自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用

２０１９年２月第１期
城㊀市㊀勘㊀测
ＵｒｂａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ
Ｆｅｂ.２０１９Ｎｏ.１
引文格式:赵尘衍ꎬ刘全海ꎬ谢友鹏等.自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用[Ｊ].城市勘测ꎬ２０１９(１):１９６－２００.文章编号:１６７２－８２６２(２０１９)０１－１９６－０５
中图分类号:ＴＵ１９６ １ꎬＰ２５８
文献标识码:Ｂ
自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用
赵尘衍１ꎬ２∗ꎬ刘全海１ꎬ２ꎬ谢友鹏１ꎬ２ꎬ张洋１ꎬ２
∗㊀收稿日期:２０１８ ０６ ０８
作者简介:赵尘衍(１９９０ )ꎬ男ꎬ硕士ꎬ助理工程师ꎬ主要从事轨道交通工程测量工作ꎮ
基金项目:精密工程与工业测量国家测绘地理信息局重点实验室开放基金资助项目(ＰＦ２０１７－１７)
(１ 常州市测绘院ꎬ江苏常州㊀２１３００３ꎻ㊀２ 常州市地理信息智能技术中心ꎬ江苏常州㊀２１３００３)
摘㊀要:将自动化监测技术应用在地铁基坑工程监测中ꎬ开发地铁基坑自动化变形监测系统ꎬ综合应用测量机器人与多类型传感器ꎬ实现对多个监测项目的数据实时采集㊁传输㊁处理及发布ꎮ结合工程实例ꎬ介绍了地铁基坑自动化变形监测工作的实施情况ꎮ自动化监测成果可真实反映地铁基坑变形情况ꎬ为地铁基坑安全施工提供可靠的保障ꎮ关键词:地铁基坑ꎻ自动化ꎻ变形监测ꎻ测量机器人ꎻ传感器
１㊀引㊀言
地铁基坑工程变形监测工作贯穿了施工的全过程ꎬ
是保障工程安全施工的重要措施之一ꎮ通常需要实施的监测项目包括:围护结构(边坡)顶部水平与竖向位移㊁围护结构体水平位移㊁支撑轴力以及地下水位等[１]ꎮ
传统的人工监测方式存在监测效率较低ꎬ受天气
影响无法进行全天候实时测量以及基坑安全风险信息反馈不及时等情况ꎮ监测信息的滞后易导致无法及时调整设计及施工ꎬ对工程造成一定的安全隐患[２]ꎮ
为了满足实时监测的需求ꎬ提高地铁基坑施工变
形监测工作的信息化程度ꎬ对监测数据进行及时㊁充分地利用ꎬ针对自动化监测手段进行研究ꎬ研发集多项监测项目数据采集㊁传输㊁处理及发布为一体的地铁基坑自动化变形监测系统ꎮ有效降低人为干预造成的错误ꎬ及时得到可靠的变形监测成果并进行发布㊁预警ꎬ为地铁基坑安全施工提供数据保障ꎮ
２㊀硬件系统
地铁基坑自动化变形监测系统的硬件系统主要由
数据采集设备㊁现场控制箱以及远程数据中心三个部分组成ꎬ如图１所示ꎮ
使用高精度的测量机器人以及固定式测斜仪㊁钢筋计㊁轴力计㊁水压力计等监测用传感器作为数据采集设备ꎮ
将现场控制箱安放在地铁基坑不受施工影响的区域ꎮ控制箱中集成了工控机㊁传感器数据采集仪㊁数据传输模块以及电源等设备ꎮ
为确保数据传输的稳定性ꎬ将测量机器人与工控机采用有线方式进行连接ꎬ
各类型传感器同样采用有
图１㊀硬件系统
线方式与传感器数据采集仪对应端口相连接ꎮ
工控机与传感器数据采集仪均与数据传输模块相连接ꎬ通过无线网实时将监测数据传送至远程数据中心的服务器ꎬ进行进一步的数据处理㊁分析与发布等工作ꎮ
３㊀软件系统
根据实际的监测需求ꎬ开发了 常州轨道交通工程
自动化监测系统 ꎬ软件系统主界面如图２所示
ꎮ
图２㊀ 常州轨道交通工程自动化监测系统 主界面
第１期赵尘衍等 自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用
系统集成了三维位移监测㊁深层水平位移监测㊁支撑轴力监测㊁地下水位监测等功能ꎬ并将所有监测数据分项目进行管理ꎮ
在现场进行设备安装调试时ꎬ可在系统中对各项测量参数进行设置ꎬ并测试数据采集是否正常ꎮ在进行日常的自动化监测工作时ꎬ软件系统可实时接收从施工现场远程传送回来的监测数据ꎬ进行进一步的处理及入库工作ꎮ同时将监测成果通过专用接口自动上传至 常州市轨道交通工程建设安全风险监控与管理信息系统 进行发布ꎬ如图３所示
ꎮ
图３㊀数据发布系统界面
４㊀应用实例
常州轨道交通２号线ＴＪ０６标紫云站为地下三层
车站ꎬ长２１９.７ｍꎬ宽２６.５ｍꎬ站中心底板埋深２５.５ｍꎬ为２号线与６号线节点换乘站ꎮ主体基坑采用地下连续墙围护ꎬ设６道支撑ꎮ在该站重点监测部位实施自动化监测工作ꎬ监测项目包括基坑墙顶竖向与水平位移㊁基坑墙体深层水平位移㊁支撑轴力㊁地下水位等ꎮ
４ １㊀基坑墙顶竖向与水平位移自动化监测使用如图４所示的徕卡ＴＳ５０测量机器人与配套
徕卡圆棱镜进行基坑墙顶位移监测点的竖向㊁水平位移采集工作
ꎮ
图４㊀测量机器人与配套棱镜
基坑墙顶竖向㊁水平位移监测共用同一个监测点ꎬ将徕卡圆棱镜通过固定连接杆安装在各监测点位上ꎬ并将镜面旋转朝向测站方向ꎮ
在基坑施工现场强制观测墩上安放测量机器人ꎬ并通过数据线与计算机连接ꎬ进行调试工作ꎮ在计算机上运行 常州轨道交通工程自动化监测系统 ꎬ选择三维位移监测功能ꎮ首先设置好测站坐标ꎬ完成定向工作ꎮ再控制测量机器人依次学习测量各监测点的方位并进行记录ꎬ确保各监测点位可通视并可正常观测ꎮ最后设置好测量周期ꎬ将测量信息配置文件导出至现场控制箱中的工控机中ꎬ供自动测量使用ꎮ
现场调试完成后将测量机器人与工控机连接ꎮ为了确保测量的稳定性ꎬ在工控机中发布占用资源较少的测量服务ꎮ在读取测量信息配置文件后控制测量机器人按照设定好的测量周期与流程依次测得各监测点的三维坐标ꎬ并与各点位初始平面坐标及高程值进行对比ꎬ计算得到每期各监测点位的竖向与水平方向变形值ꎬ绘制变形过程线ꎬ如图５所示
ꎮ
图５㊀墙顶位移监测点竖向与水平方向变形过程线
４ ２㊀基坑墙体深层水平位移自动化监测
基坑墙体深层水平位移自动化监测点位的布设采
用将测斜管与钢筋笼绑扎一同下放的方式进行ꎮ待地连墙混凝土浇筑完成后对测斜管进行检查ꎬ确保管内通畅㊁平顺ꎮ
在每个测斜管中按照２ｍ间隔布设固定式测斜仪ꎬ固定式测斜仪之间使用固定连接杆进行连接ꎬ如图
６所示ꎮ
依次进行各固定式测斜仪的安装与下放工作ꎬ直
至所有固定式测斜仪安装到指定位置ꎬ将通信线缆统
一由测斜管管口引出ꎬ并依次测试确保所有传感器均能稳定读数后将通信线缆接入传感器数据采集仪中ꎬ
７
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城㊀市㊀勘㊀测２０１９年２月
进行周期性的自动化数据采集工作
ꎮ
图６㊀固定式测斜仪布设
固定式测斜仪全部安装完成后记录下各自的初始
读数Ｆ０ꎮ当基坑地连墙墙体发生变形时ꎬ会使变形部位的测斜管产生弯曲ꎬ对应位置处的固定式测斜仪姿态发生变化ꎮ采集到各监测点位处所有传感器数据后ꎬ将各深度位置处传感器读数Ｆｉ与各自的初始值进行对比ꎬ再根据各固定式测斜仪的标定系数Ｋꎬ计算得到各传感器倾角变化量әθ:
әθ＝Ｋ(Ｆｉ－Ｆ０)/３６００(１)
根据固定式测斜仪的固定长度Ｌ(ｍｍ)ꎬ可求出对应的水平位移量әｄ(ｍｍ):
әｄ＝Ｌ ｓｉｎәθ１８０ πæèçö
ø
÷(２)
将两相邻传感器之间的间隔位置水平位移量进行
插值处理ꎬ最后以管底为基准ꎬ计算各深度位置处累计水平位移量Ｄ(ｍｍ):
Ｄ＝ðәｄ(３)
进而可绘制出基坑墙体深层水平位移曲线ꎬ如图
７所示
ꎮ
图７㊀基坑墙体深层水平位移曲线
４ ３㊀支撑轴力自动化监测
根据施工进度将钢支撑轴力计与砼支撑钢筋计安
装在指定的支撑位置处ꎬ并将传感器通信线缆引出进行测试ꎬ确保读数稳定后接入传感器数据采集仪ꎬ按照设定周期自动采集数据ꎮ
根据各传感器未施加应力时的初始读数Ｆ０与标
定系数Ｋ以及各期自动化采集到传感器读数Ｆｉꎬ即可计算出支撑轴力Ｐ(ｋＮ):
Ｐ＝１０００Ｋ(Ｆｉ－Ｆ０)
(４)
支撑轴力自动化监测成果如图８所示
ꎮ
图８㊀支撑轴力自动化监测成果
４ ４㊀地下水位自动化监测
地下水位自动化监测采用振弦式水压力计进行数
据采集ꎮ当水压力计固定在水下某一测点时ꎬ该测点水压荷载作用在水压力计上ꎬ引起弹性膜板的变形并传递给钢弦ꎬ转变成钢弦应力的变化ꎬ从而改变钢弦的振动频率ꎮ电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率ꎬ频率信号经电缆传输至采集设备ꎬ即可测出该测点的水压值ꎮ由此计算出该测点水柱压力高度(１千帕＝１０１ ９７１毫米水柱)ꎬ并结合该测点高程ꎬ即可间接测
出水位ꎮ
通过钻孔形式布设好水位管ꎬ测定管口至管内水面的深度ꎮ使用直径１ｍｍ的钢丝悬挂水压力计进行下放ꎮ将水压力计放置在管内水面以下４ｍ~５ｍ位置处ꎬ保证水压力计始终位于水面以下ꎮ
水压力计安装完成后使用传统水位计精确测定管内水位值Ｈ０ꎮ
根据水压力计未施加应力时的初始读数Ｆ０与标
定系数Ｋ以及各期自动化采集到的读数Ｆｉ计算得到水压力值Ｐ(ＭＰａ):
Ｐ＝１０００Ｋ(Ｆｉ－Ｆ０)
(５)
在已知水密度ρ和重力加速度ｇ的前提下可计算
８
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第１期赵尘衍等 自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用
得到水面至水压力计的水深ｈ(ｍ):
ｈ＝Ｐρ ｇ
(６)
以传感器初始安装完成测得的水压力值Ｐ０作为
初始值ꎬ计算得到的水深ｈ０作为初始水深ꎮ将各期自动采集到的水深值ｈｉ与初始水深进行对比ꎬ并顾及初始水位值Ｈ０可得各期水位监测成果Ｈｉ(ｍ):
Ｈｉ＝Ｈ０＋(ｈｉ－ｈ０)
(７)
地下水位自动化监测成果如图９所示
ꎮ
图９㊀地下水位自动化监测成果
４ ５㊀自动化监测成效
基坑墙顶竖向与水平位移自动化监测与人工监测
共用监测点位ꎬ在各基坑墙体深层水平位移㊁地下水位自动化监测点位附近１ｍ范围内布设有传统人工监测点位ꎮ在基坑开挖期间对以上自动化监测项目选取监测点与对应的人工监测点进行成果对比ꎮ以人工监测
成果作为真值ꎬ评价自动化监测成果的可靠性ꎮ
基坑墙顶竖向与水平位移人工监测每天进行一次数据采集ꎮ选取６个人工监测点位２０期的成果与同一观测时段的自动化监测成果进行变化量对比ꎬ结果如表１㊁表２所示ꎮ
基坑墙顶竖向位移监测成果变化量对比表㊀㊀㊀㊀㊀表１
竖向位移变化量差值范围
０ｍｍ~１ｍｍ
１ｍｍ~２ｍｍ
>２ｍｍ数据条数
１０２
１８
０
基坑墙顶水平位移监测成果变化量对比表㊀㊀㊀㊀㊀表２
水平位移变化量差值范围
０ｍｍ~１ｍｍ
１ｍｍ~２ｍｍ
>２ｍｍ数据条数
１１２
８
０
基坑墙顶竖向位移人工监测采用的是几何水准测量方法ꎬ与自动化监测采用的测量机器人三角高程测量方法得到的监测成果相比ꎬ每期变化量差值在１ｍｍ内的数据条数占总数的８５％ꎬ差值在１ｍｍ~２ｍｍ范围内的数据条数占１５％ꎬ无差值超过２ｍｍ的数据ꎮ基坑墙顶水平位移人工监测采用同等精度的测量机器人进行
观测ꎬ每期变化量差值在１ｍｍ内的数据条数占总数的
９３ ３％ꎬ差值在１ｍｍ~２ｍｍ范围内的数据条
数占６ ７％ꎬ无差值超过２ｍｍ的数据ꎮ各期基坑墙顶竖向与
水平位移自动化监测成果与人工监测成果相符合ꎮ
基坑墙体深层水平位移人工监测使用测斜仪每天进行一次数据采集ꎮ选取同一期６个人工监测点与对应的自动化测点监测成果进行对比ꎬ如图１０所示ꎮ
图１０㊀基坑墙体深层水平位移监测成果对比图
㊀㊀上图中实线表示的是各基坑墙体深层水平位移人工监测点变形情况ꎬ虚线表示的是对应的各自动化监测点变形情况ꎮ自动化监测反映出的点位变形趋势与
人工监测成果一致ꎬ可真实反映基坑墙体在水平方向上的变形情况ꎮ
地下水位人工监测使用水位计每天进行一次数据采集ꎮ选取６个人工监测点位２０期的成果与同一观测时段的自动化监测成果进行对比ꎬ结果如图１１所示ꎮ
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月
图１１㊀地下水位监测成果对比图
㊀㊀上图中实线表示的是各地下水位人工监测点的水位变化情况ꎬ虚线表示的是对应的各自动化监测点水位变化情况ꎮ自动化监测得到的水位值与人工测量得到的趋势一致ꎬ能可靠地反映地下水位的变化情况ꎮ紫云站主体基坑目前已完成所有的开挖及底板浇筑工作ꎬ在此期间自动化变形监测系统按照每小时一次的频率进行各项监测数据的采集㊁传输㊁处理并进行了及时发布ꎬ发现了多起地连墙墙体变形过大㊁支撑轴力值异常以及地下水位变化异常等情况ꎬ及时指导施工方查明原因并采取相应的处理措施ꎬ保障了基坑工程施工的顺利进行ꎮ
５㊀结㊀论
地铁基坑自动化变形监测系统可实现对地铁基坑工程多项重点监测项目的数据自动化采集㊁传输㊁处理以及发布ꎬ综合运用高精度的测量机器人及监测用传感器ꎬ有效减少人工成本且可实时获得准确的监测成果ꎬ为地铁基坑工程安全施工提供了可靠保障ꎮ
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ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｃＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
ｏｆＳｕｂｗａｙＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｉｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＺｈａｏＣｈｅｎｙａｎ１ꎬ２ꎬＬｉｕＱｕａｎｈａｉ１ꎬ２ꎬＸｉｅＹｏｕｐｅｎｇ１ꎬ２ꎬＺｈａｎｇＹａｎｇ１ꎬ２
(１ ＣｈａｎｇｚｈｏｕＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３００３ꎬＣｈｉｎａꎻ
２ ＣｈａｎｇｚｈｏｕＧｅｏｓｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３００３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔ.Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｕ￣ｔｏｍａｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔꎬａｎｄｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｃａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｏｂｏｔａｎｄｍｕｌｔｉ－ｔｙｐｅｓｅｎｓｏｒｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎꎬｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎꎬｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｔｅｍｓｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ.Ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔｃｏｍｂｉｎｅｄｅｎ￣ｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｓ.Ａｕｔｏｍａｔｉｃｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｃａｎｔｒｕｌｙｒｅｆｌｅｃｔｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓａｒｅｌｉａｂｌｅｇｕａｒａｎｔｅｅｆｏｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｕｂｗａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｐｉｔꎻａｕｔｏｍａｔｉｃꎻｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻｍｅａｓｕｒｉｎｇｒｏｂｏｔꎻｓｅｎｓｏｒ
００２。