，可测得沉井下沉期间的刃脚阻力；沉井的浮力和总重可通过自身重量计算得到。采集得到沉井下沉系数如表1所示。
表1 沉井下沉系数结果
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由表1数据可知，首次下沉写成阶段下沉系数均低于1，下沉程度较小、效果不显著；二次下沉力度明显发生变化，下沉系数均大于1，说明下沉程度有显著改变；而第三次下沉过程中，下沉系数同样在1～1.2之间，没有大幅度的增减变化。沉井三次下沉没有出现意外情况，可见，此沉井下沉状态较为合理，符合工程下沉需求。
4结论
沉井下沉状态监测为避免工程意外施工因素提供有效手段，及时发现沉井倾斜度过大、顶面中心偏离、下沉幅度过大等问题，保障沉井结构安全。本文通过布局沉井姿态监测方案、沉井侧壁摩擦力监测方案，获得沉井下沉的详细过程，总体而言，此方法取得了良好的沉井状态监测效果。本次研究存在一定不足之处，数据采集系统与监控端尚未形成良好的联动机制，为及时发现沉井下沉的非正常状态，可在数据采集系统集成数据预警模块，当沉井状态数据超出预设合理值范围时，系统立即向控制端发出通知警报，在第一时间内调整沉井下沉偏差。
参考文献：
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