自動化監測系統在深基坑監測中的可靠性分析

李軍偉

（湖南省工程勘察院，湖南 婁底 417000）

隨著我國自動化監控系統的相關技術逐步發展和完善，自動化監控系統已經在我國大部分的深基坑監控項目中獲得了越來越廣泛的應用。這種自動化的監測系統可以有效克服基坑監測中的各種不良因素，可以高效穩定地對其進行實時地監測。比手動化的測量工作具有極其巨大的優點。然而，目前我國基坑工程自動化監控的管理規范還很不明確，對于深水區的基坑工程監控則缺少一套相關指導與執行標準。因此，通過實踐和應用研究分析來論證一套自動化監控系統對深部基坑監控工程中的安全可靠性是十分必要和積極的。

1 深基坑的概述

深基坑施工非常常見，主要是指施工深度在5m或5m以上，或者雖然深度未達到5m但是施工環境極為復雜的工程。由于環境的復雜性，因此在發展過程中必然會遇到深基坑施工。

施工質量和深基坑施工安全性直接影響施工效果。因此，有必要加強對深基坑工程的安全監測和項目管理，促進環境中深基坑工程的施工，避免發生安全相關的緊急情況，并有效改善深基坑工程設計的質量和水平[1]。

2 深基坑自動化監測的分類與方向

2.1 深基坑自動化監測的構成要素

深基坑自動監測系統大體上可分為3個部分：即數據處理與發布、數據采集、分析系統等，其中數據采集部分還可詳細分為自動全站儀采集、數字控制2個系統。自動全站儀借助采集與測量機器人，監測基坑施工區域的水平位移和垂直位移情況，同時對所監測到的數據信息進行有效采集。現階段，我國的大部分工程施工所用的檢測站使用的是“全站儀軟件+4D”的監控測量，這種監測站體現出了強大的數據收集功能，同時還配有特殊的數據信息收集箱，在監測軟件的輔助下，從基坑收集到的區域水平位移相關信息，將獲取到的信息轉發至數據庫，有效地保證了基坑監測數據處理中心與前端觀測站能夠同時進行測量。

2.2 基坑支護體系自動化監測體系研究

基坑工程如果變形過大或者失穩，會導致周邊環境和設施的沉陷、開裂、破壞，造成非常嚴重的問題。為保證基坑的穩定，基坑工程需進行必要的監測工作。傳統的監測為人工監測，工作量大，數據不穩定，報警不及時。基坑自動化監測可解決傳統監測問題。

基坑支護系統作為對深基坑進行工程暫時性保護的重要措施，其所采取的是利用密集點式和分布式的光纖傳感器技術，來對深基坑進行自動化系統的監測。一般而言，基坑的支護工程就是由于地面上部向下打開一個區域的地下空間，然后在較深基坑四周建立一個豎向的擋土圍護結構，用于支撐區域的空間結構與對保護較深的基坑進行工程操作。圍護結構通常指的是在開挖平面基礎下方或帶有一定的插入范圍深度的鋼筋板（樁）砌筑墻。板（樁）砌筑墻體主要采用懸臂、單撐、多跨或不連續的方法。支撐結構主要是為了盡量減小圍護結構發生的變形，控制圍護墻體的轉角和彎矩；它被劃分為主要的內撐和外錨。

2.3 光綏傳感自動化監測的進步創新

深基坑監控技術是利用光纖傳感器信號的靈敏度和精確性，對深基坑工程中可能會出現的各種這類問題做好數據采集與反饋，在目前我國工程施工應用中已經初步發展形成了相當大的范圍。然而在技術的核心上仍然有可能還是存在著深基坑光纖材料的性能和穩定性缺陷、精度和準確率仍然會有誤差等方面的問題，這些都需要我們在實際深基坑工程的應用中獲取更多的理論和實踐，用于形成有關的數據，進行技術上的優化。

2.4 監測數據可視化處理的技術特點

監控分析數據的采集可視化分析技術的迅速出現和不斷發展，在很大程度上已經改善了由于我國目前現有的傳統監控分析手段僅僅是能夠直接形成簡單的監控數據分析表格和其他的發展趨勢曲線。它指的是一個一種可以把獨立多個監測點（孔）之間因子進行相互變換串聯，構建多個監測點（或孔洞）的不受平面、空間、時刻、工況等各種不同綜合因素影響監測因子的新型五維雙向變換立體監測模型。這種工程監控分析方式更加直觀地準確揭露了深圳淺基坑一期工程的項目總體發展運營及其總體建設發展狀態，也有效率地克服了由于目前傳統的人工信息監控所使用導致的各類建筑監控工程信息的數據碎片化、零散性等技術缺陷，有效地大大提高了各類工程監控數據信息采集和處理分析的監控技術水平及運營管理效率，為推進深基坑一期工程項目的總體建設及其發展運營提供了堅實的技術根基。深層探測基坑內部隧道自動化探測監控的技術分類和發展方向。

3 監控系統自動化的監控系統

自動化監測系統中的數據收集系統其功能主要是收集有關深基坑深水平位移的數據和有關深基坑地下水水位的數據，隨后將所有收集的數據及時傳輸到數據庫，以便監測站和數據處理中心可以同時監測深基坑。自動化監控系統的數據分析自動化監控系統基本上是通過組織、分類、處理和計算所有采集到的數據，然后把所有被處理的數據都存儲在一個數據庫中。結果報告系統的功能主要有：數據庫查詢、視頻資料管理、分析和統計以及風險預警和預測。結果報告系統的數據查詢功能可以調出數據庫中的相關數據，以及實時查詢和計算深基坑的監測數據。其他功能在深基坑現場的安全監測和管理中也起著重要作用[2]。

在電子信息技術的輔助下，深基坑監測數據反饋更加準時。另外自動監測系統還具備預警功能，通過設計SOA架構，達到深基坑在線監測系統對監測成果的發布與預警，具體包含了在線數據分析與在線數據查詢，以及報警設置，以掌握監測點全部數據，工作人員可預先設置報警閾值，當自動化監測系統采集到的數據接近報警閾值，系統會自動發出危險警報，提醒工作人員及時處理工程施工中深基坑出現的問題，最大限度地控制風險。

當前，隨著我國區域經濟發展的加快速度和人民生活質量水平不斷穩步提高，基坑工程建設及其施工工程項目的建設數量也在不斷擴大，面積和深度也在增加，施工的復雜性也在增加。在深基坑的施工中，監測深基坑的安全非常重要。

4 自動化監測系統在深基坑監測中的可靠性分析

4.1 全站儀自動化監測系統的精度分析

自動化監控系統采用trimble監控點s8全站儀，該全站儀現在已經安裝在所需要的觀察臺上，并且采用極坐標法的全圓觀察法進行單測站。要想準確地分析一個監測點整體精度，需要對平面進行整體精度的分析。將該儀器安裝在所需要的觀察臺上，可以完全忽略調節誤差。假設原點為o，觀察點p，測水平角為s，垂直角β和傾斜的距離為s，從中我們可以通過計算得出需要進行測量的p點的3d坐標。計算公式（1）如下：

Xp=S cosα cosβ

圖1 自動化監測系統圖

Yp=S sinα cosβ

Zp=S sinβ

根據公式（1)，假定水平距離OP為監測點D監測點=S cosβ，找到觀測值α、β、S的全微分并將其轉換為中誤差。

通過進行matlabc的編程，對監控全站儀器和測量管理系統的各個精度因素進行了統計分析，研究其中的精度平面測量精度和垂直高程測量精度、豎直測量角度因素值以及其中的邊長測量角度因素值之間的相互關系。

4.2 基于尺度變形的可靠性分析

由于監測基坑的水和周圍環境沒有可能發生重大的氣候變化，我們僅僅可以直接確定兩次自動測量的整個過程：中所有兩個測量點都絕對是穩定的，則這兩點之間的絕對測量距離也是絕對相等的。選取4個主要監控測量點的中心坐標，兩兩進行分析計算各個監控測量點之間的絕對精度距離誤差值，分析驗證監控系統自動化的可靠度。

通過人工計算數據分析測量結果顯示，自動化人工監控的數據測量處理數據系統和采用傳統人工遠程監控的數據測量處理數據之間與互相比的測量差異很大，而且其數據變化變動幅度較小，測量的處理數據也相對比較穩定，這就充分說明了采用自動化人工監控的數據測量處理數據系統具備了安全足夠的測量準確性和可靠。

5 自動化監測系統深基坑監測實例

自動化監測系統在基坑監測中的應用，可將測量工作人員從繁重的工作中解脫出來，實現了深基坑監測的高精度、自動化，與此同時也將深基坑監測的時效性提升了一大截，更有利于將基坑變形預測、數據監測分析、信息反饋等功能集合于一體。在現代工程施工中可以準確地提供基坑監測相關信息[3]。本文選用的監測系統在深基坑監測作業中更加便捷，監測前可設置5個監測基準點，監測位置選用增設保護罩的螺絲基座加小棱鏡，工程施工中基坑變化情況自動化監測與自動化數據處理，這種作業方式在大大縮減了工作量的同時，也可以對監測點進行保護，此種監測手段也可以作為在測斜管遭到破壞后的一種備用方式，深基坑自動監測系統使測量機器人的自動監測從操作環境簡單區域向復雜環境監測中轉變[4]。

在某工程施工項目的深基坑監測中采用該自動化監測系統，該項目位于人口稠密的地區，環境復雜，傳統的手動監測很困難。自動化監測系統安裝在施工項目的頂部，根據需要建造一個監測臺，可防止建筑環境阻擋棱鏡。監測點L形棱鏡位于凹坑頂部，作為觀察點。測量點之間的距離約為15m，總共有20個。經過連續30期監測得出結果。

可以通過計算得出p控制點的平面精度，并且不可能超過±0.8471監測點mm。計算結果表明，在野外觀察條件下，平面控制的觀察精度要比二次變形時控制位移所需要優越，觀察中心誤差約為±3.0。手動測量結果的點差較大，相鄰點之間的偏移差大于自動測量的點差。最大偏移量1.5毫米。自動檢測數據波動很小。手動測量的頻率波動更加明顯，并且所測數據的精度和穩定性都遠遠低于傳統自動檢測的精度。經過相應的比較和分析，我們可以得出結論，在進行監控水平位移時，自動檢測的穩定度要比傳統的手動檢測具有更高的穩定度。因此，自動可靠度控制條件下的各種需要都是可以滿足的要求。

6 在深基坑監測中使用自動化監測系統的策略研究

（1）構建和改進用于自動監測深基坑的集成管理平臺：集成管理平臺可以遠程監測深基坑工程的各種參數和數據，例如應力、坡度、位移、水位、軸向力等，以收集有關實時動態預警和自動警報處理以及項目安全的項目數據，最后生成具有查詢功能的監測數據報告，從而節省在深基坑設計的成本，提高了工作效率和管理水平，并有助于有效改善深基坑的技術和水平監測[5]。

（2）部署自動監測點：在監測深基坑工程時，可以結合深基坑的特殊情況使用自動化監測系統，并可以設置多個監測點來監測深層水平位移并控制深基坑中的地下水位。并將所有收集的數據傳輸到數據庫管理中心。使用自動化監測系統收集深基坑監測數據可以完全保留所有原始收集的數據，從而有效地提高了監測數據的可靠性。

（3）通過深基坑監測自動處理數據：自動處理通常使用Trimble4D軟件，該軟件可以自動更正收集到的數據中的一些嚴重錯誤，然后更正。同時，在采集監測資料時，應該使用自動化監測系統將所有監測資料進行了自動分類與組織，并對各個階段所有采集到的監測資料都進行了預處理，提高了監測資料自動化處理的工作效率和數據采集質量。

（4）發布監測數據：監測數據的在線發布是自動化監測系統的重要功能，可以提供在線預警，還可以發布包含動態數據的地圖或可視化地圖，以確保深基坑的安全施工。

7 結語

為了有效地提高深基坑各種工程監測的工作效率，采用自動化監測管理系統進行數據采集，分析，處理和發布深深基坑各種工程監測數據的結果，其安全和可靠性都是為了滿足實際工程監測的要求，并且可以有效地提高工程監測質量，保證深基坑的施工安全。