深大基坑无线自动化监测系统的开发应用∗

何宏盛梁 超童立元张国柱何兵兵朱世豪(.中铁四局集团有限公司,007,合肥;.东南大学岩土所,0096,南京; .合肥优尔电子科技有限公司,0088,合肥;.金陵中学,0096,南京∥第一作者,高级工程师)



深大基坑无线自动化监测系统的开发应用∗

何宏盛1梁 超1童立元2张国柱2何兵兵3朱世豪4
(1.中铁四局集团有限公司,230071,合肥;2.东南大学岩土所,210096,南京; 3.合肥优尔电子科技有限公司,230088,合肥;4.金陵中学,210096,南京∥第一作者,高级工程师)

摘 要深大基坑无线监测系统为基坑监测提供实时、精确、连续的数据,预测基坑变形趋势,为基坑安全顺利施工提供保障。该系统由自动监测传感器、无线数据采集器、中继器、基站和用户服务平台组成。选择适用于深大基坑变形、受力和地下水位监测的传感器,并开发与传感器数字信号接口相匹配的自组网通信模块,采用基于IEEE(电气和电子工程师协会)批准通过的802.15.4无线标准的ZigBee(低功耗局域网协议)无线传输技术。用户服务平台采用SOA(面向服务的体系结构)架构,基于J2EE平台和B/S(浏览器/服务器)多层体系架构,分为展示层、应用层、平台层、数据层和数据接口层。应用服务平台提供基坑模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出和综合管理等应用功能。

关键词深大基坑;自动监测;无线传输;智能化预警

∗中国中铁科学研究项目(2014-重点-12);江苏省交通科学研究项目(2011Y14-1)

First-author′s address China Railway NO.4 Engineering Group Co.,Ltd.,230071,Hefei,China

近年来,高层建筑和地铁工程迅速发展,深大基坑工程数量越来越多,建设规模越来越大,而且修建的环境也越来越复杂。基坑开挖和降水所造成的安全问题是基坑工程施工成败的关键。由于基坑工程具有复杂性、非线性、不确定性等特点,目前还不能找到一个系统的、可靠的方法来判定基坑安全状况,因此基坑监测是预防基坑安全事故发生的重要手段。

目前基坑工程监测包括人工监测和有线自动监测[1-4]。一般人工监测耗费巨大,精度低,监测数据不连续,导致对突发情况的反应、处理以及预警能力大大下降。有线网络监测系统在数据采集方式上有所改进,降低了人工成本,但需要铺设大量的长距离线路以保障电源与信号的传递,基坑工程周边施工环境非常复杂,容易对导线造成破坏;有线传感装置不可能大面积、大密度安装,进而漏报、误报现象同样严重。

随着新的监测设备、传感器的开发和应用,以及计算机工业化技术水平的日益提高,利用物联网技术,研究开发具有自动化数据采集、无线数据传输、传感器自由组网、远程化智能控制为一体的深大基坑监测系统,为深大基坑的监测提供实时、精确、连续的数据,预测基坑变形趋势,建立科学的预警机制,评判基坑的安全状态,以保障基坑安全顺利施工。

1　系统工作原理

深大基坑无线自动化监测系统由自动化数据采集系统、无线远程传输系统、用户服务平台组成,其中应用服务平台包括了数据分析处理系统、智能化预警系统和管理中心等子系统。自动化数据采集系统由传感器、数据采集装置和短距离无线发射、接收装置等组成,可实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理,短距离无线传输和远程控制;无线远程传输系统由基站、远程无线传输装置和服务器组成,实现监测数据的远程自动传输、下载和存储。可采取WCDMA(宽带移动通信系统)方式和移动互联网支持等方式进行远程数据传输,并通过公网宽带接入系统服务器;数据分析处理系统实现对监测数据分析和处理,引入智能非线性预测方法,预测监测数据的发展趋势,将分析结果以图形和报表等多种方式输出;智能化预警系统依据设定的预警值,对监测数据进行分析判断,并做出相应的预警指示。为便于现场管理,直观反映预警点的位置,建立基坑三维仿真模型,用不同的声音及颜色将预警情况在三维仿真模型中直观体现,同时将预警信息通过实时手机预警短信服务平台发送给相应负责人;系统管理中心对系统进行综合管理,包括用户管理、基础信息设置、测点及检测内容配置、数据管理、运行管理等,确保系统运行安全和数据安全。

相对传统基坑自动化监测系统而言,无线深大基坑监测系统具有如下优势[4]:

(1)无线通信。传感器节点采用无线连接、无线铺设电缆,给安装带来了便利,节省了电缆的使用,避免了基坑工程施工对电缆造成破坏,确保了监测系统的安全性和稳定性。

(2)大规模网络。ZigBee(低功耗局域网协议)技术最大几点数可达65 000个,可以进行大规模布点。

(3)可扩展性。传感器节点可以根据施工进展随机布置,节点自动配置管理,形成多级无线网络。因此,根据基坑工作状态,可任意加入新的监测测点,具有良好的可扩展性,当某个节点故障时,其他节点自动寻找新的传输路径,不影响整个网络的正常工作。

(4)实现数据的预处理。传感器节点具有微处理器和存储器,可对原始数据进行处理,剔除大量无效数据,大大减少需无线传输的数据量。

2　基坑工程监测内容

为了便于研发传感器无线接口,根据传感器数据采集信号类型,对基坑监测内容进行分类,由GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》可知,基坑监测内容可分为变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测等四大类,其中变形监测包括对围护结构顶部水平位移、立柱竖向位移、坑底隆起、土体分层竖向位移、深层水平位移、周边地表位移、周边建筑位移和管线变形等的监测。内力监测包括对支护结构内力、围护墙侧向土压力和孔隙水压力等的监测;裂缝监测包括对基坑周边地表和建筑裂缝等的监测。

2.1变形监测

基坑工程变形监测涉及众多监测内容,根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备。

2.1.1自动化全站仪

随着自动目标识别全站仪的问世,推动了土木工程位移自动化监测的快速发展。自动化全站仪具有无人值守、连续自动化监测、测量周期短和测量精度高等特点,目前已用于边坡工程、水利大坝、基坑工程和隧道工程等工程的位移监测[5-6]。

基坑工程周边施工环境复杂,相对于边坡工程、水利大坝和隧道工程而言,基坑工程的监测工期短,要求自动化全站仪便于现场安装和迁移。现有的自动化全站仪通过通信电缆与控制机房进行连接,移动和增设布点非常不便。为了克服现有自动化全站仪的不足,研发无线数据采集器,替代传统通信电缆。带有无线数据采集器的自动化全站仪如图1所示。

图1　智能无线自动化全站仪

自动化全站仪的测量范围为1 000 m,1 000 m处的定位精度为±1 mm;测量时间为3～4 s。可用于基坑围护结构顶部水平位移、立柱竖向位移、坑底隆起、周边地表位移、周边建筑位移和管线变形等的监测。根据基坑规模确定自动化全站仪的数量和布设位置。

2.1.2固定式测斜仪

利用固定式测试仪监测围护结构和土体的深层水平位移。固定式测斜仪由测斜管、测斜探头、无线数据采集器组成。不同深度处的测斜探头通过钢导线进行串联连接。无线数据采集器将现场采集到的数据以无线通信的方式传输到基站(现场无线数据采集中心)。测斜探头应分散布置,重点监测相邻支撑之间的围护结构和土体水平位移。固定式测试仪器如图2所示。

图2　固定式测斜仪

2.1.3土体内部位移监测

利用沉降计监测土体内部位移。沉降计由位移计、锚头、法兰沉降盘、测杆等部件组成。适用于测量锚头与沉降盘之间土体的变形位移,可进行长期监测和自动化测量。其锚头设置在相对不动点(基岩),沉降盘设置在监测高程,导线从侧面引出。当地基下沉时,沉降盘与地基同步下沉,使传感器的活动导磁体在其磁通感应线圈内发生相对滑移,通过无线数据采集仪读取位移量,并无线传输至基站。

2.2内力监测

基坑工程内力监测包括对支护结构内力、围护墙侧向土压力和孔隙水压力等的监测。为了实现对上述监测项目的无线自动化监测,分别开发轴力计、钢筋计、土压力计和孔隙水压力计等传感器的无线数据采集器,用于数据自动化采集和无线传输。

2.3裂缝监测

利用裂缝计对建筑裂缝进行定量化监测。国外学者已开发出用于裂缝监测的无线裂缝计[7],无线裂缝计如图3所示。可在现场有裂缝分布的地方进行灵活布置,测点可增设。

图3　无线裂缝计[6]

2.4水位监测

电压式水位计,由传感器主体、安装套筒、水工电缆线等部件组成。适用于测量各种环境下水位的变化,可以直接进行数据自动采集。实际应用中由于大气压的变化会影响测量结果,选取的高智能水位计搭配气压补偿计一起使用,以弥补大气压对测量结果的影响,提高测量精度。

3　系统组网设计

3.1网络拓扑

利用前文描述的既有测量仪器(如自动全站仪、固定测斜仪、沉降计、轴力计、钢筋计、土压力计、孔隙水压力计和水位计等)的数字接口和通信协议,在每个仪器上加装自组网通信模块,并分别与现场中继器逐一配置,形成一对多点的分布式无线通信网,系统能够定时或随机采集测量仪器监测的实时数据。通过在监测现场搭建无线自组网,实现测点数据自动采集。自组网按照工地面积大小和地理特征,划分为一个或若干采集区域,可呈线性分布或蜂窝分布。每个采集区域以中继器为中心,其覆盖半径不小于1 km(城市楼宇林立地区小于该指标),采集终端不少于100个测点。测点采集器具有休眠和后台唤醒功能,能够通过现场配置或数据管理端预先加载接口协议,实时执行后台采集和发送指令,中继器通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。网络拓扑示意图如图4所示。

3.2局部无线自组网

目前,常用的无线自组网通信技术主要有蓝牙(IEEE 802.15.1)、超宽带技术(IEEE 802.15.3)、WiFi(无线局域网)(IEEE 802.11a/b/g)和ZigBee (IEEE 802.15.4)等。

图4　监测系统网络拓扑图

深大基坑工程具有监测内容多、监测测点多、测点布置分散、数据采集频率低、对组网能力要求高等特点。文献[8]从传输频率、传输速率、组网方式、最大节点数等多个方面对4个通信协议进行了比较分析。ZigBee技术是一种适合局部环境应用的,低功耗、低数据速率的双向无线通信技术[9-11],非常适合深大基坑现场监测。

基坑监测系统中的传感器通过无线数据采集器自动采集和传输数据,数据采集器内置Zig Bee嵌入式模块,将测点传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往中继器,数据收发的速率可以达到1 Mbit/s。传输采用2.4 GHz频段,符合IEEE 802. 15.4无线协议,为基坑现场构建无线数据采集网络提供一个稳定可行的组网方案。

4　系统服务平台及应用

4.1系统服务平台开发

应用服务平台采用SOA(面向服务的体系结构)架构,基于J2EE平台和B/S(浏览器/服务器)多层体系架构,分为展示层、应用层、平台层、数据层和数据接口层。通过各层次组件间服务的承载关系,实现系统功能。系统构架如图5所示。

应用服务平台提供基坑模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能,平台包括分析处理系统、智能化预警系统和系统管理中心等子系统。

展示层包括界面表示层和界面控制层。其中,界面表示层负责业务数据收集、数据展示和客户端数据校验,采用功能强大的JQuery前端展现框架,构建操作简洁、直观、使用方便的操作界面。另外灵活运用采用Active X图形控件、3D图形控件、Office控件以及AJAX页面数据刷新技术,提供最佳数据展现和用户体验。提供实时曲线和历史分析曲线显示,提供强大的图形统计分析与报表相关功能,可根据模板在线生成各种报表,可实现对统计分析图形及数据的导出。界面控制层响应表示层的请求、调用业务逻辑组件、对象集的转换、生成界面显示内容、维护用户对话关系使用,界面控制层采用MVC(模型-视图-控制器)框架技术,通过Struts、Servlet等技术实现。

图5　基坑无线监测系统构架

应用层包括业务逻辑层和业务服务层。业务逻辑层执行逻辑计算、完成业务功能逻辑,提供基坑模型管理、进度管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表生成、综合管理等应用功能。业务服务层实现基坑监测模型、数据解算及分析、预警反馈等基础服务。

数据层包括数据持久层、数据处理服务层和数据接收服务接口。数据持久层采用使用Hibernate O/R mapping框架;数据库服务层采用Oracle 9i以上数据库存储持久化数据。数据接收服务接口利用高性能的完全端口编程,可满足多个采集终端同时数据接入要求。数据存储与处理不仅提供接收实时数据的存储,而且还定期对实时数据进行汇总,满足统计分析要求。

4.2系统应用

郑州某地铁车站为双层三跨明挖双岛四线车站,车站主体采用桩基围护后明挖法施工。车站主体结构全长505.8 m,标准段宽41.7 m,最大开挖深度为22 m。基坑围护结构采用Φ1 200@1 400钻孔灌注桩+桩间旋喷桩止水的型式,围护结构顶设置1 200 mm×1 200 mm冠梁。基坑内设置内支撑体系,竖向设4道内支撑和1道倒换支撑,第一道支撑为800 mm×800 mm的混凝土支撑,第三、四道支撑为1 000 mm×1 000 mm的混凝土支撑,混凝土支撑水平间距约5.5 m;第二道支撑及倒撑为Φ800 mm,t=16 mm钢管支撑,水平间距约为3.5 m。

现场布置了2个无线监测断面,布设了2组采集箱、1组无线中继、7组无线采集器、2组电源盒,安装了18个钢筋计、6个测斜仪、6个单点沉降计和6个水位计。测点3D展示图如6所示。数据分析和预警界面如图7和图8所示。

图6　监测测点3D展示图

图7　监测数据分析界面

图8　监测数据预警界面

5　结论

(1)深大基坑无线监测系统由自动监测传感器、无线数据采集器、中继器、基站和用户服务平台组成,采用基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准的ZigBee无线传输技术。深大基坑无线监测技术具有布置灵活、网络扩展能力强和数据预处理功能,非常适宜具有随机特性的基坑工程监测。

(2)优选了满足GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》要求的变形、受力、裂缝和地下水位监测的自动监测传感器,并研发了与各传感器数据采集信号相匹配的无线数据采集器,可实现采集数据的无线传输,以及传感器工作状态的远程控制。

(3)开发了能够提供基坑模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能的应用服务平台。

参考文献

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Development and Application of Wireless Automatic Monitoring System for Deep and Large Foundation Pit

He Hongsheng,Liang Chao,Tong Liyuan,Zhang Guozhu, He Bingbing,Zhu Shihao

AbstractWireless automatic monitoring system for deep foundation pit can provite real-time,accurate and continuous data,which are used to predict the deformation trend and ensure the safety of foundation pit construction.This system for deep foundation pit consists of automatic monitoring sensor,wireless data collector,repeater,base station and user service platform.Suitable automatic monitoring sensors are chosen for monitoring the deformation, stress,crack and ground water level,and the wireless data collectors are developed for automactic monitioring sensors based on the digital signal characteristics of the sensors. The ZiGBee wireless transmission technology based on IEEE approved 802.15.4 wireless standards is used for wireless transmission data monitoring.While the user service platform adopts the SOA architecture,it is based on the J2EE platform and B/S multilayer architecture,it constists of the presentation layer,application layer,platform layer,data layer and the data interface layer.User service platform provides the management of foundation pit model management,data analysis,safety assessment and early warning feedback,curve and report output,comprehensive management,and other applications.

Key wordsdeep and large foundation pit;automatic monitoring;wireless transmission;intelligent warning

(收稿日期:2014-04-22)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.018

中图分类号TU 433