自动化监测系统在深基坑监测中的可靠性研究

陆召春

摘 要：首先对自动化监测系统应用于深基坑监测作业时的要素以及精度可靠性进行分析，之后介绍了整体监测方案的构成。在此基础上，围绕尺度变形、水平位移两项深基坑监测作业的可靠性进行了验证分析，供参考。

关键词：自动化监测系统;深基坑监测;尺度变形;水平位移

中图分类号：TU4333                                文献标识码：A                                   文章编号：2096-6903（2022）05-0103-03

0 引言

深基坑是指开挖深度至少达到5 m，或者是深度未达到要求，但工程所在地的地质条件以及周围环境、地下管线构成等均十分复杂的工程。深基坑监测是深基坑工程施工中的一个重要环节，在基坑开挖、防护系统搭建的过程中，为尽量提高工程队的安全程度，需要对基坑及邻近区域党的岩土形状、支护结构是否发生变形、环境条件的变化情况等进行全方位的观察以及分析。只有充分掌握相关信息，才能精确指导深基坑相关设计与施工。为达到上述目的，探索自动化监测系统的应用可靠性甚为必要。

1 基于自动化监测系统开展深基坑监测工作的要素及精度可靠性分析

1.1 自动化监测系统的设备构成

在自动化监测系统中，全站仪等测绘设备是最主要的功能性设备，可以测量水平角、垂直角、斜距、平距、高差，是一种集多种测绘功能于一体的测绘仪器系统[1]。在应用于深基坑监测相关作业时，自动化监测系统一般以全站仪作为核心设备，以光学/电子经纬仪等设备为辅助。设备连接后，可将全站仪自带的测量光学刻度盘替换为光电扫描刻度盘。以此为基础，人工光学测微读数的环节会被替换为自动记录及读数显示，可大幅度降低包含深基坑角度测量在内的监测工作的复杂程度。此外，出现读数误差的几率也较低。有研究显示，在深基坑监测作业期间，只需将全站仪等设备安装在既定位置（测站）后，便可实现对整个深基坑的监测。

除了核心设备之外，云计算、局域网/通讯网等多网无缝连接等技术的应用，共同构成一套完整的智能基坑在线监测系统，能够对基坑施工现场进行实时监测。根据组网规模的大小，最小可只围绕一个基坑及附近一定范围内进行检测;最大可同时容纳数以万计的桥梁、隧道、边坡等结构物进行监测，形成大区域性结构监测平台，并对所监测的内容进行统一管理。

1.2 自动监测系统应用于深基坑监测时的精度控制

使用监测设备构成的自动化监测系统开展深基坑监测作业时，必须提前设置好观测站的位置，之后需要将监测设备安装在观测站之上。但此时还不能立刻开展监测作业，而是需要对自动化监测系统的精度进行检验。如基于全站仪和经纬仪的自动化监测系统监测深基坑时，采用的方法为“全圆单测站观测”。

此种方法是划属“方向观测法”，主要流程为：在监测前需对仪器设备进行归零处理，之后开展观测。适用的环境为：测站待测方向数量超过3个但没有超过6个。如果待测方向少于3个或多余6个，则应该使用简单方向觀测法以及分组方向观测法）。具体的操作原理为：将2个或以上的方向设置为一组，之后从起始方向开始，沿着水平方向进行观测。待到正镜和（或）倒镜处于半测回的状态时，将仪器设备调整至照准方向并读数[2]。

应用自动监测系统时，首先需要将仪器架放置于选定的观测墩上。经过多次预监测比对，发现中误差（测量中按照有限次观测的偶然误差，最终求得的标准差。）几乎不存在，对监测结果产生的干扰微乎其微，故无需纳入分析。具体的中误差排除过程为：在监测工作开展之前，需在深基坑监测工作区内完成三维空间坐标监测体系的设置。以监测设备所处位置设置为原点，长度（X）、宽度（Y）、高度（Z）三项坐标值均为0，原点以O表示。随机选择深基坑内一个点位，以P表示。通过监测设备测量角度，得到的结果分别为：原点O与P点之间的水平角度为α，垂直角度为β，斜距为L。代入数学关系，求得P点的横向（平面）、纵向（平面）、纵向（立体），即分别对应X、Y、Z的具体坐标值分别为：Xp=L·cosα·cosβ，Yp=L·sinα·cosβ，Zp=S·sinβ。根据初中数学三角形边角关系定理，根据上述已知条件，能够推导出原点O与目标监测点位P之间的水平距离T=S·cosβ。至此阶段，根据上述所有条件，可以对α、β、L等数值进行全微分及转换计算，最终求得P点的平面精度为：

m2=cos2β·mL2+（L/β）2·mα2                                 （1）

公式（1）中的m便是侧边中误差。根据（1）的显示结果可知，角度测量精度、距离测量精度是决定目标监测点点位中误差的两个重要原因。基于此，只有将上述两项内容互相匹配，才能使测量精度有效提升。在此基础上，可使用matlab软件对测量系统的精度进行三维仿真评估，基于监测设备观测得出并进行计算的结果，即“中误差”，与直接观测值进行对比时，描述的内容便是“观测值质量”，而这个比值可称之为相对中误差。结合上文所述可知，相对中误差与实际误差（真误差）并不是一个概念，可视之为实际真误差的一组代表值。中误差越小，说明测量结果的精度越高。实际监测出的结果进行计算之后，目标测量点P的平面镜度最高值为±0.8245 mm，远远低于深基坑二级变形量位移监测要求中有关中误差的允许区间±3.0 mm这一标准。该结果说明，自动化监测系统应用于深基坑监测工作时，精度高，误差微乎其微，可保证监测结果的准确性。

1.3 评估自动监测系统应用于深基坑监测稳定性时的注意事项

评估自动监测系统应用于深基坑监测稳定性时，一般采用的方法为：将自动监测系统收集到的多组数据与人工监测收集到的多组数据分别进行平均值计算之后，加以比对，根据数据的趋势变化情况，总结出规律，最终形成结论。这种评估方法应用范围较为广泛，最终结果的可参考性较强。然而，如果监测对象是深基坑，则采用上述方法进行评估时，还需注意下列事项：

其一，深基坑开挖作业一般不会选在凌晨，且凌晨的温度处于相对稳定的状态。因此，从理论上看，凌晨是自动监测和人工监测工作开展的好时机。但必须注意的一个问题是，专用于深层水平位移的自动化监测设备在深基坑周围合适位置完成布置安装之后，对应的监测点很可能无法采用常规的人工监测方法开展相应的人工测量作业。基于此，需要在埋设测斜管阶段，便在自动化监测点旁边选择合适位置，提前设置人工监测点。

其二，自动化监测过程的连续性是人工监测不具备的优势。因此，自动化监测数据相较于人工监测数据，呈现出的曲线更加平滑。但这并不代表自动化监测结果不会出现任何偏差。如监测期间如果发生传感器电力不足的情况，监测结果便有可能出现异常。基于此，在分析结果时，首先应该将偏差较大的结果予以排出，围绕其余结果进行趋势分析及比对。

2 整体监测方案设计

整体监测方案设计方面，选择的深基坑工程项目的一般情况为：施工所在地位于城市中心区域，周围建筑环境相对密集，可控程度较低，如果采用人工监测方式，不仅难度较高，测量过程中发生意外的概率较大。因此，将监测设备架设在位于基坑南侧的某高层建筑楼顶，在此处设置观测站。选择该位置的原因在于，能够有效降低施工场地内各项设备对自动化监测系统监测视线造成的干扰。此外，在周边临近的3栋楼的合适位置设置3个固定的棱镜，以此作为后视点，最后完成基准网的建设。上述准备工作全部完成后，还需沿着深基坑的边坡顶端区域设置多个监测点（具体达到18个），整体呈现出“L”形，彼此之间的距离统一调整为15 m。

在监测工作开展期间，每一天都需要在相同时间对相同的监测点进行监测。自动监测完成后的第一时间，立刻对刚刚结束自动测量的监测点位进行人工测量。

3 自动化监测系统应用于深基坑监测工作中的实测可靠性验证

3.1 尺度变形监测相关的可靠性分析

根据上文所述的监测方案可知，由于设备自动化监测以及人工监测之间几乎不存在时间差，故監测点位周围环境、深基坑内的工程进展情况几乎不会发生明显变化。上述情况意味着自动化监测及人工监测的对象是完全相同的，所有测量点之间均处于稳定状态。以点带面，深基坑边坡顶处的所有监测点位，相邻两点之间的距离会维持15 m的恒定状态。随机选取其中的两个点位，围绕自动测量长度、人工测量长度进行比对分析，并计算出每次的差值。10次监测结果如表1所示。

根据表1显示的结果可知，在随机所选择编号为N1和N5两个监测点位后，共计10次基于监测设备的自动测量绝对距离长度与人工测量绝对距离长度结果相比，差值均体现在小数点后四位。该结果表面看来，在绝对距离长度方面，自动测量与人工测量之间的差值微乎其微。深层分析结果显示：由于两种测量方式均为“等精度观测”，故应用边长中误差计算公式（下式中d为两种测量方法获得的绝对距离长度差值，n表示观测次数）。

（2）

经过计算后可知，自动化监测系统在监测深基坑作业时，在数据获得方面与人工测量方式相比，二者之间的误差极小，均处于中位差允许范围之内，故数据的稳定性较强，意味着在尺度变形监测相关的可靠性较高。

3.2 水平位移监测相关的可靠性分析

在水平位移监测方面，采用的方法为：在持续30 d时间内，每天上午9：00开始，同时采用自动化监测以及人工监测方式，完成对某个监测点位水平位移（坐标）的监测。将相关结果导入matlab软件，就坐标监测变化情况生成对应的曲线。具体如图1所示。其中，细曲线及点位代表基于自动化监测系统监测到的数据;粗曲线及点位代表人工监测方式获取的数据。需要注意，一些离散程度较高的点位表明监测误差较大，故没有选为曲线经过区域。从图中显示的曲线来看，两种方式最终呈现出的结果均表明：深基坑的侧壁在水平方向朝着东北方移动。但细曲线的整体变化趋势相对平缓，且点位分布情况的合理性更高。粗曲线及点位的分散程度较高，表明测量结果的精确程度远远不如细曲线。具体的数值为：自动测量结果中，相邻观测点位的位移量非常低，最大值并没有超过1 mm，速率变化值在2 mm/d之下。该结果并没有超过水平位移监测规范报警临界值[3]。而人工测量结果显示，监测点位水平位移差更改幅度较大，最大位移量已经达到1.5 mm（与自动监测相比，差值达到0.5 mm，这一数据表明差异极大）。总体而言，基于自动化测量系统在监测深基坑目标点位水平位移（坐标变化情况）时，所获得的数据之间差值较小，且整体变化趋势较为平稳，更加符合实际情况。而人工操作设备进行监测时，获得数据具有更大的“跳脱性”，在一定时间内呈现出忽高忽低的变化情况，这并不符合实际情况。

4 结语

综上所述，自动化监测系统应用于深基坑监测工作时，如果在排除外界干扰的情况下，相邻两次监测所获得的数据差值并不大。如果深基坑存在定向位移情况，则自动化监测结果能够如实呈现出这种位移的变化趋势，监测结果符合客观规律。相较而言，人工测量方式在基坑情况发生变化时，所获得的结果跳跃性较大，表明一些监测结果的误差较大。由此可见，自动化监测方式的可靠性更强。

参考文献

[1] 刘辉喜，张泽辉，史豪杰.基于GIS技术的城市明挖隧道深基坑支护施工安全监测方法[J].粉煤灰综合利用，2021，35（6）：58-63.

[2] 马涛，赵彦军，张伟.自动化监测系统分析深基坑监测的可靠性[J].北京测绘，2019，33（11）：1356-1359.

[3] 王宇，王鹏，李铭，等.自动化监测系统在深基坑监测中的可靠性分析[J].测绘与空间地理信息，2019，42（3）：222-224.