泰州大桥沉井下沉监测方案新版本1106.docx
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泰州大桥沉井下沉监测方案新版本1106
1工程概况
1.1沉井基础概况
泰州长江公路大桥中塔墩基础采用沉井结构。
沉井分为钢沉井和钢筋砼沉井，其中钢沉井高度为44m，钢筋砼沉井高度为32m。
钢沉井第一节高度为8m。
刃脚踏面宽度为25cm，沿45°方向变化至1.70m，再按线性变化至第一节沉井顶面宽度1.8m；中隔墙踏面距刃脚标高1.45m，由隔墙踏面宽度1m到第一节沉井顶面隔墙宽度1.2m按线性变化。
第一节钢沉井平面尺寸为58.4m×44.4m，第二至第七节钢沉井平面尺寸为58m×44m，除了第二节钢沉井隔墙宽度为2m外，其余各节隔墙宽度均为1.6m。
沉井分为12个隔舱，除了第一节隔舱长宽尺寸由13m×13m渐变至12.8m×12.8m和第二节隔舱长宽尺寸为12m×12m外，第三至第七节钢沉井隔舱长宽均为12.8m×12.8m。
沉井顶标高为+6.0m，底标高为-70m，坐落于粉砂层中，封底混凝土厚11m，顶板承台厚5m。
中塔墩位置的覆盖层厚度较大，深水江底段厚约175m，覆盖层至上而下可分为粉细砂夹压粘土、中砂层、砾砂圆砾土。
由于中塔墩沉井规模宏大，处于深水中下沉施工，施工工艺复杂，施工精度要求高，沉井下沉过程中需要收集大量的信息数据，以便及时进行处理同时作出判断，指导下沉施工。
同时，承台、塔柱、大缆以及桥面的施工过程中，由于荷载分布的不确定性和施工因素的影响，沉井结构内部应力应变及整体稳定性监控都是非常重要的。
1.2中塔沉井基础的工程问题
根据对塔址的工程地质条件和中塔沉井基础工程条件分析，中塔基础在施工和运行期间主要存在以下几个方面的问题。
1）基础沉降及不均匀沉降问题
受地层岩性因素、自然因素、工程荷载及地震、船撞等偶然因素影响，在运行期间基础可能出现沉降和差异性沉降问题，影响大桥的正常施工和运营。
2）沉井基础的应力和变形问题
沉井施工和运行过程中，钢沉井的应力应变问题，特别是在第二节钢沉井处，封底混凝土对钢板的作用，使得钢沉井可能会产生变形和撕裂；清基及封底前后刃脚反力及沉井侧壁摩阻力变化规律对工程施工有重要的指导；沉井用混凝土封底后基底反力是否均匀对沉井的稳定性有重要的影响。
3）河床的冲刷问题
沉井在施工和运行过程中，河床的冲刷对沉井的稳定性有很大的影响，必须对河床的冲刷与淤积进行监测。
2总体监控技术方案设计
2.1监测系统设计概要
2.1.1设计目的
1）编制详细的沉井施工监测方案，包括沉井的平面位移监测、侧阻力、端阻力、倾斜监测、锚缆力、水流速度的监测和显示、沉井隔仓进水量的的监测和显示、沉井内外的水下地形测量等。
由于数据自动化采集已经很成熟，对监测数据自动化采集系统的开发提出建议性方案。
对于沉井的轴线、平面位置、高程、倾斜等几何姿态的控制提出建议的测控方案；对于隔仓进水量的显示和控制提出方案；对于井内和井周水下地形自动化监测提出方案。
编制沉井数据库管理及三维、二维和一维显示模块。
2）数据自动化处理、显示软件包的开发。
数据自动化采集后的信息化处理，及时获取和处理沉井施工过程的动态数据，实时进行沉井三维几何姿态显示和端阻力、侧阻力分布状态显示、沉井隔仓水量显示、流速显示、水下地形显示，为施工提供及时有效的预警和指导。
2.1.2设计原则
1）针对桥位区覆盖层深厚且松软、自然条件复杂、沉井基础规模大且施工风险大的特点，以及施工监控所需的数据种类多、数据采集量大的技术要求，兼顾人工监测与自动化监测，对于需要较大代价才能实现的自动监测，则考虑用人工监测；对于需要耗费大量人力的监测项目，则考虑用自动化监测。
2）既重视施工过程中的沉井结构受力，更关注施工过程的监控。
3）以沉井下沉过程为监测重点。
2.2测量监控系统的布设
全桥平面和高程控制网是沉井监测的基础，主要采用高效率、高精度、高可靠性的全球卫星定位系统（GPS）进行施工控制。
2.2.1全球卫星定位系统的优点和精度指标
全球定位系统（GPS）在测量领域中已得到广泛应用，从过去只能达到100m精度、用于粗略导航定位发展到今天能达到厘米级精度。
GPS技术本身已经成熟，RTK-GPS产品种类繁多，应用GPSRTK技术进行作业的用户也越来越多。
在测量工作方面，实时动态GPS以其全球性、全天候、高效率的工作性能，和准确、可靠的定位精度等优点被广泛应用于大地测量、工程勘测定位、工程与地壳形变测量、地籍测量和海上测量等诸多测量领域。
与传统的测量手段相比，应用GPS测量时，观测站间无需通视；基线相对定位精度优于1ppm；实时提供成果；观测操作简便；基线长度不受传统方法的限制；可同时提供统一基准下的三维坐标，加上所需作业人员的减少和劳动强度的降低等等优势，都是传统测量方法所无法相比的。
1）定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在工程精密定位中，1小时以上观测解的平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定的边长相比较，其边长较差最大为0.5mm,较差中误差为0.3mm。
2）观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内，流动站观测时间启动只需1-2分钟，然后即可随时定位，每站观测只需几秒钟。
3）测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。
由于无需点间通视，点位位置可根据需要布设，可稀可密，选点工作甚为灵活。
4）可同时提供三维坐标
经典大地测量是将平面与高程分开，分别采用不同方法进行施测的。
而GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标。
目前，GPS水准可满足四等水准测量的精度要求。
5）操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。
使野外工作变得轻松愉快。
6）全天候作业
GPS可在一天24小时内的任何时间、任何地点进行观测,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
7）功能多、应用广
GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时，其应用领域不断扩大。
对于近海海域，为了获得较好的海上定位精度，可在岸上或岛屿上设立GPS基准站，应用相对定位技术或实时动态差分技术（RTK）进行高精度水上定位。
GPS测量控制网的测量精度和作业方法应符合《公路全球定位系统（GPS）测量规范》（JTJ066）的规定.控制网相邻点间弦长标准差按下式确定：
式中：
——弦长标准差（mm）；a、b、d见表3-1。
GPS控制网的主要技术指标表3-1
级别
每对相邻点平均距离d（km）
固定误差a（mm）
比例误差b（mm/km）
最弱相领点点位中误差m（mm）
一级
4.0
5
1
10
二级
2.0
5
2
10
三级
1.0
5
2
10
（注：
各级GPS控制网每对相邻点间最小距离不应小于平均距离的1/2，最大距离不宜大于平均距离的2倍。
）
2.2.2监控系统位置基准的布设
考虑到沉井下沉过程及着床施工需要比较长的时间，而在整个沉井下沉和着床过程中又必须时刻监控沉井顶的中心位置、标高、平面扭角、倾斜度等几何姿态，所以，有必要在一岸侧选择一个稳定的监测控制点，作为GPS实时监控定位测量的基准，该基准点可以考虑采用桥梁施工的首级控制网点，对该点要求有平面坐标和高程。
出于使用方便和安全保护的考虑，也可以单独布设一个监控基点，利用首级控制网进行联测，以确保坐标系统的一致性。
在使用期间，应定期对监控基准点进行检测。
2.2.3GPS测量仪器配置
根据泰州公路长江大桥工程的实际需求，以及对目前市场上各种GPS产品、厂家技术支持和软件功能的综合分析比对，确定的首选设备为徕卡公司专门为高精度实时测量而生产的SR530双频大地型GPS接收机。
SR530双频大地型GPS接收机是一种24通道、双频RTK测量接收机。
能提供双频GPS接收机的所有功能和特性，并加上RTK等更多功能。
SR530双频大地型GPS接收机是徕卡系列中最高一级的仪器，性能卓越、经济实惠，适用于各类型GPS作业。
SR530双频大地型GPS接收机具有以下的主要特点：
1）初始化时间短——10秒种完成三保险检核；
2）测量精度高——静态测量基线精度为：
水平5mm+0.5ppmrms，垂直5mm+1ppmrms动态测量精度为：
水平10mm+1ppmrms，垂直10mm+2ppmrms；
3）支持多作业模式——静态、动态、实时RTK测量与放样、导航等；
4）支持多通信模式——电台、手机、调制解调器等；
5）RTK的测程长——标称距离30km，最大实测记录87km；
6）成果的时延短——小于30毫秒；
7）提供出众的可靠性指标——20km以内优于99.99%，20km以上优于99.9%，高于同类产品的技术指标；
8）系统的兼容性强——参考站与流动站、不同品牌间、新老卫星系统间都可兼容；
9）抗干扰性强——确保信号接收具有最佳的信噪比；
10）满足施工的各种应用——控制测量、工程测量、施工放样、水下地形测量、变形监测等。
该仪器可以在不同的测量模式间自由切换，不管移动的速度有多快，屏幕显示能够立即作出响应，所有信息的更新都是连续不断进行的。
SR530双频大地型GPS接收机机载子例程和操作程序，提供了强大的现场计算处理功能。
系统留有大量的冗余存储器，以便进一步扩大处理的能力。
强大的机载数据库提供瞬时完成存取所有信息的能力，并立即显示测量点位与设计点位的偏差，可以根据精度要求及时作出反应。
2.3监测数据自动化采集
在整个沉井施工过程中，需要观测如下几个方面的内容：
◇流速、水位监测
◇刃口反力及侧壁力监测
◇锚碇系统锚缆力监测
◇沉井几何位置监测
◇沉井倾斜监测
◇沉井周边及井内水下地形测量
◇沉井隔仓注水量监测
监测数据采集方式见表2-3-1：
监测数据采集方式汇总表表2-3-1
监测内容
传感器
数据采集方式
人工
自动
流速、水位监测
流速仪、水尺
★
★
刃口反力和侧壁摩阻力
土压力传感器和应变计
★
锚碇系统锚缆力监测
锚缆计（旁压式张力计）
★
★
沉井的几何位置监测
GPS接收机
★
水下地形测量
GPS接收机、回声测深仪
★
★
沉井隔仓注水量监测
测绳
★
在以往的桥梁工程中，监测数据大都采用人工监测方式。
由于此种方式只能间断的、小批量的采集数据，且采集操作受天气和气候的影响很大，无法实现连续的、大批量的实时数据采集。
监测工作自始至终要与施工的进度相结合，监测频率应满足施工工况的要求。
各监测项目的测点布设位置及密度应与设计确定的结构类型、施工安装开挖特点、河床特性相配套。
同时为综合把握沉井变形状况，提高监测数据的质量，应在每一节沉井内有监测点，从而对沉井下沉的有关信息有一个清楚全面的认识，为水上超大超深沉井施工安全提供全面、准确、及时的监测信息。
为此，本项目全过程采用自动监测系统来进行数据的连续采集和分析，同时，在关键工序人工采集数据进行校核。
自动监测系统能在短暂的数秒钟之内，对接入其中的所有传感器进行数据的自动采集、分析和保存。
图2-3-1数据自动采集和无线传输系统
为了及时了解结构的各种参数，监控和指导施工，需要
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