自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用

2019-02-27赵尘衍刘全海谢友鹏张洋

城市勘测 2019年1期

关键词：监测点基坑成果

赵尘衍，刘全海，谢友鹏，张洋

(1.常州市测绘院，江苏常州 213003； 2.常州市地理信息智能技术中心，江苏常州 213003)

1 引言

地铁基坑工程变形监测工作贯穿了施工的全过程，是保障工程安全施工的重要措施之一。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、围护结构体水平位移、支撑轴力以及地下水位等[1]。

传统的人工监测方式存在监测效率较低，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。监测信息的滞后易导致无法及时调整设计及施工，对工程造成一定的安全隐患[2]。

为了满足实时监测的需求，提高地铁基坑施工变形监测工作的信息化程度，对监测数据进行及时、充分地利用，针对自动化监测手段进行研究，研发集多项监测项目数据采集、传输、处理及发布为一体的地铁基坑自动化变形监测系统。有效降低人为干预造成的错误，及时得到可靠的变形监测成果并进行发布、预警，为地铁基坑安全施工提供数据保障。

2 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、现场控制箱以及远程数据中心三个部分组成，如图1所示。

使用高精度的测量机器人以及固定式测斜仪、钢筋计、轴力计、水压力计等监测用传感器作为数据采集设备。

将现场控制箱安放在地铁基坑不受施工影响的区域。控制箱中集成了工控机、传感器数据采集仪、数据传输模块以及电源等设备。

为确保数据传输的稳定性，将测量机器人与工控机采用有线方式进行连接，各类型传感器同样采用有线方式与传感器数据采集仪对应端口相连接。

图1 硬件系统

工控机与传感器数据采集仪均与数据传输模块相连接，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，进行进一步的数据处理、分析与发布等工作。

3 软件系统

根据实际的监测需求，开发了“常州轨道交通工程自动化监测系统”，软件系统主界面如图2所示。

图2 “常州轨道交通工程自动化监测系统”主界面

系统集成了三维位移监测、深层水平位移监测、支撑轴力监测、地下水位监测等功能，并将所有监测数据分项目进行管理。

在现场进行设备安装调试时，可在系统中对各项测量参数进行设置，并测试数据采集是否正常。在进行日常的自动化监测工作时，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，进行进一步的处理及入库工作。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，如图3所示。

图3 数据发布系统界面

4 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，长 219.7 m，宽 26.5 m，站中心底板埋深 25.5 m，为2号线与6号线节点换乘站。主体基坑采用地下连续墙围护，设6道支撑。在该站重点监测部位实施自动化监测工作，监测项目包括基坑墙顶竖向与水平位移、基坑墙体深层水平位移、支撑轴力、地下水位等。

4.1 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、水平位移采集工作。

图4 测量机器人与配套棱镜

基坑墙顶竖向、水平位移监测共用同一个监测点，将徕卡圆棱镜通过固定连接杆安装在各监测点位上，并将镜面旋转朝向测站方向。

在基坑施工现场强制观测墩上安放测量机器人，并通过数据线与计算机连接，进行调试工作。在计算机上运行“常州轨道交通工程自动化监测系统”，选择三维位移监测功能。首先设置好测站坐标，完成定向工作。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，确保各监测点位可通视并可正常观测。最后设置好测量周期，将测量信息配置文件导出至现场控制箱中的工控机中，供自动测量使用。

现场调试完成后将测量机器人与工控机连接。为了确保测量的稳定性，在工控机中发布占用资源较少的测量服务。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，并与各点位初始平面坐标及高程值进行对比，计算得到每期各监测点位的竖向与水平方向变形值，绘制变形过程线，如图5所示。

图5 墙顶位移监测点竖向与水平方向变形过程线

4.2 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。待地连墙混凝土浇筑完成后对测斜管进行检查，确保管内通畅、平顺。

在每个测斜管中按照2 m间隔布设固定式测斜仪，固定式测斜仪之间使用固定连接杆进行连接，如图6所示。

依次进行各固定式测斜仪的安装与下放工作，直至所有固定式测斜仪安装到指定位置，将通信线缆统一由测斜管管口引出，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，进行周期性的自动化数据采集工作。

图6 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F0。当基坑地连墙墙体发生变形时，会使变形部位的测斜管产生弯曲，对应位置处的固定式测斜仪姿态发生变化。采集到各监测点位处所有传感器数据后，将各深度位置处传感器读数Fi与各自的初始值进行对比，再根据各固定式测斜仪的标定系数K，计算得到各传感器倾角变化量△θ：

△θ=K(Fi-F0)/3600

(1)

根据固定式测斜仪的固定长度L(mm)，可求出对应的水平位移量△d(mm)：

(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，最后以管底为基准，计算各深度位置处累计水平位移量D(mm)：

D=∑△d

(3)

进而可绘制出基坑墙体深层水平位移曲线，如图7所示。

图7 基坑墙体深层水平位移曲线

4.3 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，并将传感器通信线缆引出进行测试，确保读数稳定后接入传感器数据采集仪，按照设定周期自动采集数据。

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Fi，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。

图8 支撑轴力自动化监测成果

4.4 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。当水压力计固定在水下某一测点时，该测点水压荷载作用在水压力计上，引起弹性膜板的变形并传递给钢弦，转变成钢弦应力的变化，从而改变钢弦的振动频率。电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至采集设备，即可测出该测点的水压值。由此计算出该测点水柱压力高度(1千帕=101.971毫米水柱)，并结合该测点高程，即可间接测出水位。

通过钻孔形式布设好水位管，测定管口至管内水面的深度。使用直径 1 mm的钢丝悬挂水压力计进行下放。将水压力计放置在管内水面以下 4 m～5 m位置处，保证水压力计始终位于水面以下。

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H0。

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的前提下可计算得到水面至水压力计的水深h(m)：

(6)

以传感器初始安装完成测得的水压力值P0作为初始值，计算得到的水深h0作为初始水深。将各期自动采集到的水深值hi与初始水深进行对比，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。

图9 地下水位自动化监测成果

4.5 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，在各基坑墙体深层水平位移、地下水位自动化监测点位附近 1 m范围内布设有传统人工监测点位。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。以人工监测成果作为真值，评价自动化监测成果的可靠性。

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。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，结果如表1、表2所示。

基坑墙顶竖向位移监测成果变化量对比表表1

基坑墙顶水平位移监测成果变化量对比表表2

基坑墙顶竖向位移人工监测采用的是几何水准测量方法，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，每期变化量差值在 1 mm内的数据条数占总数的85%，差值在 1 mm～2 mm范围内的数据条数占15%，无差值超过 2 mm的数据。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，每期变化量差值在 1 mm内的数据条数占总数的93.3%，差值在 1 mm～2 mm范围内的数据条数占6.7%，无差值超过 2 mm的数据。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。

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。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，如图10所示。