基于BDS的毫米級基坑圍墻位移監測及告警系統

潘軍道，蔡浩原,2，劉振耀，吳春秋，張邦芾，楊斌，劉豐敏，趙晟霖,2

( 1. 中國科學院空天信息創新研究院, 北京 100094；2. 傳感技術國家重點實驗室, 北京 100094；3. 國家建筑工程技術研究中心, 北京 100094；4. 建研地基基礎工程有限責任公司, 北京 100094 )

0 引 言

建筑基坑安全是基坑開挖以及建筑施工的關鍵，基坑安全關聯各種因素，貫穿整個建筑施工周期，如圖1所示，在基坑開挖的施工過程中，坑內外的土壓力會發生較大的改變，土壓力的改變會引起基坑支護結構變形、基坑圍墻沉降等危害. 周凱強等[1]對不同基坑開挖工序對基坑的影響進行了數值模擬分析，結果證實基坑圍護結構水平側移會在開挖持續進行過程中不斷增加.一般情況下，在施工過程中，建筑基坑圍墻的位移量、位移速率在允許范圍內，理論上不會對基坑及基坑支護結構的安全產生影響.

圖1 建筑基坑圍墻

傳統的高層建筑基坑形變監測方法[5]操作復雜，受人工操作結果一致性差、完成一次測量時間長等條件限制，傳統方法存在測量誤差大、測量頻次低等缺點，無法滿足自動化和多點同時監測的需求.

隨著技術的不斷進步，全球衛星導航系統(GNSS)定位技術在結構塔樓、煙囪、高層建筑和橋梁形變中得到了廣泛的應用[6-8]. 鄭榮躍等[9]結合工程實踐和實測數據探討了基坑水平位移和地表沉降的基本規律，建立了基坑監測過程中的預警指標體系；結合基坑的保護等級，設計了一種基于北斗衛星導航系統(BDS)的毫米級基坑圍墻位移監測系統，采集解算頻率為60 min/次；給出了一種自動化形變監測及告警方法.當被監測的結構水平位移和高程沉降超出閾值時，監控系統發出警報信息.

1 監測系統原理

在深基坑施工中即使采取了合理的基坑支護措施，也不能阻止支護結構和周邊土體的位移、變形[2-4]，

1.1 部署方案

當前對高精度位移監測的數據處理多是后處理方法[10-11]，后處理方法雖然能夠檢測細微的位移和形變，但是不能滿足監測的時效性. 針對一級基坑開挖過程中基坑圍墻及支護結構需要定時檢測水平位移和沉降位移問題，結合具體施工情況在基坑圍墻和邊坡安裝基于BDS的位移監測終端，監測系統部署示意圖如圖2所示.

監測節點部署在基坑圍墻和邊坡上，節點數量視具體的基坑環境而定，主要部署在基坑圍墻易發生位移和沉降的關鍵地方，監測節點底部通過膨脹螺釘與基坑圍墻固連在一起，監測節點下側為電池箱和天線固定結構件，上側為GNSS測量型天線, 監測節點如圖3所示.

圖3 監測節點設備

1.2 系統構成

系統由基準站部分和監測點兩部分構成．基準站部分包括基準站和服務器，基準站安置在距離基坑作業區周圍一定距離的土方固定的位置上，基準站天空環境要求良好，無遮擋；基準站每小時將BDS觀測文件和星歷文件上傳至服務器；監測點安裝采集終端，測點分布在基坑圍墻或者基坑邊坡上，各個監測點同步觀測衛星數據，通過4G無線網絡將BDS觀測文件上傳至服務器，每小時1次，由服務器順序對各個監測點數據進行短基線差分解算，對監測點的水平位移狀態和沉降狀態進行評估，并將解算的測點位移信息送給服務器前端顯示，同時服務器對測點的位移和沉降進行成圖展示，系統工作流程圖如圖4所示.

圖4 系統工作流程圖

2 形變信息的識別與告警

采用質量過程控制方法對數據進行實時檢驗，對解算數據檢驗并告警，從而完成形變信息的識別和告警.

假設監測序列服從正態分布，休哈特控制圖[12]依據3倍標準差構建，通過計算形變監測量平均值μ和標準差 σ 構建異?？刂葡?，將超出控制限的數據定義為異常數據，異常控制限的構建以 3 σ 方式構建，控制限區間為 ( μ-3σ,μ+3σ) ，則置信概率為99.73%，可以有效判別出監測序列中大的偏移數據. 如圖5所示，縱軸表示監測數據，橫軸表示監測數據歷元.

圖5 休哈特控制示意圖

利用形變監測量變化量的平均值 μ 和 標準差 σ 的獲取形變上下限. 位移信息的識別需要對測點位置進行標定，利用測點連續一天的觀測值和已知參考站的準確位置解算監測點位置序列Xi(i=1,2,···,n) ，n為樣本大小，認定Xi近 似服從正態分布，Xi～N(μ0,σ) ，假設 μ0為測點的真值，上下限為 ( μ0-3σ,μ0+3σ) ，則形變監測量變化量為為測點實際監測過程中的測量值；其中參考點位置通過澳大利亞地質科學局的在線數據處理服務進行解算，直接處理為ITRF2014坐標；最終的形變測量變化量轉化到本地東(E)、北(N)、天頂(U)坐標系下表示.

3 測點位置解算處理策略與算法驗證

測點位置解算方法為

各個測點和參考點獨立采集多頻BDS數據，在數據處理部分，對每個測點和參考站之間構造雙差解算方程，利用開源程序庫RTKLIB[13]已有的庫函數，編寫BDS數據高精度位置解算程序，由位移監測告警服務調用，從而順序解算出每個監測點在ECEF下的三維坐標，最后由位移監測告警服務進行坐標系轉化，將ECEF下的坐標轉化為本地E、N、U坐標[14]，從而直接對測點位移進行評估和分析.

3.1 數據選取與測試

通過測試數據，在短基線條件下驗證算法的正確性，數據選取澳大利亞科廷大學站點NET-R9接收機數據，選取CUT00和CUTA0兩個站點基線長度為8.42 m[15]的數據；利用站點已標定的天線在ECEF坐標系下的準確位置，對位置解算程序解算的結果進行評估，測試解算程序是否具有毫米級的定位解算能力.

3.2 解算策略

用已經標定的天線位置作為基準，對解算程序解算結果做外符合精度評估，解算程序處理策略如表1所示.

表1 解算處理策略

短基線情況下，選取2020-01-01—01-02數據，小時解結果歸算到E、N、U坐標系下外符合精度如圖6所示.

圖6 短基線外符合測試結果

由短基線數據測試結果可以得出，該解算程序在E、N、U三個方向上的誤差分別可以達到1 mm、1 mm、3 mm的解算能力，可以用該解算程序進行毫米級的位移監測.

4 算例分析

4.1 數據采集

實際數據采集，實際數據測試過程中，設備部署在樓頂，模擬基坑圍墻實際安裝環境，其中基線長度50 m，部署節點2個，其中一個節點作為參考節點；采集節點連續工作，每天0：00—06：00、08：00—13：00、16：00—21：00這三個時間段采集數據，監測節點每小時采集一份數據上傳至服務器，服務器對原始數據進行預處理，節點數據分文件夾存儲，以便后續解算服務順序對每個節點數據進行解算；每天 06：00—08：00、14：00—16：00、22:00—24：00這三個時間段休眠；參考節點和測點終端的實際天空環境，如圖7所示.

圖7 實際測試環境

選取2020-01-15—01-16節點數據，事后數據實際測試結果如圖8所示.

圖8 實際數據事后測試結果

事后測試結果表明在E方向和N方向監測水平可以達到0.25 mm，在U方向可以達到0.5 mm.

4.2 數據結果

網頁展示頁面，站點狀態運行結果如圖9所示，圖9由上至下依次為E、N、U三個方向上2021-12-01—2022-01-05動態結果圖，由實際運行結果可以得出，該系統實時運行時在E方向上具備5 mm的動態監測水平，在N方向上具備4 mm的動態監測水平，在U方向上具備9 mm的動態監測水平，2021-12-17—22由于硬件調試，網頁端展示結果為空.

圖9 系統E、N、U三方向實時運行結果圖

為方便用戶實時監測終端狀態，系統提供了微信端公眾號查看功能，可在微信小程序上隨時隨地查看系統結果，當E、N、U動態誤差出現較大的偏差時會出現告警提示，由于目前測試中沒有較大的偏差所以未出現警告提示.

4.3 數據檢核

長期穩定數據不具備真實條件下形變監測能力的檢驗條件，因此利用光學平臺對終端設備進行實際位移測試，從而達到檢核系統監測能力的目的. 如圖10所示，基準站采用標準的地基增強系統參考站，利用手動精密滑臺對終端進行水平位移測試.

圖10 水平滑臺終端測試場景

對終端進行連續測試，每次測試連續1 h，由前2 h的觀測數據獲取終端的準確值并以此作為參考，隨后每隔2 h調節一次滑臺上的螺旋測微器標尺，測試結果記錄如表2所示. 由水平滑臺測試結果誤差如圖11所示可知，測試結果與實際移動相差小于3 mm.

圖11 水平滑臺測試結果誤差圖

表2 移動滑臺測試結果 mm

表2（續）

5 結束語

針對建筑基坑圍墻及基坑邊坡在建筑物施工過程中容易發生位移造成的安全隱患問題，設計了一種對基坑圍墻測點的水平位移狀態和沉降狀態進行監測和告警的方案，給出了系統工作流程圖. 在形變監測過程中利用休哈特均值控制圖，構建形變閾值，在保持與預處理時置信區間一致的情況下，實現測點位移數據的無誤警有效監測，同時形變監測過程中測點位移量超過閾值時在服務器前端和微信小程序上及時報警. 本文提出的方法具有方便部署和自動化處理優勢，對于地殼形變、山體滑坡監測等其他領域的位移監測也存在一定的參考意義. 后續將對監測系統進行升級測試，主要集中在提高系統監測頻率、降低監測節點功耗延長節點壽命及節點輕量化等工作上.