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城市地铁施工测量安全及安全监测预警信息系统研究

作　者: 胡荣明
导　师: 李锐
学　校: 陕西师范大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 城市地铁测量安全安全监测陀螺定向隧道贯通
分类号: U231.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于地铁工程施工安全风险大,和对安全的认识不客观、管理体系不科学等因素,导致地铁施工重大安全事故频频发生,给社会造成了恶劣的影响和带来了重大的经济损失。2007年3月,南京地铁在施工过程中燃气管断裂,引起燃气溢出并发生爆炸引发大火；同年北京地铁施工也致死6人；经济损失上最严重的应属上海地铁四号线事故,该事故导致逾六亿元人民币的损失。事实上,在长、大隧道的施工过程中,几乎每条隧道都有伤亡现象发生。因此,随着现代化城市地铁建设逐渐加快,地铁施工安全不得不成为值得深入研究的问题。城市地铁施工安全包括两个方面的含义,一方面指测量安全,即能否按照设计要求使地铁隧道在指定的位置上顺利贯通；另一方面指安全监测,即在施工期间由于地下开挖对岩十体产生扰动,引起岩土体变形可能对地铁结构工程及施工沿线周围地下、地面建(构)筑物、重要管线、地面道路等造成水平移动和沉降,通过实时监测发现其对周围环境的安全影响。地铁施工测量安全,一方面依靠贯通测量技术,另一方面依靠测量管理。贯通测量技术是通过地面测量、联系测量、隧道导线测量控制隧道施工的方向的测量技术,而正确的测量方案、可靠高精度的测量成果是隧道贯通的重要依据。从地铁测量管理模式来看,地铁施工参与测量的队伍多,施工方测量队、业主测量队、第三方测量队被要求对地面控制测量、联系测量、地下导线进行复测,成果经检核后才能使用,因此,成果资料使用前必须经报检复查,报检程序复杂,有时容易出现遗漏,为地铁施工安全埋下隐患。安全监测则是通过对变形体上监测点的观测来获取建筑结构、地铁施工周围环境的变化。因此,测量安全(贯通测量技术和测量管理)和安全监测是地铁施工过程中直接关系地铁施工安全的重要内容。针对这一问题论文从影响贯通的主要误差米源出发,理论上推导影响地铁隧道贯通的主要因素并进行研究；针对目前地铁测量管理存在的问题,在充分利用网络资源的基础上,研究网络化的地铁管理模式：使用.NET、.ASP、Sliverligh、C#、ArcGIS Server、ArcSDE、SQL Server技术,研究开发监测预警分析于一体安全监测预警信息系统。通过研究得到下列主要结论：1.从地面控制测量、联系测量、地下导线测量三个过程,运用误差理论建立了地下导线加测陀螺方位后制盾构方向边的误差模型：在地面测量中,采用GPS测量后始发井和接受井井口地面点的相对点位误差影响很小一般情况下只有2～3mm：在联系测量中投点误差作业过程通过严格按照作业规范,增加投点次数,采取有效措施,减少重锤摆动可以得到控制；隧道内导线测边误差,基本上使用测距精度很高的1+1ppm的全站仪,对导线边的测量误差一般不到1mm,主要影响因素为导线点的对准精度,而在本研究中,实验区间采用强制对准架,有效地解决了这个问题。通过上述模型研究得出：陀螺方位角误差是地下导线加测陀螺方位后影响地铁隧道贯通测量误差的主要来源。2.研究的GPS接收机与陀螺全站仪的集成,有效解决了城市地铁独立坐标无法计算子午线收敛角的问题,编制开发的自动处理程序在西安地铁一、二号线实验区间陀螺定向计算中已经使用,结果正确。3.研制开发的YJTQ-1型陀螺全站仪强制对准连接装置,有效解决了地铁隧道强制对准台与陀螺全站仪的连接,无论从理论分析还是实际测量结果中,均得出：陀螺强制对准连接装置的稳定性和重复利用性都要高于三脚架,因此该陀螺强制对准连接装置是可以应用于实际生产中的。4.根据陀螺方位角的测定原理,结合影响地铁隧道贯通的因索,对测定仪器常数的已知边进行了分析,研究得出：在吊出井井口附近的已知边测定仪器常数,可以将贯通误差降低1倍。5.实现了测量控制点可视化。测量控制点标志是安全测量的重要依据和前提,不容许有丝毫的破坏,否则,测量工作无法进行。因此,测量标志的安全管理是测量工作止常进行的前提,本文研究实现了测量控制点实时网络可视化管理,方便测量人员随时可以了解控制点的位置与现状,提高利用效率。6.本文研究的地铁施工测量网络化管理模式在西安地铁一号线施工建设中实验运行,得到充分验证,取得了阶段性的研究成果。以城市地铁施工测量为研究对象,将网络平差、曲线计算、陀螺自动计算工具,测量成果管理以模块化的形式集成在监测信息系统中实现网络计算机管理。7.研发了CS/BS模式的安全监测预警信息系统。本系统与其他监测系统不同之处是将布设有监测点的施工设计图纸进行发布,真止意义上实现了利用网络在工程设计图上查询监测点的动态变化及变化曲线、地图预警,实现了网络GIS与具体工程实际的结合,为城市地铁的安全监测管理提供了高效率的工作平台。系统采用空间信息技术(GIS等)与现代信息管理系统技术相结合的方法实现了基于计算机网络的城市地铁安全监测与分析预警,为地铁工程的安全施工提供了辅助手段。系统通过数据采集、管理、分析和地图预警可以让地铁工程相关人员,通过互联网及时、准确、直观、全面地了解地铁施工中的各种安全隐患和安全事故,为管理者的科学决策和工程的安全施工提供必要的信息依据。论文创新点：1.从理论上提出了地下导线边在加测陀螺方位角时,影响地铁隧道贯通测量误差的主要因素。2.有效地将GPS与陀螺全站仪集成在一起。3.研制了YJTQ-1型陀螺全站仪强制对准连接装置。4.将地铁施工测量计算、测量管理、安全监测科学结合起来,研发了一套具有GIS功能集工程计算安全管理于一体的地理信息系统。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-12
第1章综述  12-21
  1.1 研究的背景和意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-18
    1.2.1 城市地铁的建设现状  14-15
    1.2.2 城市地铁施工测量安全的现状  15-16
    1.2.3 城市地铁施工监测的现状  16-17
    1.2.4 城市地铁施工安全监测预警信息系统的现状  17-18
  1.3 研究的目的、内容和拟解决的关键问题  18-19
    1.3.1 研究的目标  18
    1.3.2 研究的内容  18-19
    1.3.3 拟解决的关键问题  19
  1.4 实验项目的概况  19-21
    1.4.1 西安地铁项目概况  19-20
    1.4.2 西安地铁施工测量安全管理及安全监测的现状  20-21
第2章基础数据  21-34
  2.1 基础数据  21-23
  2.2 数据处理的软硬件环境  23-24
  2.3 数据处理  24-33
    2.3.1 隧道施工安全贯通数据处理  24-27
    2.3.2 安全监测数据  27-30
    2.3.3 设计图纸数据处理  30-33
  2.4 结论  33-34
第3章影响地铁施工测量安全及安全监测的分析  34-50
  3.1 影响地铁施工测量安全的关键技术分析  34-36
    3.1.1 地面控制测量的建立及复测  35
    3.1.2 联系测量  35-36
    3.1.3 井下导线的延伸及复测  36
  3.2 地铁安全监测内容及方法  36-49
    3.2.1 城市地铁的监测目的  36-37
    3.2.2 城市地铁监测的内容和范围  37
    3.2.3 城市地铁监测的方法  37-47
    3.2.4 监测频率与警戒值  47-49
  3.3 结论  49-50
第4章地铁隧道区间贯通测量技术的研究  50-68
  4.1 地铁隧道贯通测量的技术  50
  4.2 地铁施工测量控制盾构的测量原理  50-51
  4.3 地铁隧道贯通测量误差分析研究  51-53
    4.3.1 地铁控制测量误差分析  52
    4.3.2 联系测量误差分析  52-53
    4.3.3 井下导线测量误差分析  53
  4.4 影响盾构贯通的地下导线边误差研究  53-54
  4.5 井下导线边加测陀螺方位角后的误差研究  54-61
    4.5.1 陀螺全站仪在地铁隧道中的施工中的工作原理  56
    4.5.2 地面起算边位置选择的分析研究  56-57
    4.5.3 GPS在地铁施工坐标系统下计算子午线收敛角的研究  57-60
    4.5.4 陀螺观测精度的研究  60-61
    4.5.5 加测陀螺方位角后的数据处理方法  61
  4.6 西安市地铁盾构区间实验分析  61-67
    4.6.1 研究方案及实验区段  61
    4.6.2 无陀螺边时盾构贯通分析  61
    4.6.3 在始发井井口测定仪器常数时盾构贯通分析  61-66
    4.6.4 接受井井口测定仪器常数时盾构贯通分析  66
    4.6.5 不同仪器常数的精度比较  66-67
  4.7 结论  67-68
第5章控制点点之记可视化及陀螺强制对准连接装置的研究  68-80
  5.1 基于Web控制点点之记可视化的研究  68-73
    5.1.1 设计思想  69
    5.1.2 设计组织  69-70
    5.1.3 功能实现  70-73
  5.2 陀螺强制对准连接装置的研究  73-79
    5.2.1 研制的总体设想  73-74
    5.2.2 研制过程  74-76
    5.2.3 装置的精度分析  76-77
    5.2.4 实验测试该装置的计划与方法  77
    5.2.5 装置的实验测试数据分析  77-79
  5.3 结论  79-80
第6章地铁施工测量管理模式的研究  80-97
  6.1 地铁施工测量管理  80-83
    6.1.1 地铁施工测量单位  80-81
    6.1.2 地铁施工测量内容及各单位测量分工  81-83
  6.2 传统测量管理模式  83
  6.3 城市地铁测量的网络化管理模式  83-84
  6.4 城市地铁网络测量管理平台的构建  84-96
    6.4.1 关键技术  84
    6.4.2 平台主体结构  84
    6.4.3 平台逻辑结构  84-85
    6.4.4 数据库设计  85-87
    6.4.5 功能实现  87-96
  6.5 结论  96-97
第7章城市地铁安全监测预警信息系统的研究  97-118
  7.1 系统功能需求  97-98
    7.1.1 系统功能需求  97-98
    7.1.2 系统性能需求  98
  7.2 WebGIS系统实现模式  98-99
    7.2.1 C/S(Client/Server)模式  98-99
    7.2.2 B/S(Browser/Server)模式  99
    7.2.3 混合模式  99
  7.3 系统结构设计  99-103
    7.3.1 系统逻辑结构  100
    7.3.2 系统物理结构  100-102
    7.3.3 系统数据库结构  102-103
  7.4 系统开发运行环境及关键技术  103-106
    7.4.1 系统开发运行环境  103-104
    7.4.2 关键技术  104
    7.4.3 地图服务发布及调用  104-106
  7.5 系统功能设计与实现  106-115
    7.5.1 地理数据预处理功能  107-108
    7.5.2 数据导入导出功能  108-109
    7.5.3 缓冲区分析功能  109-110
    7.5.4 查询及报表功能  110-111
    7.5.5 施工预(报)警功能  111-114
    7.5.6 系统管理功能  114-115
    7.5.7 数据管理备份功能  115
  7.6 系统其他设计  115-116
    7.6.1 地图图层设计  115-116
    7.6.2 监测数据的归一化  116
  7.7 结论  116-118
第8章主要结论  118-120
  8.1 主要结论  118-119
  8.2 有待进一步完善的研究  119-120
参考文献  120-127
致谢  127-129
攻读学位期间研究成果  129

城市地铁施工测量安全及安全监测预警信息系统研究

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