基于振弦式传感器的深基坑监测系统设计

徐志春，王 军

(1.中国电子科技集团公司 第五十二研究所，浙江 杭州310012;2.上海交通大学 图像通信与信息处理研究所，上海200240)

0 引 言

近年来，在地铁、大型场馆等建筑建设过程中，由于地质勘察不足、设计失误、施工缺陷、沟通不畅、不可抗力等诸多方面原因，国内外基坑施工过程中出现了不少事故，这些事故不仅导致重大的经济损失和人员伤亡、延误工期，同时也产生了不良的社会影响。为了能够及早地发现基坑施工中的各种风险，需要使用专业检测系统进行监测。通过监测基坑结构和周边建筑物及管线的状态监测，实时掌握基坑整体的竖直位移、水平形变、结构受力、土体水位等参量变化信息，实现对深基坑施工安全的自动化监测分析。

根据国家标准《建筑基坑工程监测技术规范》要求，基坑监测的项目包括基坑本体监测和相邻环境监测［1，2］。其中，基坑本体中包括围护桩墙、支持、锚杆、土钉、坑内立柱、坑内土层、地下水等;相邻环境中包括周围底层、地下管线、相邻建筑物、相邻道路等。

振弦传感器能够实现本体监测和相邻监测项目的应力测量［3，4］，钢筋计和土压力计都属于振弦传感器，钢筋计实现基坑内支撑轴力和钢筋应力监测，土压力盒实现土压力的监测。振弦式传感器是以内部金属弦作为敏感元件的频率型传感器，输出的频率信号随金属弦张力变化，具有抗干扰能力强、结构简单、坚固耐用的特点，广泛应用于建筑物基础、公路、桥梁、大坝、土木建筑物及地基内的受力、位移、微裂缝等测量［5］。

1 振弦传感器基本工作原理

振弦传感器由内部一根固定在两端的钢弦、紧固夹头、激振、接收线圈和外部支撑保护金属管构成，钢弦的固有振动频率和张力具有一定关系。温度变化也会对弦的张力产生影响，温度降低，张力增大;温度升高，张力减小。

钢筋计属于典型的振弦传感器。根据钢筋计的应力与频率之间的率定关系，由测得的钢筋计频率就可求得钢筋计的应力，再根据相关的理论公式推算出支撑轴力值［6］，支撑轴力按下式计算

式中 ε 为支撑轴力，kN;f1，f2为钢筋计初始频率、受力后的频率;Ks为钢筋计的标定系数(kN/Hz2);Ec，Ac分别为混凝土的弹性模量、断面面积(m2);Es，As分别为钢筋计的弹性模量、断面面积(m2);ΔT1，α 分别为传感器本身温度变化量、钢弦的热膨胀系数;ΔT2，β 分别为被测结构的温度变化量、被测结构的热膨胀系数。

传感器埋入被测结构或者和被测结构绑定安装，两者的温度最终趋于一致，即ΔT1=ΔT2=ΔT=T1－T0，应力受温度影响的修正量

其中，T1为传感器任一时刻温度观测值;T0为传感器初始时刻温度观测值。

实际测量中，Es，As，Ec，Ac，Ks，α，β 值为定值，令

将式(3)和式(4)代入式(1)，得到支撑轴力计算公式

式中 b 为传感器的温度修正系数，kN/℃;KR为传感器的标定系数，kN/Hz2。

出厂时，传感器的温度修正系数b 和标定系数KR已经确定，由式(5)可以看出:支撑轴力计算参数中唯一不确定的是选取的初始频率。工程中的初读数一般从改变工程施工环境(进入下一道施工程序)，钢筋计的载体开始受力的时刻起算，如洞室衬砌混凝土中钢筋计的初读数一般从模板拆除时算起，基坑的混凝土支撑从开挖时算起。

2 系统设计与实现

深基坑监测系统(foundation pit monitoring system，FPMS)包括系统硬件架构、通信和应用软件。振弦传感器布置在现场待测点，数据采集和传输设备安装在现场机柜内，应用和数据服务器、监控主机布置在远方监控室。整个系统的框架见图1。

2.1 传感器选型

传感器系统包括在线监测项和离线监测项。本系统的在线监测项主要是:钢筋应力、界面土压力、支撑轴力。这三项测试项目所采用的传感器都属于振弦式传感器。

图1 基坑监测系统硬件总体框架Fig 1 Overall framework of hardware of FPMS

2.2 数据采集与传输

从振弦传感器输出的信号是频率信号，根据式(5)所示，受到的应力和频率呈一定的关系。频率信号要转换成计算机能够处理的数字信号，就需要数据采集和处理设备。选用南京葛南公司生产的MCU—32 型分布式模块化自动测量单元，作为测量数据采集设备。

MCU—32 设备和主站之间通过自定义的规约完成通信，规约中规定了主站查询信息命令(info)、开始采集命令(Begin)、读取采集结果命令(Read)、重传命令(Old)及对MCU—32 参数设置等命令。

MCU—32 与主站之间通信通过无线GPRS DTU 完成，GPRS DTU 全称GPRS 数据传输单元，MCU—32 串口数据通过GPRS 网络进行透明传输，即直接将串口上的原始数据转换成TCP/IP 数据进行传送［7］。

要使DTU 能够正常工作，必须搭建网络环境，对DTU进行IP 地址映射，将公网的固定IP 地址映射到内网，并且配置端口、数据服务中心(DCS)连接类型、数据报投协议(DDP)。

根据基坑监测系统的硬件架构图，监控室内的数据服务器作为数据服务中心(DSC)，局域网是经过路由器网关代理上网，监控室具有固定的公网IP 地址(220.192.210.6)，将数据服务中心的端口映射到数据服务器上，如图2 所示。

2.3 深基坑监测软件设计

在软件建设上，共包括三大平台，基坑监测应用平台，数据接入管理平台及用户角色权限管理平台(RBAC)，三者相互协同，共同为深基坑施工安全智能化监测应用提供支撑。

2.3.1 数据接入管理平台

图2 深基坑监测系统网络环境搭建与DTU 配置图Fig 2 Network environment establishment and DTU configuration of FPMS

设备接入与数据处理平台关注传感网关或其代理软件模块的接入和对其所上报数据的接收，通过共性提取与抽象方法研发设计对感知数据(消息)包进行解析和存储的软件框架，以屏蔽感知数据协议(或格式)的多样性。

实现的功能包括:状态统计、负载均衡、统一消息数据接收和连接管理与数据包转发。

2.3.2 RBAC

RBAC 的基本思想是:授权给用户的访问权限，通常由用户在一个组织中担当的角色来确定。访问权限管理员在深基坑监测系统中，涉及到六方主体单位(监测方、建设方、施工方、设计方、监理方、勘察方)，对不同的相关方，具有不同的服务权限。

在软件平台上实现了用户角色权限管理，可以添加、修改、删除用户，对用户的访问权限进行设置，定义角色和权限列表控制，用户访问日志管理等功能。

2.3.3 基坑监测应用平台

基坑监测应用平台共包括六大功能:工程配置和管理、监测数据管理、预测预警管理与预处理管理、GIS 显示管理、报表管理(生成和导出)、实时数据监控。

3 工程实例

3.1 工程概况

浙江省建筑设计研究院办公大楼建设工地监测项目是浙江省公布的20 个智慧城市示范项目之一，属于物联网技术在“智慧安监”领域的应用。该工程周边环境复杂，基坑东侧隔绿化带为莫干山路，路下众多市政管线;基坑南侧为文二路，路下众多市政管线;基坑西侧为建科院1 幢6 ～7 层混合结构办公楼和1 幢7 层混合结构住宅楼，基坑边有雨水管和污水管线;基坑西北侧为石灰桥新村1 幢4 层住宅楼(埋深1.5 m 条基)，北侧为5 ～6 层瑞祺苑(混合结构建筑，钻孔灌注桩基础，基础埋深2 m)和24 层混凝土结构瑞祺大厦(进入基岩的钻孔灌注桩基础，一层地下室)。

基坑安全等级为1 级，基坑深度为14.45 m，电梯井局部深度约为16.9 m。基坑设计采用800 mm(1000 mm)厚地下连续墙+三道钢筋混凝土水平内支撑作为支挡结构，地下连续墙兼做止水帷幕。

现场共布置了5 只土压力盒、16 只钢筋计，其中的4 只钢筋计组成一组，测一个点的支撑轴力。剩下的12 只钢筋计监测钢筋所受的应力。

3.2 应变监测

深基坑监测现场布设好振弦传感器之后，在软件平台上需要配置传感器的类型、标定系数参数(KR)、初始频率值f、计算公式以及报警值等信息。支撑轴力计算公式参照式(5)。

图3 是监测点GN3 的钢筋应力变化曲线，采用周期是10 min，时间跨度是2014 年3 月10～2014 年4 月26 日。从图上可以看出:该监测点的应力总的趋势是呈增长趋势，和现场施工应力的变化趋势相一致。

图3 监测点GN3 的钢筋应力变化曲线Fig 3 Reinforcement stress change curve of monitoring point GN3

表1 是2014 年3 月18 日10 点20 分15 秒12 个监测点通过深基坑监测系统自动测量和手动测量的数据对比，从测量结果看，通过不同的测试方法，得到的误差在0.5%以下，满足测量对精度的要求。

表1 自动测量和手工测量对比表Tab 1 Comparison table of automatic measurement and manual measurement

4 结束语

本文设计的深基坑施工安全智能化监测系统具有传感器配置、数据输入、存储、编辑、显示、权限管理、报警、报表输出等功能，界面友好，易于更新维护。这种监测系统，针对深基坑地下工程而开发，监测系统能够显示基坑监测项目的原始资料信息，能够监控基坑施工的全过程，还可以实现结构安全预警报警，为全面掌握基坑的工作状态和性能提供科学依据。

［1］ 龚晓南.深基坑工程设计施工手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［2］ 陈忠汉，程丽萍.深基坑工程［M］.北京:机械工业出版社，1999.

［3］ 林怀志.深基坑围护结构的监测与施工［J］.福建建筑，2006(5):143－144.

［4］ 叶伟翔，郭平波，王永哲.深基坑工程安全监测方案设计［J］.山西建筑，2007(9):129－131.

［5］ 王忠保，岳 澄，孙建军，等.地铁隧道工程的应力监测［J］.实验力学，2003(1):104－107.

［6］ 张 勇.振弦式传感器的原理及校准方法［J］.计量技术，2008(6):54－56.

［7］ 孟 涛，董 亮，蔡良达.GPRS 技术在配电自动化远程控制系统中的应用［J］.微型电脑应用，2005(9):26－28.