深基坑沉降自动化监测系统的研究与应用

在实际操作过程中存在环境要求高、人工采集误差、数据处理难、数据连续性差等劣势。

1.深基坑沉降自动化监测解决方案

常见的监测方法有几何水准测量、GPS 测量和静力水准测量。GPS 测量造价昂贵且精度较低，针对几何水准测量方案中的问题，本文提出以静力水准仪为采集设备的沉降自动化监测系统方案，该方案中静力水准仪一次性现场安装完成后，由于其体积小且是通过压力传感的方式进行基坑沉降感知，对现场环境要求低；在监测周期内无须人员进行现场操作，降低了人员误差；通过静力水准仪数据自动采集、传输，在系统平台进行数据实时计算应用，节省了人员的大量计算工作，提高了监测的实时性。

1.1 系统设计逻辑

当安装好静力水准仪传感器后，首先在自动化监测软件上设置好参数（采集间隔时间、系统报警、短信报警等），通过无线采集传输器对数据进行有效的处理和转换后，将数据传输至监测管理中心数据库，系统平台对数据进行分析处理，然后在PC和移动端实现实时监测、预警等功能。

1.2 系统组成

深基坑沉降自动化监测系统主要由静力水准仪、无线采集传输器、RS485总线、连接水管以及自动化监测系统平台组成，可使用市电或太阳能供电。该系统分为感知层、网络层和应用层。感知层结合所需监测项目的特征，进行传感器选型与布点，现场总线布设，采集设备组网等工作；网络层是将采集到的数据利用分组数据网络通过数据传输单元进行远程无线传输；应用层包括数据查询、数据分析、报表推送、预警、三方数据接口等智能化应用。

1.2.1 系统感知层

感知层为多只同型号静力水准仪组成的沉降系统，当测点相对于基准点发生升降时，通过测量压力变化，来计算各测点相对水平基点的升降变化[2]，具体如图2。传感器受到的压力为F，F=ρ×g×h×S(ρ、g、S 为定值，h 为变值），故沉降变化量Δh 只跟压力变化ΔF 成正比。假设安装后基准点的初始测值为J0，某监测点初始测值为Y0，发生位移后其测值分别为J1和Y1，则被测点的位移量为：ΔY=（Y1-Y0）-（J1-J0）上升为正、下降为负[1]。

1.2.2 系统网络层

网络层连接感知层和应用层的枢纽，以RS485 总线为基础，定时采集数据，采样间隔1min～1d 连续可调，存储容量1G 以上，数据传输通过无线传输模块[1]实现，具备完整的TCP/IP 协议栈及功能强大的透明传输保障机制，可实现点对点、点对多点等方式的实时数据传输，直接通过Internet 网络随时随地的构建覆盖全国范围内的移动数据通信网。

1.2.3 系统应用层

应用层将基坑感知设备、测量方法及参数等物联网层级对应标识的唯一识别，将物理分布，逻辑集中的实现在线监测平台对监测对象的唯一定位，便捷管理系统，分别在本地和异地建立荣灭群集系统，避免单点出现故障引起的数据丢失、服务终端问题，提高在线运行、服务等级。该系统平台采用ubuntu 系统，编程语言为java，数据库为Mysql，可实现数据查询、报表设置、告警通知、用户管理、阈值调整、采集周期调整、测点管理等功能，可根据项目管理特点进行调整，做到自动响应、自动控制、自动预警。

图1 液压式静力水准仪安装结构图

2.系统工程应用

2.1 项目概况

西航港街道项目设地下室两层，项目场平后场地地面标高取481.00m，基坑开挖深度在场平标高下9.90m，基坑面积约为43275m2，周长约820m。内地层主要为填土、粉土、细砂、中砂及卵石组成，下伏粉砂质泥岩。水分浸入时，易造成土体流失及垮塌，造成基坑变形失稳；成桩填土时、细砂层易产生垮孔塌孔，需采取有效护壁措施。

2.2 系统现场布设

基坑地表沉降监测点按15m～20m的间距布置46 个，垃圾房及公共配套设施用房进行了6 个沉降点位的布设，共计52 个监测点和4 个基准点都进行唯一编号，与系统一一对应，具体如表1。

表1 沉降监测点布设清单表

图2 静力水准仪现场安装示意图

2.3 选型安装

根据精度和市场调研情况，选择了BK-J03B 系列压差式精力水准仪，产品特点有体积小（90mm×90mm×54mm）、精度高（＜0.3mm）、量程大（可达2000mm），可随地势安装，工作温度可达-40℃～125℃，适用于各种恶劣环境；硬件具有RS485 接口，可外接Zigbee 模块或GPRS 模块，兼容性强；沉降有液面压差就能实时体现，数据实时性更强。该静力水准系统，安装示意如图2。

2.4 系统应用对比分析

该自动化系统经过现场应用，与人工几何水准测量方式进行对比，对比情况如下：

（1）环境要求方面：由于施工环境影响，人工监测操作平台无法完全按照理论点位进行布设，需根据实际进行调整，然而传感器只需在项目初期布设一次，半年定期检查即可，大大降低了操作环境要求。

（2）人员误差方面：人工监测误差主要受设备测角精度、观测人员、气候环境、数据处理方法的共同影响，包括：仪器测角误差、测站（工作基点）对中误差和目标照准误差等；系统监测误差主要来源于传感器精度影响，该静力水准仪的精度小于0.3mm，完全满足了监测误差要求。

图3 沉降累积对比

（3）数据处理方面：无须考虑轴线、建筑坐标系或独立坐标系等问题，仅需平行于基坑边缘均匀布设安装即可，更符合基坑变化实际，更加系统形象，同时数据运用简单、快捷；同时，数据传输时，DTU 一次性丢包率不大于3%，且能立即发出指令对丢失数据进行补发，达到了数据100%传输。

（4）实时精度方面：现场找到位置较为接近的人工J2 点位与系统5 号点位，从6 月18 日至8 月11 日，进行水平和沉降位移数据趋势分析对比，数据整体趋势变化相对一致，但由于人工监测为1d-3d 监测一次，并存在数据统计不完善等情况，导致数据量较少，从而人工监测曲线变化幅度也较小，无法更精确的表达实时数据变化情况。

3.应用效果结论

沉降自动化监测系统从原理上解决了人工监测在环境要求高、人员采集误差大、数据处理难、实时连续性差等方面的问题。首先，静力水准仪一次性安装后，无须人工现场监测，对于空间狭小、点不通视、设备位置变化等环境要求，具备较好的监测优势；其次，人工监测对于测量人员的操作技术要求较高，然而自动化监测技术虽然前期一次性设备安装要求高，但后期基本不受人为因素的影响；同时，人工监测频率较低，一般为1 周1 次，自动化监测采集频次可根据基坑状态在5min～1d/次的频次范围内进行调整，系统可设置1、2、3 级基坑预警，当出现险情预兆时预警更加及时，以便项目及时采取安全防控措施；最后，各项目可根据项目实际情况自主调整系统的用户权限、告警推送配置、阈值信息、测点布置、采集周期、异常配置、测点布置等等，在满足不同项目的沉降变形监测管理要求的同时，可自动对数据进行积累，无须繁杂的人工计算，为后续大数据、云计算在深基坑监测领域的应用提供积累。