自动监测技术在塔机安全保护系统中的应用

　　摘要：使用自动全站仪（测量机器人）在基坑施工监测中，对基坑内施工使用的塔式起重机垂直度指标进行自动跟踪监测，将监测信息自动记录、显示、分析、计算、处理，并引入塔机安全保护系统中，参与对塔机自动控制。

　　关键词：施工监测；自动测量；起重机械；安全保护

　　一、引言

　　在上海市浦东新区张江高科技园区某综合楼C地块基坑施工中，我们承担了施工期间的监测任务。该工程建筑施工使用的塔式起重机（以下简称塔机）坐落在基坑内西南侧，在投入使用前我们对其安装质量及安全保护装置进行了复检，各项指标满足合格要求，其中塔身轴线对水平面垂直度偏差为偏西1.7‰、偏南2.6‰，均在允许偏差≤4‰以内。该塔机配置了起重量限制器、起重力矩限制器、幅度限位、起升高度限位、回转运行限位、小车断绳断轴保护、钢丝绳防脱、顶升横梁防脱、缓冲止挡器、电气保护、预警报警及显示记录器等安全保护装置。这套装置能在塔机工作参数达到额定能力90%以上时，发出断续的声光预警，达到100%以上时，发出连续清晰的声光报警，且限制塔机向危险扩大方向的动作，当降低到额定工作能力100%以内、90%以内时，报警、预警才能解除。

　　本工程基坑面积约为8450m2，基坑开挖深度约为3.90～4.85m，区域内有南北走向的暗浜。基坑围护采用水泥土搅拌桩重力坝、局部采用土钉墙，设3至4排土钉，土钉长6.000m。基坑开挖期间正值梅雨季节，雨水量突增，给基坑的安全稳定带来极大隐患。当基坑开挖至±0.000以下2.5m时，塔机司机反映塔身倾斜加大，经我们实测此时垂直度为偏西1.8‰、偏南5.6‰，即通知有关单位立即停止使用。安装单位对塔机进行纠偏后，垂直度为偏西1.6‰、偏南2.9‰。

　　为确保在基坑施工过程中，该塔机垂直度不超允许偏差，建设、设计、监理、施工各方，要求我们结合基坑施工监测，对塔机垂直度进行跟踪监测。为此我们在仪器供应维护商和塔机生产、使用维修单位配合下，采用TCA自动全站仪（测量机器人）进行自动跟踪监测，将监测结果输入塔机安全保护装置，以实现用垂直度偏差这一参数对塔机运行的自动控制。

　　二、自动全站仪及配套设施工作原理

　　TCA自动全站仪（测量机器人）由坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标捕获、以及集成传感器等八大部分组成。它可以自动识辨目标、精确瞄准目标、自动正倒镜测量、自动完成数据采录。角度测量精度0.5"，显示分辨率0.1"，采用绝对编码，连续、对径测量方法，电子双轴补偿方式，补偿范围4'，设置精度0.3"。反射片（60mm×60mm）距离测量范围200m，精度(1+ 1ppm x D)mm，显示分辨率0.01 mm，采用相位测量（同轴、不可见红外激光）。马达驱动最大旋转速度45°/s。自动目标识别与照准（ATR）定位精度200 m 内为 1 mm，切向跟踪速度（跟踪模式）100 m 处 1 m / s，采用数字影像处理（激光束）原理。望远镜激光对中，30倍放大倍数。

　　测量机器人机载软件，负责自动照准目标、自动测角、自动测距及超限或目标丢失等异常情况的自动处理。

　　配套设施包括：主控微处理器、存储模块、万年历模块、报警模块、数据传输模块、数据采集模块和显示模块，其中主控微处理器连接电源及其他模块，数据采集模块通过数据总线连接自动全站仪。本配套设施，抗干扰能力强，数据采集、存储、传输性能好，能自动记录、显示、计算、分析、处理，体积小且可与塔式起重机电器控制较好兼容。

　　三、现场自动监测

　　该项目监测依据是：GB5144-2006《塔式起重机安全规程》、GB/T5031-2008《塔式起重机》、GB50026-2007《工程测量规范》、JGJ8-2007《建筑变形测量规范》。

　　针对该塔机南北向垂直度偏差大的实际情况，我们在距基坑西侧边外12m，离被测塔机28m处设自动监测站，每天自动定时间、定条件，跟踪监测。

　　基准点设在距基坑外60m处二根间隔15m的独立标志杆上。监测取样点为60mm×60mm反射片，上部反射片黏贴在塔机回转体下标准节西南角的西侧，下部反射片黏贴在塔机底部第一基础节西南角的西侧，上下反射片间垂直距离为21.5468m。监测预警值①设定为≥3.2‰、预警值②设定为≥3.6‰、报警值设定为≥4‰。

　　监测条件设定为，吊钩无荷载，起重臂位于东西向对准监测站。监测时间设定为，正常情况下，一天2次，上午9时、下午2时各1次；出现预警值①时调整为一天4次；出现预警值②时调整为一天8次。在整个30天自动监测周期中，共出现6次超预警值①、1次超预警值②、1次超报警值情况。当出现超报警值时，塔机电控保护自动起作用，切断塔机工作电源。

　　塔机垂直度监测原理如下：

　　图1

　　如图1所示，O点为测量机器人仪器中心点，A点（高点）为被监测塔机塔身上部监测点，B点（低点）为被监测塔机塔身下部监测点；OC垂直于B点引伸的方向线，OD垂直于A点引伸的方向线；D1为OD间距离，D2为OC间距离,△H1为AD间距离，△H2为BC间距离；△H1和△H2有正负。

　　利用测量机器人自动测距功能，分别得到测站中心点O至塔机上的高点A和低点B的水平距离D1和D2及高差△H1和△H2，根据公式（1）计算得到高点投影到低点的水平距离偏差：

　　△D= D1- D2       （1）

　　及公式（2）计算得到高点至低点的垂直高度：

　　H=△H1-△H2       （2）

　　根据垂直度的计算公式（3）得出该建筑物在该处相对垂直方向的垂直度为：

　　i（‰）=△D/ H    （3）

　　倾斜方向依据△D的正负号判断给出。

　　尝试使用了这套自动监测预警报警系统，避免长时间单调、枯燥的测量工作由测量人员疲劳、疏忽所产生的差错，提高监测工作质量、作业精度和效率，确保了该塔机的使用安全。出现的预警、报警信息及时反馈给有关各方，为塔机停运、加固纠偏、调整起重荷载、落实保护方案，提供了科学、准确、动态的依据，达到了监测的目的。

　　四、结束语

　　随着科学技术的快速发展，自动监测技术越来越被广泛使用并日趋成熟。这次结合对基坑施工监测，采用自动全站仪及配套软件，完成了对坐落于基坑中的塔式起重机的垂直度跟踪监测。通过该项目的自动监测实践，为以后在建设工程沉桩、基坑施工中加强对影响范围内的建（构）筑物、周边道路地下管线、有关设备设施、历史古迹文物等的安全、及时、可靠保护，提供自动监测服务积累了经验，开辟了新途径。