基于振弦式傳感器的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)設計

徐志春，王 軍

(1.中國電子科技集團公司 第五十二研究所，浙江 杭州310012;2.上海交通大學 圖像通信與信息處理研究所，上海200240)

0 引 言

近年來，在地鐵、大型場館等建筑建設過程中，由于地質勘察不足、設計失誤、施工缺陷、溝通不暢、不可抗力等諸多方面原因，國內外基坑施工過程中出現(xiàn)了不少事故，這些事故不僅導致重大的經濟損失和人員傷亡、延誤工期，同時也產生了不良的社會影響。為了能夠及早地發(fā)現(xiàn)基坑施工中的各種風險，需要使用專業(yè)檢測系統(tǒng)進行監(jiān)測。通過監(jiān)測基坑結構和周邊建筑物及管線的狀態(tài)監(jiān)測，實時掌握基坑整體的豎直位移、水平形變、結構受力、土體水位等參量變化信息，實現(xiàn)對深基坑施工安全的自動化監(jiān)測分析。

根據國家標準《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》要求，基坑監(jiān)測的項目包括基坑本體監(jiān)測和相鄰環(huán)境監(jiān)測［1，2］。其中，基坑本體中包括圍護樁墻、支持、錨桿、土釘、坑內立柱、坑內土層、地下水等;相鄰環(huán)境中包括周圍底層、地下管線、相鄰建筑物、相鄰道路等。

振弦傳感器能夠實現(xiàn)本體監(jiān)測和相鄰監(jiān)測項目的應力測量［3，4］，鋼筋計和土壓力計都屬于振弦傳感器，鋼筋計實現(xiàn)基坑內支撐軸力和鋼筋應力監(jiān)測，土壓力盒實現(xiàn)土壓力的監(jiān)測。振弦式傳感器是以內部金屬弦作為敏感元件的頻率型傳感器，輸出的頻率信號隨金屬弦張力變化，具有抗干擾能力強、結構簡單、堅固耐用的特點，廣泛應用于建筑物基礎、公路、橋梁、大壩、土木建筑物及地基內的受力、位移、微裂縫等測量［5］。

1 振弦傳感器基本工作原理

振弦傳感器由內部一根固定在兩端的鋼弦、緊固夾頭、激振、接收線圈和外部支撐保護金屬管構成，鋼弦的固有振動頻率和張力具有一定關系。溫度變化也會對弦的張力產生影響，溫度降低，張力增大;溫度升高，張力減小。

鋼筋計屬于典型的振弦傳感器。根據鋼筋計的應力與頻率之間的率定關系，由測得的鋼筋計頻率就可求得鋼筋計的應力，再根據相關的理論公式推算出支撐軸力值［6］，支撐軸力按下式計算

式中 ε 為支撐軸力，kN;f1，f2為鋼筋計初始頻率、受力后的頻率;Ks為鋼筋計的標定系數(kN/Hz2);Ec，Ac分別為混凝土的彈性模量、斷面面積(m2);Es，As分別為鋼筋計的彈性模量、斷面面積(m2);ΔT1，α 分別為傳感器本身溫度變化量、鋼弦的熱膨脹系數;ΔT2，β 分別為被測結構的溫度變化量、被測結構的熱膨脹系數。

傳感器埋入被測結構或者和被測結構綁定安裝，兩者的溫度最終趨于一致，即ΔT1=ΔT2=ΔT=T1－T0，應力受溫度影響的修正量

其中，T1為傳感器任一時刻溫度觀測值;T0為傳感器初始時刻溫度觀測值。

實際測量中，Es，As，Ec，Ac，Ks，α，β 值為定值，令

將式(3)和式(4)代入式(1)，得到支撐軸力計算公式

式中 b 為傳感器的溫度修正系數，kN/℃;KR為傳感器的標定系數，kN/Hz2。

出廠時，傳感器的溫度修正系數b 和標定系數KR已經確定，由式(5)可以看出:支撐軸力計算參數中唯一不確定的是選取的初始頻率。工程中的初讀數一般從改變工程施工環(huán)境(進入下一道施工程序)，鋼筋計的載體開始受力的時刻起算，如洞室襯砌混凝土中鋼筋計的初讀數一般從模板拆除時算起，基坑的混凝土支撐從開挖時算起。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

深基坑監(jiān)測系統(tǒng)(foundation pit monitoring system，F(xiàn)PMS)包括系統(tǒng)硬件架構、通信和應用軟件。振弦傳感器布置在現(xiàn)場待測點，數據采集和傳輸設備安裝在現(xiàn)場機柜內，應用和數據服務器、監(jiān)控主機布置在遠方監(jiān)控室。整個系統(tǒng)的框架見圖1。

2.1 傳感器選型

傳感器系統(tǒng)包括在線監(jiān)測項和離線監(jiān)測項。本系統(tǒng)的在線監(jiān)測項主要是:鋼筋應力、界面土壓力、支撐軸力。這三項測試項目所采用的傳感器都屬于振弦式傳感器。

圖1 基坑監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體框架Fig 1 Overall framework of hardware of FPMS

2.2 數據采集與傳輸

從振弦傳感器輸出的信號是頻率信號，根據式(5)所示，受到的應力和頻率呈一定的關系。頻率信號要轉換成計算機能夠處理的數字信號，就需要數據采集和處理設備。選用南京葛南公司生產的MCU—32 型分布式模塊化自動測量單元，作為測量數據采集設備。

MCU—32 設備和主站之間通過自定義的規(guī)約完成通信，規(guī)約中規(guī)定了主站查詢信息命令(info)、開始采集命令(Begin)、讀取采集結果命令(Read)、重傳命令(Old)及對MCU—32 參數設置等命令。

MCU—32 與主站之間通信通過無線GPRS DTU 完成，GPRS DTU 全稱GPRS 數據傳輸單元，MCU—32 串口數據通過GPRS 網絡進行透明傳輸，即直接將串口上的原始數據轉換成TCP/IP 數據進行傳送［7］。

要使DTU 能夠正常工作，必須搭建網絡環(huán)境，對DTU進行IP 地址映射，將公網的固定IP 地址映射到內網，并且配置端口、數據服務中心(DCS)連接類型、數據報投協(xié)議(DDP)。

根據基坑監(jiān)測系統(tǒng)的硬件架構圖，監(jiān)控室內的數據服務器作為數據服務中心(DSC)，局域網是經過路由器網關代理上網，監(jiān)控室具有固定的公網IP 地址(220.192.210.6)，將數據服務中心的端口映射到數據服務器上，如圖2 所示。

2.3 深基坑監(jiān)測軟件設計

在軟件建設上，共包括三大平臺，基坑監(jiān)測應用平臺，數據接入管理平臺及用戶角色權限管理平臺(RBAC)，三者相互協(xié)同，共同為深基坑施工安全智能化監(jiān)測應用提供支撐。

2.3.1 數據接入管理平臺

圖2 深基坑監(jiān)測系統(tǒng)網絡環(huán)境搭建與DTU 配置圖Fig 2 Network environment establishment and DTU configuration of FPMS

設備接入與數據處理平臺關注傳感網關或其代理軟件模塊的接入和對其所上報數據的接收，通過共性提取與抽象方法研發(fā)設計對感知數據(消息)包進行解析和存儲的軟件框架，以屏蔽感知數據協(xié)議(或格式)的多樣性。

實現(xiàn)的功能包括:狀態(tài)統(tǒng)計、負載均衡、統(tǒng)一消息數據接收和連接管理與數據包轉發(fā)。

2.3.2 RBAC

RBAC 的基本思想是:授權給用戶的訪問權限，通常由用戶在一個組織中擔當的角色來確定。訪問權限管理員在深基坑監(jiān)測系統(tǒng)中，涉及到六方主體單位(監(jiān)測方、建設方、施工方、設計方、監(jiān)理方、勘察方)，對不同的相關方，具有不同的服務權限。

在軟件平臺上實現(xiàn)了用戶角色權限管理，可以添加、修改、刪除用戶，對用戶的訪問權限進行設置，定義角色和權限列表控制，用戶訪問日志管理等功能。

2.3.3 基坑監(jiān)測應用平臺

基坑監(jiān)測應用平臺共包括六大功能:工程配置和管理、監(jiān)測數據管理、預測預警管理與預處理管理、GIS 顯示管理、報表管理(生成和導出)、實時數據監(jiān)控。

3 工程實例

3.1 工程概況

浙江省建筑設計研究院辦公大樓建設工地監(jiān)測項目是浙江省公布的20 個智慧城市示范項目之一，屬于物聯(lián)網技術在“智慧安監(jiān)”領域的應用。該工程周邊環(huán)境復雜，基坑東側隔綠化帶為莫干山路，路下眾多市政管線;基坑南側為文二路，路下眾多市政管線;基坑西側為建科院1 幢6 ～7 層混合結構辦公樓和1 幢7 層混合結構住宅樓，基坑邊有雨水管和污水管線;基坑西北側為石灰橋新村1 幢4 層住宅樓(埋深1.5 m 條基)，北側為5 ～6 層瑞祺苑(混合結構建筑，鉆孔灌注樁基礎，基礎埋深2 m)和24 層混凝土結構瑞祺大廈(進入基巖的鉆孔灌注樁基礎，一層地下室)。

基坑安全等級為1 級，基坑深度為14.45 m，電梯井局部深度約為16.9 m。基坑設計采用800 mm(1000 mm)厚地下連續(xù)墻+三道鋼筋混凝土水平內支撐作為支擋結構，地下連續(xù)墻兼做止水帷幕。

現(xiàn)場共布置了5 只土壓力盒、16 只鋼筋計，其中的4 只鋼筋計組成一組，測一個點的支撐軸力。剩下的12 只鋼筋計監(jiān)測鋼筋所受的應力。

3.2 應變監(jiān)測

深基坑監(jiān)測現(xiàn)場布設好振弦傳感器之后，在軟件平臺上需要配置傳感器的類型、標定系數參數(KR)、初始頻率值f、計算公式以及報警值等信息。支撐軸力計算公式參照式(5)。

圖3 是監(jiān)測點GN3 的鋼筋應力變化曲線，采用周期是10 min，時間跨度是2014 年3 月10～2014 年4 月26 日。從圖上可以看出:該監(jiān)測點的應力總的趨勢是呈增長趨勢，和現(xiàn)場施工應力的變化趨勢相一致。

圖3 監(jiān)測點GN3 的鋼筋應力變化曲線Fig 3 Reinforcement stress change curve of monitoring point GN3

表1 是2014 年3 月18 日10 點20 分15 秒12 個監(jiān)測點通過深基坑監(jiān)測系統(tǒng)自動測量和手動測量的數據對比，從測量結果看，通過不同的測試方法，得到的誤差在0.5%以下，滿足測量對精度的要求。

表1 自動測量和手工測量對比表Tab 1 Comparison table of automatic measurement and manual measurement

4 結束語

本文設計的深基坑施工安全智能化監(jiān)測系統(tǒng)具有傳感器配置、數據輸入、存儲、編輯、顯示、權限管理、報警、報表輸出等功能，界面友好，易于更新維護。這種監(jiān)測系統(tǒng)，針對深基坑地下工程而開發(fā)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠顯示基坑監(jiān)測項目的原始資料信息，能夠監(jiān)控基坑施工的全過程，還可以實現(xiàn)結構安全預警報警，為全面掌握基坑的工作狀態(tài)和性能提供科學依據。

［1］ 龔曉南.深基坑工程設計施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［2］ 陳忠漢，程麗萍.深基坑工程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1999.

［3］ 林懷志.深基坑圍護結構的監(jiān)測與施工［J］.福建建筑，2006(5):143－144.

［4］ 葉偉翔，郭平波，王永哲.深基坑工程安全監(jiān)測方案設計［J］.山西建筑，2007(9):129－131.

［5］ 王忠保，岳 澄，孫建軍，等.地鐵隧道工程的應力監(jiān)測［J］.實驗力學，2003(1):104－107.

［6］ 張 勇.振弦式傳感器的原理及校準方法［J］.計量技術，2008(6):54－56.

［7］ 孟 濤，董 亮，蔡良達.GPRS 技術在配電自動化遠程控制系統(tǒng)中的應用［J］.微型電腦應用，2005(9):26－28.