基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)及工程應(yīng)用實踐

王艷龍，王江妹

(1.北京訊騰智慧科技股份有限公司，北京 100029； 2.北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

1 引 言

深基坑監(jiān)測一直是工程建設(shè)安全生產(chǎn)中最重要的一環(huán)，特別是近年來基坑坍塌造成人員傷亡、經(jīng)濟損失的事件已屢見不鮮。所以如何能夠快速及時地進行基坑安全預(yù)警成為當前基坑監(jiān)測的技術(shù)難點。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)手段落后、效率低下、人力成本高，最重要的是無法做到監(jiān)測的實時性。所以自動化監(jiān)測逐步取代傳統(tǒng)人工監(jiān)測是目前的大趨勢，但是基坑監(jiān)測又區(qū)別于其他監(jiān)測類型，基坑監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測項目多樣讓如何實現(xiàn)基坑監(jiān)測的自動化的難度增加了不少。本文就如何將自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于基坑監(jiān)測進行了較深入的研究。

2 基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)

基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)是通過集成較先進的傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸工具及現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集工具來實現(xiàn)對基坑關(guān)鍵項目及特征點的實時監(jiān)測，通過微觀的數(shù)據(jù)變化來體現(xiàn)基坑整體宏觀的形變，是保障基坑施工安全的強力工具?？梢苑浅Ｓ行У胤婪妒鹿拾l(fā)生，很好地輔助施工單位進行施工進度計劃安排[1]。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計目標及原則

(1)系統(tǒng)設(shè)計目標

①全部監(jiān)測項目實現(xiàn)自動化的采集、自動化的存貯和計算。

②所有的監(jiān)測報表、變形曲線圖、變形速率圖均完成自動化生成。

③實現(xiàn)自動發(fā)送預(yù)警和報警信息，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)自動存儲、統(tǒng)計、分析，根據(jù)項目設(shè)計的預(yù)警和報警閾值，來實現(xiàn)自動發(fā)送預(yù)警和報警短信。

(2)系統(tǒng)設(shè)計原則

①可靠性：系統(tǒng)的各項傳感器必要成熟、穩(wěn)定，而且必須保證能在惡劣環(huán)境條件下也能持續(xù)運行。必須提供通過認證的計量證書。

②可擴展性：系統(tǒng)可以一開始不具備某些功能，但要保證具有良好的可拓展性，具備更方便的更新迭代能力，監(jiān)測系統(tǒng)的總設(shè)計需要詳細考慮施工不同階段對應(yīng)不同的監(jiān)測項目[2]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由測量機器人、各項目的傳感器、數(shù)據(jù)采集、無線傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、自動化監(jiān)測的Web平臺構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

所有監(jiān)測項目的傳感器采集數(shù)據(jù)后，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)測中心，系統(tǒng)依托智能分析軟件，由中心PC進行數(shù)據(jù)存儲及解析計算，通過集成預(yù)警模型，可以做到將實時的預(yù)警信息通過短信的形式發(fā)到?jīng)Q策人手中，給決策人予以充分的時間啟動應(yīng)急預(yù)案措施。并將數(shù)據(jù)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)管理預(yù)警平臺展示，平臺提供數(shù)據(jù)查詢、分析及圖表生成和自動報警功能[6]。

3 工程應(yīng)用

3.1 項目概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程(主站房)基坑監(jiān)測工程位于北京市西南部豐臺區(qū)，具體位置為豐管路以南，豐臺東大街以東，豐臺東路以北，西四環(huán)與西三環(huán)之間的地塊內(nèi)。本項目有以下特點：

(1)基坑面積大，站房基坑工程總面積約為12.26萬m2。東西向長約 498 m，南北向長約 366 m?；娱_挖深，中央站房開挖深度為 13.556 m、13.956 m，地下室外墻周邊開挖深度為 14.156 m。

(2)基坑監(jiān)測項目多，包括支護樁頂部水平位移、支護樁頂部豎向位移、支護樁深層水平位移、邊坡頂部水平位移、邊坡頂部豎向位移、錨桿軸力、支撐軸力、周邊地表沉降。

(3)基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)緊鄰京滬鐵路線，東側(cè)靠近北京地鐵10號線，10號線盾構(gòu)區(qū)間與站房基坑圍護樁最近水平距離約 3.2 m。

(4)基坑周邊及坑內(nèi)施工設(shè)備多，人員流動大，對實施自動化監(jiān)測構(gòu)成了不利條件[3]。

3.2 監(jiān)測項目

(1)水平位移監(jiān)測

水平位移監(jiān)測自動化實施方法是用Leica TM50測量機器人+GEOMOS自動化監(jiān)測系統(tǒng)取代傳統(tǒng)人工架設(shè)全站儀進行樁(坡)頂水平位移監(jiān)測。

Leica TM50系徠卡公司專門為自動變形監(jiān)測生產(chǎn)的測量機器人，具有 0.3 m～3 000 m范圍內(nèi)的自動目標識別功能(ATR)，其測角精度0.5″，測距精度為 0.6 mm+1 ppm[4]。GEOMOS是與TM50配套的一款自動變形監(jiān)測軟件，其軟件主要由兩部分組成，監(jiān)測設(shè)備和分析工具。其中監(jiān)測設(shè)備主要功能是數(shù)據(jù)管理、采集。分析工具主要負責收據(jù)的后處理以及圖像顯示[5]。

整套水平位移監(jiān)測自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括：測量機器人監(jiān)測站、計算機控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)、基準點及變形監(jiān)測點、GEOMOS軟件。如圖2、圖3所示。

圖2 監(jiān)測機器人及監(jiān)測點

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖

(2)豎向位移監(jiān)測

豎向位移監(jiān)測采用靜力水準的方法來取代傳統(tǒng)的幾何水準測量方法。

本項目采用的是某廠生產(chǎn)的壓差式靜力水準儀，其主要技術(shù)原理是連通器原理，通過計算監(jiān)測點與控制點的相對沉降量來計算各個監(jiān)測點的沉降量。必須保證基準點是一個非常穩(wěn)定的豎向基點才能有效地反映監(jiān)測點的變化，當測點相對于基準點發(fā)生升降時，將引起各點壓力的變化。通過測量傳感器壓力的變化，來計算各測點相對水平基點的升降變化。

本型號的靜力水準儀精度可以達到0.05%FS，量程為 2 000 mm，溫度補償范圍為-20℃～80℃，可適用于各種惡劣環(huán)境。

整套靜力水準監(jiān)測系統(tǒng)由以下部分組成：基準點、監(jiān)測點、數(shù)據(jù)采集設(shè)備。如圖4所示：

圖4 靜力水準基準點及監(jiān)測點

(3)錨索軸力及支撐軸力

錨索軸力及支撐軸力的自動化監(jiān)測就是在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集數(shù)據(jù)，自動傳輸?shù)奖O(jiān)測中心PC。

(4)深層水平位移監(jiān)測

深層水平位移自動化監(jiān)測采用的是某工廠生產(chǎn)的固定式測斜儀的方法來取代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測。

固定式測斜儀相比人工測量的測斜儀，不僅安裝方便，而且能夠回收反復(fù)使用，最關(guān)鍵的是能夠?qū)崿F(xiàn)自動測量，較人工測量節(jié)省了巨大的人力、物力。傳統(tǒng)的人工測量測量一個 20 m的測斜管，正反兩次讀數(shù)。大概需要至少2個人，2個小時的時間。而固定式測斜不用人工讀數(shù)，自動記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動上傳平臺，而且監(jiān)測頻率可以自由控制。固定測斜儀具有自動溫度補償裝置，可以適應(yīng)不同的溫度環(huán)境保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。其主要參數(shù)為量程±30°、精度0.01°、可使用溫度-20℃～80℃。

3.3 實時監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺

實時監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺主要負責各種監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、入庫、處理匯集的功能，其由通信模塊，控制模塊，數(shù)據(jù)模塊，管理模塊四部分構(gòu)成[7]。

通信模塊：通信模塊主要以不同的通信方式和通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)的接收與命令的下發(fā)，并將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

控制模塊：控制模塊是對數(shù)據(jù)采集設(shè)備遠程控制模塊，主要完成對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遠程操作及操作結(jié)果的反饋。

數(shù)據(jù)模塊：處理通信模塊輸出的數(shù)據(jù)，并根據(jù)存儲的設(shè)備信息及合成信息生成符合用戶需求的數(shù)據(jù)并輸出。

管理模塊：通過Web實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，完成對設(shè)備的遠程操作，對異常數(shù)據(jù)的集中處理[8]，對設(shè)備的運行狀態(tài)的實時查看和對設(shè)備信息的統(tǒng)一管理等功能。

3.4 基坑監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)

系統(tǒng)界面如圖5所示：

圖5 基坑監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)界面

基坑監(jiān)測預(yù)警管理系統(tǒng)以各類基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以基坑監(jiān)測管理及預(yù)警業(yè)務(wù)為中心設(shè)計系統(tǒng)。其由基坑綜合數(shù)據(jù)庫、實時查詢展示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、預(yù)警模塊、系統(tǒng)管理模塊五部分構(gòu)成[9]。根據(jù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測業(yè)務(wù)特點，采用數(shù)據(jù)服務(wù)層(即數(shù)據(jù)資源層、中間件層)、業(yè)務(wù)邏輯層(即業(yè)務(wù)架構(gòu)層)、表現(xiàn)層(即應(yīng)用層)三層體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)采用面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法和組件開發(fā)技術(shù)。

4 結(jié) 語

基于北京鐵路樞紐豐臺站改建工程(主站房)基坑監(jiān)測工程，采用Leica TM50+各種傳感器的方法實現(xiàn)了基坑監(jiān)測的自動化。開拓了自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑監(jiān)測領(lǐng)域的市場，驗證了該方法的可行性。因基坑監(jiān)測的復(fù)雜性和多樣性，為以后基坑監(jiān)測技術(shù)開拓了新的思路，但也要考慮不同項目的不同特點，合理定制監(jiān)測方案，全面考慮項目實施可行性、成本、重難點及解決措施，避免在技術(shù)手段和監(jiān)測效果上顧此失彼。