大型基坑自動變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

盧松耀，丘志宇，何顯錦

（1.廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東 廣州 510080；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275）

大型基坑自動變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

盧松耀1，丘志宇1，何顯錦2

（1.廣東有色工程勘察設(shè)計院，廣東 廣州 510080；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275）

基于測量機器人的變形監(jiān)測逐漸成為行業(yè)應(yīng)用的新趨勢。針對大型基坑固有的特點，采用常規(guī)觀測方法費時費力，難以保障監(jiān)測精度。在采用混合基準(zhǔn)點網(wǎng)布設(shè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于測量機器人的大型基坑自動變形監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化、高精度變形監(jiān)測，實時提交變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大地提高了工作效率，對于類似監(jiān)測項目具有積極的參考應(yīng)用價值。

大型基坑；測量機器人；混合基點網(wǎng)；自動變形監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

目前，大型城市地鐵站、超高層建筑的建設(shè)中，基坑開挖深度超過 5 m 的深基坑已成為普遍現(xiàn)象，有些基坑甚至深達20 m[1]。為了保證這些工程建設(shè)的質(zhì)量及施工設(shè)施的安全，需對工程建設(shè)的施工設(shè)施進行變形監(jiān)測。然而大型基坑由于開挖深度及范圍較大、監(jiān)測點多，采用常規(guī)人工觀測方法進行支護結(jié)構(gòu)頂部變形監(jiān)測費時費力，難以保障監(jiān)測精度，急需一種強有力的測量手段來支持其業(yè)務(wù)的高效率開展。

測量機器人具有自動尋找、識別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)等功能，可在短時間內(nèi)對多個目標(biāo)點作持續(xù)和重復(fù)觀測，在結(jié)構(gòu)物外部變形監(jiān)測方面擁有極大的優(yōu)勢和應(yīng)用前景[2]，越來越多的學(xué)者對其系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用開展了研究。本世紀初便有學(xué)者對測量機器人進行了介紹[3]，隨后的研究主要集中在其自動化監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計上及如何與其他監(jiān)測設(shè)備進行聯(lián)合監(jiān)測等[4-5]。研究應(yīng)用領(lǐng)域包括隧道、基坑、大壩等大型工程變形監(jiān)測[6-8]。然而在環(huán)境復(fù)雜的大型工程變形監(jiān)測中，為保證監(jiān)測精度和工作效率，監(jiān)測基準(zhǔn)點網(wǎng)設(shè)計、基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗是2個關(guān)鍵性技術(shù)難題。本文針對傳統(tǒng)布網(wǎng)的缺陷及測量機器人在監(jiān)測方面的優(yōu)勢，在采用混合基準(zhǔn)點網(wǎng)布設(shè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于測量機器人的大型基坑變形監(jiān)測系統(tǒng)，并用于大型基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移、沉降監(jiān)測，取得了顯著效果。

1 關(guān)鍵技術(shù)與方法

1.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)

常規(guī)基準(zhǔn)點網(wǎng)將基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)成導(dǎo)線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、GPS網(wǎng)，定期對基準(zhǔn)網(wǎng)進行復(fù)測、平差計算，在基準(zhǔn)點上設(shè)置儀器對鄰近基準(zhǔn)點作穩(wěn)定性檢查并測量工作基點坐標(biāo)。由于大型基坑施工圍蔽作業(yè)及周邊環(huán)境的限制，常規(guī)方法難以實現(xiàn)。利用多點強制自由設(shè)站邊角交會法建立了混合基準(zhǔn)點網(wǎng)[9]，該基準(zhǔn)網(wǎng)由基準(zhǔn)點和工作基點構(gòu)成，如圖1所示，基準(zhǔn)點不設(shè)站，工作基準(zhǔn)點任意選取，一旦選取，安置強制對中裝置（圖1中JZ01-JZ06）。混合基點網(wǎng)法布設(shè)簡單方便快捷，解決了大型基坑復(fù)雜環(huán)境下基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)困難的問題，同時適用于自動化變形監(jiān)測。

圖1 基準(zhǔn)點和工作基點布置示意圖

1.2 基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗

在變形監(jiān)測過程中必須保證基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性，以確保工作基點和監(jiān)測點不歪曲。采用組合后驗方差檢驗法[10]對基準(zhǔn)點進行穩(wěn)定性檢驗。該方法就是通過基準(zhǔn)點的各種組合，用后驗單位權(quán)方差構(gòu)成統(tǒng)計量進行檢驗，當(dāng)統(tǒng)計量大于給定的分位值時，零假設(shè)（基準(zhǔn)點未顯著變動）不成立，可得到顯著變動的基準(zhǔn)點。需要進行迭代計算，直到檢驗通過。

1.3 移動式周期監(jiān)測技術(shù)

一般的工程變形監(jiān)測都是在施工中進行的，常將儀器架設(shè)于施工區(qū)域，不利于儀器保護，而且當(dāng)工作基點較多時，采用固定周期監(jiān)測將投入較多儀器。在符合工程變形監(jiān)測要求下，為了保護監(jiān)測儀器與減少儀器投入，選擇移動式周期監(jiān)測。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

基于自動全站儀的自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，以自動搜索目標(biāo)的全站儀為測量工具，并配備L型單棱鏡，采用自由設(shè)站、極坐標(biāo)測量和邊角交會技術(shù)，測定各變形點的三維坐標(biāo)。系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)組成框架圖

2.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計

GeoBasic集成開發(fā)環(huán)境是開發(fā)TCA全站儀機載軟件的二次開發(fā)平臺，利用此平臺開發(fā)的自動監(jiān)測程序可直接在全站儀上運行。文章利用該平臺開發(fā)了自動變形監(jiān)測系統(tǒng)，其主要功能如圖3所示，有參數(shù)設(shè)置、儀器初始化、學(xué)習(xí)測量、自動觀測、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等功能模塊。

圖3 自動變形監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

3 自動化監(jiān)測過程

3.1 外業(yè)監(jiān)測

采用所建立的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)對基坑支護結(jié)構(gòu)頂部監(jiān)測點的水平位移量及沉降量進行測量，具體作業(yè)步驟如下：

1）連接電腦與自動全站儀，啟動自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件，在工作基點（如GZ01）上，瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點JZ01定向，測量JZ02，進行基準(zhǔn)點穩(wěn)定性觀測，然后對監(jiān)測點進行學(xué)習(xí)測量，并把學(xué)習(xí)測量結(jié)果保存到一個庫文件中。以首期得到的基準(zhǔn)點坐標(biāo)為已知值，進行基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗和基準(zhǔn)點網(wǎng)平差，在已知點中去除有顯著變動的基準(zhǔn)點，確定工作基點的坐標(biāo)。

2）以每期工作基點的實時坐標(biāo)計算各期監(jiān)測點的坐標(biāo)。學(xué)習(xí)測量只需在第一期監(jiān)測時進行，以后各期可根據(jù)監(jiān)測點的坐標(biāo)自動按順序進行觀測。

3）基準(zhǔn)點網(wǎng)觀測4個測回，監(jiān)測點觀測2個測回。使用自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件，每期觀測時，只需事先設(shè)定好觀測時間段、觀測周期和監(jiān)測點組，安置儀器，點擊自動測量，即可進行自動觀測。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用“科傻”系統(tǒng)[11]及測量機器人變形監(jiān)測內(nèi)業(yè)軟件系統(tǒng)進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，可方便地得到基準(zhǔn)網(wǎng)點的平差結(jié)果及監(jiān)測點的三維坐標(biāo)。進行疊置分析，得出各期變形量和累計變形量，還可以得到每個點上直觀的二維或三維圖。根據(jù)各點的周期監(jiān)測成果，可以進行建模分析和變形預(yù)報，通過變形過程曲線就能清楚地看出變形情況和趨勢，并根據(jù)設(shè)計的警告值，進行模型分析和變形預(yù)報。監(jiān)測單位每天均用電子郵件向建設(shè)單位提供每天各點的變形量、累計變形量和簡單的分析報告。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

1）變形監(jiān)測結(jié)果分析。利用該監(jiān)測系統(tǒng)對廣州某項目基坑進行水平位移和沉降量監(jiān)測，圖4 為WY43～WY46監(jiān)測點的水平位移曲線圖。

從第1期到第40期其變形都很小，由于該部位支護結(jié)構(gòu)滲水、涌沙等原因，附近路面產(chǎn)生塌陷，錨索拉力減弱，地下水位下降過快。在40期以后，累計位移量增大，累計位移量最大值為10 mm，有一種趨勢性的變形。第80期采取噴漿、封堵、回填及加固措施后，變形緩慢，變形量在可控范圍。隨著時間的推進，變形逐漸放慢，對支護結(jié)構(gòu)安全不造成影響。同樣，可繪制沉降變形過程曲線圖。由各監(jiān)測點的沉降變形過程曲線看，支護結(jié)構(gòu)頂部隨基坑開挖，開始時沉降量較小，隨著開挖深度的增加沉降量增大，開挖完成進入地下室施工后，沉降變化量越來越小，從而累計沉降量趨于穩(wěn)定，所有支護結(jié)構(gòu)頂部監(jiān)測點累計沉降量最大值為9.2 mm（WY43點）。

圖4 WY43～WY46水平位移的變形過程曲線

表1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度統(tǒng)計表

注：基坑X方向為垂直于基坑長邊向北方向，Y方向為平行于基坑長邊方向，Z方向是豎直向下方向。

監(jiān)測精度計算公式為：

式中，v為與均值的差值。

4 結(jié) 語

采用了混合基點網(wǎng)布設(shè)方法、基準(zhǔn)點穩(wěn)定性的組合后驗方差檢驗法、移動式周期監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計了基

2）監(jiān)測效率與精度分析。通過與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法對比，采用該系統(tǒng)的監(jiān)測時間約為人工監(jiān)測的1/4。相關(guān)的研究也表明[7]，基于測量機器人的變形監(jiān)測系統(tǒng)能顯著地提高工作效率。在監(jiān)測精度上，水平方向變形量X、Y及垂直方向變形量Z分別為±0.66 mm、±0.56 mm、±0.66 mm（見表1），均達到設(shè)計要求（1 mm）。于測量機器人的大型基坑變形監(jiān)測系統(tǒng)，并將該變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于廣州某大型基坑支護水平位移、沉降的變形監(jiān)測。監(jiān)測過程及結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化、高精度變形監(jiān)測，實時提交變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大地提高了工作效率，對類似監(jiān)測對象有較高的參考應(yīng)用價值。

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1672-4623（2016）08-0081-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.027

盧松耀，高級工程師，主要從事變形測量、控制測量、地形測量等工作。

2015-02-28。