目前基坑監測中常用自動化測量方法的比較分析

李偉強

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

1 引 言

隨著我國各地城市基礎設施建設的發展，城市地下空間的開發利用也進入了快速發展期，地下空間項目規模以及施工難度也越來越大，基坑施工周邊環境也越來越復雜，各種大型基坑工程也不斷涌現，工程實施過程中受到基坑開挖、大氣降水以及施工動載等許多不確定因素的影響，尤其在高地下水位的軟土地基中開挖基坑工程更是存在著一定的風險性，而基坑的周邊環境在開挖影響范圍內又分布著各種市政管線，建筑物等，若因施工控制措施不當便會導致管線和構筑物變形過大而破壞甚至不能正常使用，造成很嚴重的經濟損失和社會影響，但是在目前的計算理論框架內，對基坑工程及周邊環境的各種復雜影響還不能進行準確的預測，因此在基坑施工過程中，用精密儀器和科學的方法對支護結構、周邊環境進行監測就變得至關重要。通過監測來及時發現圍護結構以及周邊環境變化發展趨勢，及時反饋信息，才能指導施工達到有效確保基坑及周邊環境安全的目的。

與此同時，基坑監測的手段也在不斷更新中，在如此重要的環節中，為及時掌握變形情況，越來越多的項目對動態監測數據愈發重視，因此，各種自動化測量的新技術、新方法被應用到實際工程中，在基坑監測的各種物理量諸如應力、應變、溫度等的監測上，通常采用可靠的傳感器，測量頻率等變化等來計算變化量，并且通過線纜連接數據采集箱比較容易實現自動化測量，但是在各種幾何量比如垂直及水平位移、傾斜、深層位移量的測量上，受制于精度要求，測量條件、技術方法上實現自動化的要求要高得多。本文參考工程實例來重點比較分析在目前工程應用上常見的三種幾何量自動化測量方法即：電水平尺、靜力水準，全站儀自動化測量，并采用傳統精密水準測量方式加以校核比對。

2 電水平尺自動化測量

2.1 測量原理

電水平尺的核心部分是一個電解質傾斜傳感器，其測量傾斜角的靈敏度高達1秒(相當于在 1 m的直尺上由于兩端有5微米高差形成的傾角)。將上述電解質傾斜傳感器安裝在一支空心的直尺內，就構成了電水平尺(EL Beam Sensor)。尺身一般長 2 m～4 m，用錨栓安裝在隧道道床(結構物)上。接著將傾角傳感器調零，并鎖定在該位置。道床(結構物)的沉降會改變梁的傾角，沉降量(d)可按公式“L(sin1-sin0)”算出。此處，L是梁的長度；1是現時傾角值；0是初始傾角值。若將一系列電水平尺首尾相接地安裝在隧道縱向上的隧道結構上，形成上述的所謂“尺鏈”，就可得出“尺鏈”范圍內的豎向位移曲線。其原理如圖1所示。

圖1 電水平尺監測豎向位移原理示意圖

2.2 項目案例

上海地鐵某車站基坑為三層島式車站，開挖深度為 23.4 m～25.4 m，車站總長 191 m，外包寬度 20.87 m。車站附屬結構包括有2個出入口和3個風亭。電水平尺自動化監測點布設在基坑南側在運營中的另一條地鐵站臺軌道內，測試元件采用美國Sinco公司的EL電解質式梁式傳感器，該傳感器通常用于監測建筑物的不均勻沉降，標準量程為±40′，分辨率為1″(±0.005 mm/m)，靈敏度為±3″(±0.015 mm/m)。每個電水平尺傳感器旁邊布設一個人工沉降測量點，采用精密水準儀按二等水準測量要求進行施測，電水平尺線路初始端進行數據修正，點位略圖如圖2所示。

圖2 電水平監測點布置示意圖

2.3 數據統計

整個線路累計沉降量及特征點的不同歷時的沉降量數據統計如表1、表2所示，變化曲線圖如圖3、圖4所示。

電水平線路數據匯總(單位/mm) 表1

電水平特征點DS5歷時數據(單位/mm) 表2

圖3 電水平線路沉降曲線圖

圖4 電水平特征點DS5歷時沉降曲線圖

3 靜力水準自動化測量

3.1 測量原理

靜力水準系統依據連通管原理的方法，測量每個測點容器內容器底面安裝高程與液面的相對變化。再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量。儀器由主體容器、連通管、電容傳感器等部分組成。當儀器主體安裝墩發生高程變化時，主體容體相對于位置產生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定在容器頂的一組電容極板間的相對位置發生變化，通過測量裝置測出電容比的變化即可計算得測點的相對變化，如圖5所示。

圖5 靜力水準測量原理示意圖

3.2 項目案例

該項目位于上海世博會片區，基坑開挖面積約 38 000 m2，基坑延長米約為 791 m，開挖深度在 11.40 mm～18.60 mm之間。采用地下連續墻圍護，支撐形式為三道鋼筋混凝土水平支撐，環境保護等級為一級。靜力水準自動化監測點布設在基坑東側的共同管溝內。靜力水準傳感器采用美國基康振弦式傳感器，標準量程 150 mm，傳感器精度±0.1%F·S，傳感器靈敏度0.025%F·S。每個靜力水準傳感器旁邊布設一個人工沉降測量點，采用精密水準儀按二等水準測量要求進行施測，靜力水準線路初始端進行數據修正，點位略圖如圖6所示。

圖6 靜力水準監測點位布置示意圖

3.3 數據統計

整個線路累計沉降量及特征點的不同歷時的沉降量數據統計如表3、表4所示，變化曲線圖如圖7、圖8所示。

靜力水準線路數據匯總(單位/mm) 表3

靜力水準特征點JS5歷時數據(單位/mm) 表4

圖7 靜力水準線路沉降曲線圖

圖8 靜力水準特征點JS5歷時沉降曲線圖

4 全站儀自動化測量

4.1 測量原理

測量機器人是一種能代替人進行自動搜索、跟蹤、識別和精確照準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀，它是在全站儀基礎上集成步進馬達、CCD影像傳感器構成的視頻成像系統，并配置智能化的控制及應用軟件發展而成。系統主要工作方式是在容易發生形變的部位安裝棱鏡，通過軟件驅動全站儀按照預定的方式自動定期測量這些棱鏡所在部位的三維坐標，對多次測量的坐標進行變形位移量的計算，以達到監測預防事故的發生目的。測量時用全站儀按照極坐標測量原理進行觀測，測量各點的三維坐標。對于多余觀測采用最小二乘原理求得最佳值，對于一個時間段內的數據，采用中值計算技術。如圖9所示，全站儀的設站點0為原點，測站的鉛垂線為Z軸，以定向方向為X軸，建立坐標系0-XYZ，則全站儀測量P點的觀測值為水平角、豎直角，斜距S，則計算出P點的獨立坐標系下的坐標。

圖9 全站儀極坐標測量原理

4.2 項目案例

該項目主要為試驗段，在上海某高架路下進行管幕法鋼管頂進施工，在工作井、接收井開挖施工、鋼管幕頂進施工及矩形箱涵頂進施工過程中須對重點路面全面實施監測，本次測量采用TCA2003全站儀觀測，測角精度為0.5″，100 m的監測范圍內由測角所引起的最大誤差為 ±0.12 mm；儀器的測距精度為 1 mm ±1 ppm，100 m的距離由測距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測量采用四測回觀測儀器引起的誤差為 ±0.5 mm。由于本項目主要針對垂直方向的變化所以在每個測點棱鏡旁邊布設一個人工沉降測量點，采用精密水準儀按二等水準測量要求進行施測，全站儀設站點進行數據修正，點位略圖如圖10所示。

圖10全站儀自動化監測點布置示意圖

4.3 數據統計

整個測量斷面的累計沉降量及特征點的不同歷時的沉降量數據統計如表5、表6所示，變化曲線圖如圖11、圖12所示。

全站儀測量斷面數據匯總(單位/mm) 表5

全站儀測量特征點L2-2歷時數據(單位/mm) 表6

圖11 全站儀測量橫斷面沉降曲線圖

圖12 全站儀測量特征點L2-2歷時沉降曲線圖

5 分析與總結

本文采用的數據在三個工程實例中變化量均在 10 mm左右，在變形監測中對數據精度要求較高的情況下，有利于分析比對三種手段的數據分布情況，電水平尺及靜力水準自動化測量的起始點以及全站儀自動化的設站點均采用人工測量數據進行校核修正，保證了數據的準確性和可靠性，三個工程實例數據的誤差對比如表7所示。

三種測量方法誤差數據統計 表7

電水平尺測量方法的平均誤差和相對誤差較小，精度比較高，全站儀機器人方法的誤差的方差及標準差數值較小，說明誤差的離散度比較低，通過其歷時曲線可以看出，全站儀測量方法在線路的平差計算上以及對測站點改正上還可以進一步進行優化。在變形量增大后，靜力水準與電水平尺由于線路優勢自動化數據與人工數據擬合度更好，全站儀測量每個測點相互獨立，數據質量能保持較高的穩定性。

在三種自動化測量的使用方面包括從安裝到運行都具有各自不同的特點、難點，因此在實際應用中根據項目本身的特點來匹配最合適的應用方式。

靜力水準的使用特點是安裝時高差不能太大，安裝難度較大，靜力水準共有三根管線需與相鄰儀器連接組成系統，從上至下依次為液體管、通氣管和通訊線纜，正確安裝并需保證各自安裝質量是系統運行的重點。電水平尺的安裝特點與靜力水準相似，但安裝調平難度較大。在這兩種自動化方式中如果線路上有傳感器故障或者傳感器數據異常則會系統性影響整條后續線路的沉降量，因此對于查找問題比較困難，因此在關鍵接點加入人工檢核修正就變得非常重要。

全站儀測量機器人的使用特點是監測點安裝方便可以散點布設，實時進行三維數據采集，三維數據的參考性比較大，平面數據精度較高，垂直方向數據精度相對較差，監測點之間相互獨立，數據不會相互影響，查找問題相對容易，但實施過程中須考慮溫度和氣壓的改正值，由于測點與設站點要相互通視，所以對于曲線形線路需要采用多機系統，鏈接點一般采用360°棱鏡，多機系統下測量單位必須具有強有力的控制網圖形設計和計算能力才能保證達到很高的精度要求。

通過這些工程實例應用不難發現這些自動化手段的共同優點是實時測量高差變化值，數據采集頻率靈活而且精度高，數據的變化趨勢與實際情形吻合，滿足工程需求，相對于人工測量有著明顯的優勢。自動化監測系統是一個系統工程，針對不同的項目需求采用不同的應對手段，自動化變形監測的實施和時代新技術的發展息息相關，也是行業發展的必然趨勢。

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