基坑在線監測系統及工程應用實踐

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.北京愛地地質勘察基礎工程公司，北京 100144)

1 引 言

深基坑監測一直是工程建設安全生產中最重要的一環，特別是近年來基坑坍塌造成人員傷亡、經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警成為當前基坑監測的技術難點。傳統的人工監測技術手段落后、效率低下、人力成本高，最重要的是無法做到監測的實時性。所以自動化監測逐步取代傳統人工監測是目前的大趨勢，但是基坑監測又區別于其他監測類型，基坑監測現場環境復雜，監測項目多樣讓如何實現基坑監測的自動化的難度增加了不少。本文就如何將自動化監測系統應用于基坑監測進行了較深入的研究。

2 基坑在線監測系統

基坑在線監測系統是通過集成較先進的傳感器技術、無線網絡傳輸工具及現代化的數據采集工具來實現對基坑關鍵項目及特征點的實時監測，通過微觀的數據變化來體現基坑整體宏觀的形變，是保障基坑施工安全的強力工具。可以非常有效地防范事故發生，很好地輔助施工單位進行施工進度計劃安排[1]。

2.1 系統設計目標及原則

(1)系統設計目標

①全部監測項目實現自動化的采集、自動化的存貯和計算。

②所有的監測報表、變形曲線圖、變形速率圖均完成自動化生成。

③實現自動發送預警和報警信息，通過對監測數據自動存儲、統計、分析，根據項目設計的預警和報警閾值，來實現自動發送預警和報警短信。

(2)系統設計原則

①可靠性：系統的各項傳感器必要成熟、穩定，而且必須保證能在惡劣環境條件下也能持續運行。必須提供通過認證的計量證書。

②可擴展性：系統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，監測系統的總設計需要詳細考慮施工不同階段對應不同的監測項目[2]。

2.2 系統構成

系統由測量機器人、各項目的傳感器、數據采集、無線傳輸設備、數據存儲及數據處理服務器、自動化監測的Web平臺構成。其系統結構圖如圖1所示：

圖1 系統結構圖

所有監測項目的傳感器采集數據后，通過無線網絡傳輸到數據監測中心，系統依托智能分析軟件，由中心PC進行數據存儲及解析計算，通過集成預警模型，可以做到將實時的預警信息通過短信的形式發到決策人手中，給決策人予以充分的時間啟動應急預案措施。并將數據通過監測數據管理預警平臺展示，平臺提供數據查詢、分析及圖表生成和自動報警功能[6]。

3 工程應用

3.1 項目概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程(主站房)基坑監測工程位于北京市西南部豐臺區，具體位置為豐管路以南，豐臺東大街以東，豐臺東路以北，西四環與西三環之間的地塊內。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。基坑開挖深，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)基坑周邊環境復雜，北側緊鄰京滬鐵路線，東側靠近北京地鐵10號線，10號線盾構區間與站房基坑圍護樁最近水平距離約 3.2 m。

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

3.2 監測項目

(1)水平位移監測

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

Leica TM50系徠卡公司專門為自動變形監測生產的測量機器人，具有 0.3 m～3 000 m范圍內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測軟件，其軟件主要由兩部分組成，監測設備和分析工具。其中監測設備主要功能是數據管理、采集。分析工具主要負責收據的后處理以及圖像顯示[5]。

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

圖2 監測機器人及監測點

圖3 監測數據分析圖

(2)豎向位移監測

豎向位移監測采用靜力水準的方法來取代傳統的幾何水準測量方法。

本項目采用的是某廠生產的壓差式靜力水準儀，其主要技術原理是連通器原理，通過計算監測點與控制點的相對沉降量來計算各個監測點的沉降量。必須保證基準點是一個非常穩定的豎向基點才能有效地反映監測點的變化，當測點相對于基準點發生升降時，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境。

整套靜力水準監測系統由以下部分組成：基準點、監測點、數據采集設備。如圖4所示：

圖4 靜力水準基準點及監測點

(3)錨索軸力及支撐軸力

錨索軸力及支撐軸力的自動化監測就是在傳統的監測方法的基礎上增加了數據采集裝置，實現數據自動采集數據，自動傳輸到監測中心PC。

(4)深層水平位移監測

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

固定式測斜儀相比人工測量的測斜儀，不僅安裝方便，而且能夠回收反復使用，最關鍵的是能夠實現自動測量，較人工測量節省了巨大的人力、物力。傳統的人工測量測量一個 20 m的測斜管，正反兩次讀數。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，自動記錄監測數據，自動上傳平臺，而且監測頻率可以自由控制。固定測斜儀具有自動溫度補償裝置，可以適應不同的溫度環境保障監測數據的準確性。其主要參數為量程±30°、精度0.01°、可使用溫度-20℃～80℃。

3.3 實時監測數據平臺

實時監測數據平臺主要負責各種監測數據接收、入庫、處理匯集的功能，其由通信模塊，控制模塊，數據模塊，管理模塊四部分構成[7]。

通信模塊：通信模塊主要以不同的通信方式和通信協議完成數據的接收與命令的下發，并將接收的數據轉化成統一的數據格式。

控制模塊：控制模塊是對數據采集設備遠程控制模塊，主要完成對數據采集設備的遠程操作及操作結果的反饋。

數據模塊：處理通信模塊輸出的數據，并根據存儲的設備信息及合成信息生成符合用戶需求的數據并輸出。

管理模塊：通過Web實現對整個系統的統一管理，完成對設備的遠程操作，對異常數據的集中處理[8]，對設備的運行狀態的實時查看和對設備信息的統一管理等功能。

3.4 基坑監測預警管理系統

系統界面如圖5所示：

圖5 基坑監測預警管理系統界面

基坑監測預警管理系統以各類基坑監測數據為基礎，以基坑監測管理及預警業務為中心設計系統。其由基坑綜合數據庫、實時查詢展示模塊、數據分析模塊、預警模塊、系統管理模塊五部分構成[9]。根據結構監測業務特點，采用數據服務層(即數據資源層、中間件層)、業務邏輯層(即業務架構層)、表現層(即應用層)三層體系結構。系統設計與實現采用面向對象的軟件設計方法和組件開發技術。

4 結 語

基于北京鐵路樞紐豐臺站改建工程(主站房)基坑監測工程，采用Leica TM50+各種傳感器的方法實現了基坑監測的自動化。開拓了自動化監測技術在基坑監測領域的市場，驗證了該方法的可行性。因基坑監測的復雜性和多樣性，為以后基坑監測技術開拓了新的思路，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，避免在技術手段和監測效果上顧此失彼。