自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在城市深基坑監(jiān)測(cè)工程中的應(yīng)用

王鵬，王宇，胡文奎，林祥宏

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在城市深基坑監(jiān)測(cè)工程中的應(yīng)用

王鵬*，王宇，胡文奎，林祥宏

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東 濟(jì)南 250101)

基于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法在城市深基坑監(jiān)測(cè)中存在的諸多困難，通過多種傳感器融合的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，研究了監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布網(wǎng)方式和測(cè)量方法，通過控制網(wǎng)平差和多期數(shù)據(jù)差分對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正處理。實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布和報(bào)警。數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確，及時(shí)可靠，對(duì)今后自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在城市深基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

自動(dòng)化；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；傳感器融合；差分；發(fā)布和報(bào)警

1 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市建設(shè)現(xiàn)代化水平的不斷提高，城市深基坑項(xiàng)目越來越多，開挖深度及開挖面積越來越大，且往往位于人口密集、交通擁擠、地下管網(wǎng)密布的區(qū)域，周圍常常有永久性建筑物，環(huán)境極其復(fù)雜[1～3]。一旦發(fā)生工程事故，就會(huì)給國(guó)家和人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成損害。基坑工程可以通過監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保護(hù)基坑及周邊建筑物的安全[4，5]。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)存在諸多問題，如監(jiān)測(cè)較長(zhǎng)、反饋速度慢、惡劣天氣條件下不具備人工測(cè)量環(huán)境等。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)的諸多缺陷，其采用固定設(shè)站、增加觀察頻率的方式[6]，利用軟件平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)集成化處理，將基坑的水平位移監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、錨索軸力監(jiān)測(cè)、深層水位監(jiān)測(cè)集成一體，輔以遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)施全天候 24 h動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[7，8]。本文以山東省省立醫(yī)院兒科樓建筑基坑的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，展現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在深基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、成果發(fā)布系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由全站儀自動(dòng)采集系統(tǒng)和數(shù)控自動(dòng)采集系統(tǒng)組成。全站儀自動(dòng)采集系統(tǒng)基于測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了坡頂水平位移及豎向位移觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況建立自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的永久觀測(cè)房，并在觀測(cè)房?jī)?nèi)放置Trimble S8全站儀和控制電腦。系統(tǒng)應(yīng)用全站儀配套的Trimble 4D軟件控制測(cè)量，功能模塊包括測(cè)站設(shè)立、監(jiān)測(cè)點(diǎn)初次測(cè)量、定期復(fù)測(cè)三部分。數(shù)控采集箱自動(dòng)采集系統(tǒng)利用BGKLogger V4軟件來控制錨索內(nèi)力、深層水平位移及地下水位數(shù)據(jù)的采集，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)予以分類、處理、計(jì)算。Trimble 4D軟件可以將采集的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，用自帶的軟件分析系統(tǒng)進(jìn)行粗差的剔除、基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析和測(cè)量數(shù)據(jù)的平差計(jì)算，結(jié)果存貯到對(duì)應(yīng)的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。

成果發(fā)布系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析、視頻管理及預(yù)警預(yù)報(bào)等模塊。數(shù)據(jù)查詢模塊可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢，統(tǒng)計(jì)分析，并且在數(shù)據(jù)變化量超過報(bào)警值時(shí)，預(yù)警預(yù)報(bào)模塊向電腦網(wǎng)頁(yè)及手機(jī)APP發(fā)布報(bào)警信息。視頻管理模塊作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輔助，系統(tǒng)管理現(xiàn)場(chǎng)安置的所有攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的施工情況，出現(xiàn)預(yù)警時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工問題。

3 應(yīng)用案例

上文提及的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功應(yīng)用于山東省省立醫(yī)院兒科綜合樓建筑基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于濟(jì)南市內(nèi)繁華地段，車流、人流量較大，各類市政管線密布，周邊環(huán)境復(fù)雜。基坑?xùn)|西方向長(zhǎng)約 96.60 m，南北方向?qū)捈s 62.10 m，基坑開挖深度約為 21.0 m，是濟(jì)南市為數(shù)不多的開挖深度突破 20 m的深基坑。基坑側(cè)壁安全均按一級(jí)考慮。基坑支護(hù)形式為上部放坡，下部單排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式。部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)被上部鋼結(jié)構(gòu)人行輔道遮擋，無法提供監(jiān)測(cè)作業(yè)面，人工監(jiān)測(cè)無法進(jìn)行。鑒于此，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：坡頂水平及豎向位移監(jiān)測(cè)、周邊建筑位移監(jiān)測(cè)、周邊道路位移監(jiān)測(cè)、深層水平位移監(jiān)測(cè)、錨索內(nèi)力監(jiān)測(cè)及地下水位監(jiān)測(cè)等6項(xiàng)內(nèi)容。

3.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)

省立醫(yī)院兒科綜合樓基坑周邊高樓林立，作業(yè)空間狹窄，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)是否合理顯得尤為重要[9]。

觀測(cè)站布設(shè)在基坑南側(cè)省立醫(yī)院門診樓樓頂處，壘筑強(qiáng)制觀測(cè)墩。基坑監(jiān)測(cè)平面控制點(diǎn)與水準(zhǔn)控制點(diǎn)為共用點(diǎn)，布設(shè)在緯七路與經(jīng)五路交口西側(cè)、省立醫(yī)院家屬樓上、緯六路與經(jīng)五路交口南北兩側(cè)居民樓上，監(jiān)測(cè)網(wǎng)中布設(shè)3個(gè)固定棱鏡作為基準(zhǔn)點(diǎn)，由于基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖圖幅限制，故不能詳細(xì)標(biāo)注。

坡頂水平位移及豎向位移監(jiān)測(cè)共用同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沿基坑邊坡頂部布設(shè)，距離基坑開挖上口線約 30 cm，測(cè)點(diǎn)間距約 15 m，共計(jì)20個(gè)L型棱鏡作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)；周邊建筑物位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用植筋的方式在周邊建筑物四角及沿建筑物外墻每 20 m處布設(shè)，共計(jì)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；周邊道路位移監(jiān)測(cè)采用擊入界址釘?shù)姆绞讲荚O(shè)在緯七路和經(jīng)五路道路兩側(cè)，共計(jì)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；深層水平位移監(jiān)測(cè)斷面沿基坑四周布設(shè)，斷面間距約 25 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同深度處設(shè)置測(cè)斜傳感器，共計(jì)82個(gè)測(cè)斜傳感器；錨索內(nèi)力監(jiān)測(cè)斷面沿基坑四周布設(shè)，斷面間距約 25 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面不同深度處設(shè)置錨索傳感器，共計(jì)46個(gè)錨索傳感器；地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑四周布設(shè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距約 25 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安放滲壓計(jì)，共計(jì)9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖如圖2所示。

測(cè)斜傳感器、錨索傳感器、滲壓計(jì)均按照設(shè)計(jì)要求結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行埋設(shè)，并用數(shù)據(jù)連接線與數(shù)據(jù)采集箱進(jìn)行連接，從而，實(shí)現(xiàn)不同位置，不同深度的數(shù)據(jù)采集。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

針對(duì)本項(xiàng)目布設(shè)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和傳感器，利用Trimble 4D監(jiān)測(cè)平臺(tái)和傳感器數(shù)據(jù)采集箱對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

圖3自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

如圖3所示，全站儀采用天寶專用數(shù)據(jù)線與電腦連接，同時(shí)解決了數(shù)據(jù)的傳輸與全站儀供電問題。測(cè)站設(shè)立采用自由設(shè)站的方式，在強(qiáng)制觀測(cè)墩上固定全站儀，設(shè)置假定坐標(biāo)系。初次測(cè)量時(shí)，選用人工教學(xué)模式，系統(tǒng)自動(dòng)記錄所有后視點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，并自動(dòng)進(jìn)行多測(cè)回測(cè)角，精確計(jì)算各點(diǎn)初始坐標(biāo)。通過軟件設(shè)置定期復(fù)測(cè)的頻率，本項(xiàng)目選定時(shí)間間隔為 1 h，復(fù)測(cè)時(shí)先對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，經(jīng)計(jì)算控制網(wǎng)穩(wěn)定后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐一測(cè)量，同時(shí)系統(tǒng)添加了未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)再次尋找功能，確保復(fù)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)無遺漏。

傳感器與數(shù)控采集箱采用有線連接，將采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋通信技術(shù)遠(yuǎn)程回傳到機(jī)房數(shù)據(jù)處理中心。

數(shù)據(jù)處理功能采用Trimble 4D軟件將采集數(shù)據(jù)的粗差自動(dòng)剔除，復(fù)測(cè)完基準(zhǔn)網(wǎng)后進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)的穩(wěn)定性分析，最后將測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理。基于本項(xiàng)目采用單測(cè)站重復(fù)觀測(cè)，在自主研發(fā)的基坑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中添加了測(cè)量數(shù)據(jù)的差分改正[10]，通過基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)與初始坐標(biāo)的差值對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)加以改正，包括距離差分改正、方位角差分改正和球氣差改正三個(gè)方面。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)布與預(yù)警

數(shù)據(jù)經(jīng)采集與處理平臺(tái)處理后，存入到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中，采用SOA(Service Oriented Architecture )架構(gòu)，我們開發(fā)了基坑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)成果在線發(fā)布與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、視頻管理、報(bào)警設(shè)置等多個(gè)模塊，整體效果如圖4所示。圖中鏡頭與實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位吻合，點(diǎn)擊鏡頭圖標(biāo)，可以查看該檢測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量與本次沉降量情況，并自動(dòng)繪制時(shí)間序列曲線，直觀動(dòng)態(tài)地反映出基坑的變形情況。

另外，可以通過該系統(tǒng)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)形變報(bào)警閾值。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量超過預(yù)先設(shè)定的累計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)可快速地發(fā)出警報(bào)，將變化量超限的點(diǎn)反饋給工作人員，同時(shí)提醒建設(shè)單位，防止危險(xiǎn)事故發(fā)生。我們還開發(fā)了Android版移動(dòng)端的基坑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，為監(jiān)測(cè)工作者提供了更便利的條件，確保工程順利實(shí)施。

圖4電腦端基坑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

圖5 移動(dòng)端基坑在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

4 結(jié) 論

本項(xiàng)目突破常規(guī)的運(yùn)用全站儀進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)模式，全面實(shí)現(xiàn)了城市深基坑變形與內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、處理、發(fā)布、預(yù)警，將變形監(jiān)測(cè)與內(nèi)力監(jiān)測(cè)有機(jī)融合到同一監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過全站儀和采集箱將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理，并通過網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋，對(duì)施工進(jìn)行指導(dǎo)，為建設(shè)方提供合理化建議。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量、受外界干擾因素小、測(cè)量精度高、節(jié)約人力成本等多方面優(yōu)勢(shì)，在城市深基坑監(jiān)測(cè)中應(yīng)用前景廣泛。

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ApplicationofAutomaticMonitoringSysteminUrbanDeepFoundationPitMonitoringProject

Wang Peng，WangYu，Hu Wenkui，Lin Xianghong
(Jinan Surveying and Mapping Research Institute，Jinan 250101，China)

Based on many difficulties in monitoring deep foundation pit of city by traditional measurement method，through the automatic monitoring system for fusion of multiple sensors，combined with the actual situation，the monitoring network setting mode and measurement method are studied. In addition，the monitoring data is corrected by controlling network adjustment and multi-phase data difference. Real time publication and alarm of the data are realized. The data is true，accurate，timely and reliable，it has important reference significance for the application of automatic monitoring system in monitoring deep foundation pit in the future.

automatic；dynamic monitoring；sensor fusion；data difference；release and alarm

1672-8262(2017)06-122-04

P258

B

2017—03—15

王鵬(1972—)，男，高級(jí)工程師，主要從事城市工程測(cè)量技術(shù)管理工作。