自動化測斜技術(shù)在深層土體水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用

【摘 要】基坑開挖后的深層土體水平位移監(jiān)測是保證正?；邮┕さ闹匾獢?shù)據(jù)回饋，然而常規(guī)的人工基坑水平位移監(jiān)測手段在監(jiān)測頻率和人工投入上存在著很大的問題，因此為保證監(jiān)測水平和監(jiān)測質(zhì)量，文章采取了當(dāng)前國外較為流行的自動化測斜技術(shù)，該技術(shù)利用無線數(shù)據(jù)傳輸信息技術(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸，監(jiān)測人員即可利用數(shù)據(jù)終端接收數(shù)據(jù)后進行分析，得到準(zhǔn)確的基坑傾斜信息。

【關(guān)鍵詞】自動化測斜技術(shù)；土體水平位移；無線傳輸

我國當(dāng)前絕大多數(shù)的土體測斜監(jiān)測都采用人工監(jiān)測方式進行，但是人工監(jiān)測由于監(jiān)測的頻率低、人員投入大、設(shè)備周轉(zhuǎn)問題、工作效率問題、天氣原因等多種因素的影響而導(dǎo)致監(jiān)測工作會受到很多影響。筆者認為通過自動化傾斜技術(shù)來進行基坑深層土體水平位移監(jiān)測是一種較為合理的解決方案，文中將對方案進行介紹。

一、自動化監(jiān)測系統(tǒng)基本構(gòu)成

本次研究選取的自動化監(jiān)測結(jié)構(gòu)基本上可以分為四個組成部分。第一部分為測斜儀。本次研究選用了固定式測斜儀，固定式測斜儀能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的時時土體水平位移監(jiān)測，并且在能夠避免雨水天氣和大風(fēng)天氣對儀器的影響，也能夠保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。第二部分為數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)利用傳感器和保護結(jié)構(gòu)構(gòu)成，傳感器利用重力加速度計作為基本測量原理來實現(xiàn)土體位移測量。第三部分是數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)利用無線傳輸作為數(shù)據(jù)傳輸通道，無線傳輸相較于有線傳輸能夠節(jié)省資源投入并且能夠提升數(shù)據(jù)傳輸通道的抗外界影響能力，無線傳輸系統(tǒng)為ZigBee協(xié)議系統(tǒng)，ZigBee協(xié)議是一種低功耗的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，雖然數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，但是能夠滿足自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。第四部分為?shù)據(jù)接收終端。本次接收終端采用計算機作為數(shù)據(jù)接受終端，并且能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理等操作。（如圖1所示。）

二、自動化監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢及不足

雖然自動化檢測技術(shù)相較于傳統(tǒng)的人工測斜技術(shù)存在著一些優(yōu)點，但是仍然避免不了自身系統(tǒng)存在著一定的缺點。自動化監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)基坑水平位移的實時監(jiān)控，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，能夠更好的分析出基坑土體的運動趨勢。（2）減少了人力投入。自動化監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)過程、日常維護、終端監(jiān)測工作都需要人力投入，但是在人員投入上仍遠遠小于人工測斜技術(shù)。（3）保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。人工測斜技術(shù)在數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲過程中都會由于人員問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)的精確程度不高，但是自動化檢測技術(shù)利用計算機終端來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和處理工作，能夠有效的避免這一問題。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)自動預(yù)警。正是因為數(shù)據(jù)的接收終端使用了計算機終端，可以在終端制定一定的數(shù)據(jù)預(yù)警方案，在接收數(shù)據(jù)達到預(yù)警閾值時即可實現(xiàn)報警功能，避免基坑坍塌事故。（5）天氣適應(yīng)性更強。傳統(tǒng)的人工測斜技術(shù)在光線不好、惡劣天氣中都會對設(shè)備或人員造成影響，進而導(dǎo)致測量工作的中斷或數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。但是自動化檢測系統(tǒng)能夠較好的實現(xiàn)惡劣天氣的數(shù)據(jù)測量工作，同時無線傳輸數(shù)據(jù)通道在惡劣天氣的數(shù)據(jù)傳輸表現(xiàn)上也值得稱道。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷表現(xiàn)在：

（1）前期投入較高。目前國內(nèi)市場的固定式測斜儀價格參差不齊，但是常用的測斜儀價格普遍為5000-8000元之間，在實際工程使用當(dāng)中，一個測孔的測斜儀布設(shè)量為10-20個，因此一個測孔前期投入則需要5-15萬左右，成本過高。但是部分公司加大了測斜儀使用的保養(yǎng)力度，讓測斜儀重復(fù)使用次數(shù)更多，在多次使用后即可獲得一定的利潤。

（2）現(xiàn)場施工埋設(shè)要求較高。自動化測斜需要測斜管在基坑測量的時間內(nèi)保證長時間的相對固定，如果發(fā)生了測斜管的移動，則會產(chǎn)生較大的誤差。另外，在測斜儀埋設(shè)過程中還要做好電子元件防水工作，避免測斜儀受損。

（3）對人員素質(zhì)要求較高。傳統(tǒng)的人工測斜工作只需要測量人員懂得相關(guān)測量知識即可，但是自動化測斜技術(shù)需要測量人員具備一定的計算機知識、局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸知識和電子設(shè)備知識等，才能夠更好的完成系統(tǒng)布設(shè)和日常保養(yǎng)工作。

三、工程實例探討

（一）工程概況

本次研究選取深圳市龍崗區(qū)某深基坑工程，基坑位于城區(qū)中心地帶，東西長度約為200m南北寬度約為130m，基坑周長約672.3m，占地面積約為25340m2，基坑深度最大值為35m?；庸こ虨榻ㄔO(shè)2棟高層建筑而設(shè)計，樓高260m，2棟樓之間設(shè)有4層總高度32m左右的商業(yè)樓建筑。地下室設(shè)計為4層，總建筑面積為2615200m2。基坑圍護采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，墻體厚度1.0m，深度55m?；臃謪^(qū)施工，明挖順做，共設(shè)置6道混凝土支撐。

本次研究選取的工程案例因為地處市中心，基坑施工過程中周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑北側(cè)靠近地鐵車站（正在運營中），東北側(cè)有既有結(jié)構(gòu)物，南側(cè)和西側(cè)有水管、煤氣管道、排水管道、地下電纜等多種管線，復(fù)雜程度較高。因為此處基坑施工難度較大，并且如果發(fā)生基坑坍塌會造成整體城市運轉(zhuǎn)的中斷，后果不堪設(shè)想，故此選擇了自動化測斜技術(shù)作為深基坑水平位移監(jiān)測手段。

（二）監(jiān)測項目和布設(shè)

根據(jù)基坑周邊的實際情況和自動化監(jiān)測設(shè)備運行需要的環(huán)境來分析，自動化監(jiān)測系統(tǒng)在保留并且不影響原有的人工檢測情況下，在基坑的東部、北部、南部三側(cè)布設(shè)測斜孔，每側(cè)測控數(shù)量1-2個，共布設(shè)5個測孔，測控深度65m，大于圍護墻深度10m。布設(shè)方式采用鉆孔式布設(shè)，即基坑開挖之前利用小型鉆孔機在基坑圍護墻外側(cè)進行鉆孔操作，鉆孔孔徑比測斜管直徑大10cm，鉆孔過程采用泥漿護壁，孔深度滿足后即可放入測斜管。

自動化測斜技術(shù)的硬件薄弱點就是傳感器與電纜線之間的連接，在固定式測斜儀埋設(shè)過程中應(yīng)當(dāng)利用防水電工膠帶將傳感器與電纜線連接好，并且與測斜儀連桿固定，然后塞入測斜管內(nèi)部，按照設(shè)計要求逐個將傳感器與連桿固定并且放入測斜管內(nèi)部。電纜線連接過程中要注意正負向統(tǒng)一，如果發(fā)生混結(jié)可能導(dǎo)致傳感器損壞。另外注意測斜儀的導(dǎo)輪需要放置在同一個平面上，利用螺母固定。

全部測斜儀放入測斜管之后需要將測斜管與鉆孔之間的縫隙進行填滿壓實，填充材料可以選擇西沙或者原土層中小粒徑的土體（在此過程中注意一定要將縫隙壓實，如果壓實工作做的不好可能導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差）。等測斜管的底部沉降穩(wěn)定后即可進行第一次讀數(shù)，并檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻槙承浴?/p>

本次研究每個測斜空放置20個測斜儀，測斜儀間距采用平均間距，保證在3m左右，根據(jù)工程實際情況，自動化監(jiān)測頻率設(shè)置為1次/h。因為本次研究地處市區(qū)，信號干擾源較多，如果采用直接進行無線數(shù)據(jù)傳輸很有可能造成數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，故此在固定式測斜儀和數(shù)據(jù)采集箱進行有線連接，數(shù)據(jù)采集箱中設(shè)置預(yù)存儲設(shè)備，將采集信號進行第一步存儲，然后利用數(shù)據(jù)采集箱中的無線通訊模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)接收終端采用計算機進行數(shù)據(jù)儲存和分析工作。

（三）檢測結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

本次檢測頻率為1次/h，整個工程施工持續(xù)6個月，導(dǎo)致自動檢測結(jié)果所獲得數(shù)據(jù)較多，數(shù)據(jù)采集過程中由于工人施工時施工機械操作不當(dāng)導(dǎo)致測孔3處的數(shù)據(jù)采集箱的無線傳輸功能模塊受損，但是由于數(shù)據(jù)采集箱中預(yù)先放置了數(shù)據(jù)儲存設(shè)備，在修理后獲得了相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲得后利用人工判讀的方式來進行數(shù)據(jù)篩選，甄選出正確數(shù)據(jù)20萬條左右，將數(shù)據(jù)編制入軟件后進行分析和處理，得到土體水平位移曲線，其中測孔1與測孔3、4曲線及數(shù)據(jù)極為相似，測孔2與測孔5數(shù)據(jù)相似，故此本次研究以測孔1與測孔2的土體水平位移曲線作為研究對象（曲線情況如圖2所示）。

本次研究過程還出現(xiàn)由于現(xiàn)場斷電而造成的設(shè)備信息采集工作中斷和計算機終端的關(guān)機。但是數(shù)據(jù)保存情況良好，出現(xiàn)斷電情況后立即接入備用電源讓系統(tǒng)重新工作，斷電時間持續(xù)15分鐘，對系統(tǒng)未造成影響。

通過測孔1和測孔2土體水平位移曲線的觀察我們發(fā)現(xiàn)，在特定時間內(nèi)出現(xiàn)了幾次土體位移偏大的情況。筆者在工程進行過程中一一進行了排查，主要的原因如下：一、當(dāng)?shù)赜晁畬?dǎo)致地下水含量增加，土體含水量上升導(dǎo)致土體水平位移增大。二、基坑南側(cè)排水管道施工過程中發(fā)生了破裂，導(dǎo)致土體的含水量增加，土體從固態(tài)變?yōu)榭伤軕B(tài)，導(dǎo)致測斜管松動出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。三、施工剛開始時基坑北側(cè)的小路并沒有限制通行車輛的數(shù)量與重量，在測量過程中發(fā)生了水平位移過大后筆者立即決定對此處的交通進行限制，避免過重的車輛通行給土體帶來較大的影響，交通限行后土體水平位移恢復(fù)正常。

四、結(jié)語和討論

通過本次的研究筆者發(fā)現(xiàn)，自動化測斜技術(shù)在實際的工程使用中會由于很多細微的因素影響而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動或者異常，可以認為這種技術(shù)的外界因素敏感度較大，然而在實際的應(yīng)用過程中技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加大監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理頻率，隨時處理隨時觀察，對出現(xiàn)異常的數(shù)據(jù)要進行及時現(xiàn)場考察后做出處理。筆者認為自動化測斜技術(shù)在工程實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)注意如下幾個問題：第一，注意測斜管的回填壓實度，保證在工程持續(xù)時間內(nèi)不發(fā)生松動或者位移。第二，在施工過程中盡量避免外力或者機械的擾動或者機械干擾。第三，使用自動化測斜技術(shù)要注意土質(zhì)，對地下水影響較大的土質(zhì)要及時進行地下水位的監(jiān)測工作。第四，深層土體水平位移監(jiān)測過程應(yīng)當(dāng)設(shè)置備用電源，因為自動化測斜系統(tǒng)在斷電情況下會造成數(shù)據(jù)接收終端和傳輸通道的工作中斷，有可能造成數(shù)據(jù)丟失情況，即便數(shù)據(jù)不丟失，也會增加工作人員的工作量。最后，避免基坑周邊的重物堆疊或者增加地表荷載的干擾。

通過本次研究我們發(fā)現(xiàn)，自動化深層土體水平位移監(jiān)測系統(tǒng)在實際工程使用中也能獲取很好的效果，本次研究共投入人員7人次，相較于傳統(tǒng)的人工水平位移監(jiān)測節(jié)約了大量的人力資源，另外也在深基坑土體發(fā)生水平位移異常時及時發(fā)出了預(yù)警，通過技術(shù)人員的排查和分析，避免了深基坑的塌陷事故。本次研究的數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、處理等環(huán)節(jié)均為出現(xiàn)異常，獲得數(shù)據(jù)基本為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，證明ZigBee協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中具備良好的表現(xiàn)，適合自動化監(jiān)測系統(tǒng)的使用。

另外，筆者認為未來自動化監(jiān)測系統(tǒng)在城市和野外都能夠勝任，當(dāng)然未來的自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)將更多的功能進行集成，例如測孔數(shù)量精簡、數(shù)據(jù)采集與存儲一體化、數(shù)據(jù)傳輸速度和范圍擴大、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)誤差消除、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)預(yù)警功能完善等，這些都是未來自動化測斜技術(shù)的發(fā)展方向，因為自動化測斜技術(shù)在大型城市特殊基坑上有一定的優(yōu)勢，這類基坑周邊的建筑數(shù)目較多、地表荷載較大、地下管線眾多，這些特點都要求深基坑土體水平位移監(jiān)測工作要做到更大的監(jiān)測頻率，相對來說對人工測斜技術(shù)影響較大。然而我國當(dāng)前利用自動化測斜技術(shù)進行深基坑土體水平位移監(jiān)測工作的案例相對較少，經(jīng)驗尚不足，所以筆者認為可以在大范圍進行技術(shù)推廣和試點工程，通過積累大量的經(jīng)驗來加快自動化測斜技術(shù)的推廣和使用。

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作者簡介：陳昊（1980.04- ），本科，中級職稱，研究方向：工程測繪。