北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在建筑深基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

唐咸遠(yuǎn)， 林 俊， 周振榮

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西建工集團(tuán)第五建筑工程有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545001)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在建筑深基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

唐咸遠(yuǎn)1， 林 俊2， 周振榮2

(1.廣西科技大學(xué)土木建筑學(xué)院，廣西 柳州 545006； 2.廣西建工集團(tuán)第五建筑工程有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545001)

為研究北斗衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)在建筑深基坑位移監(jiān)測(cè)中應(yīng)用效果，以柳州市一深基坑工程監(jiān)測(cè)為案例，介紹了BDS系統(tǒng)與常規(guī)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成，測(cè)點(diǎn)的選擇，監(jiān)測(cè)實(shí)施方法及效果。研究表明,BDS為主的GNSS技術(shù)在精度和可靠性方面均能滿足要求，完全適用于基坑的位移監(jiān)測(cè)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；測(cè)量技術(shù)；深基坑;變形監(jiān)測(cè)；沉降

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的快速推進(jìn)，為了更好地利用城市地下空間，建筑基坑工程向大而深方向發(fā)展，而基坑深度增加會(huì)使施工的難度和危險(xiǎn)性大幅提高，因此，必須依靠現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握基坑開挖中支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的安全狀態(tài)，并將施工中實(shí)測(cè)的各項(xiàng)變形數(shù)據(jù)與預(yù)警指標(biāo)相對(duì)照，以便在超過預(yù)警指標(biāo)時(shí)采取有效措施，防患于未然。

我國對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)也較為重視，相繼出臺(tái)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)規(guī)范[1-2]，但常規(guī)的變形監(jiān)測(cè)方法多采用全站儀、水準(zhǔn)儀進(jìn)行量測(cè)，人力及時(shí)間成本高，且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及連續(xù)監(jiān)測(cè)。近年隨著GPS及北斗衛(wèi)星載波相位差測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，利用GPS或北斗衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

1 北斗衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，與美GPS、俄GLONASS并列為三大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS由空間端、地面端和用戶端組成，目前可全天候?yàn)閬喬貐^(qū)各類用戶提供高精度定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)及短報(bào)文通信，約至2020年，將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.1 北斗相位差測(cè)量技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用北斗衛(wèi)星載波相位差測(cè)量技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上都安置一臺(tái)北斗衛(wèi)星接收機(jī)，不間斷地進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)[5]。與常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法相比，北斗衛(wèi)星載波相位差測(cè)量技術(shù)有著如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)測(cè)站間無需通視，只需測(cè)站上空開闊即可，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)靈活方便，可減少不必要的中間過度點(diǎn);

(2)可同時(shí)提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息,檢測(cè)精度高;

(3)北斗衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)不受氣候條件限制，其配備防雷設(shè)施后，便可實(shí)現(xiàn)全天候觀測(cè);

(4)操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)高度自動(dòng)化，大大減輕外業(yè)強(qiáng)度。

BDS與GPS、GLONASS相比，主要優(yōu)勢(shì)在于：導(dǎo)航與短信服務(wù)結(jié)合，通訊功能較強(qiáng)；通信盲區(qū)少，能全天候快速定位，精度與GPS相當(dāng)并可與GPS兼容[6]；有獨(dú)特的中心節(jié)點(diǎn)式定位處理和指揮型用戶機(jī)設(shè)計(jì)；具有自主化的高強(qiáng)度加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)，安全可靠、穩(wěn)定性好。

北斗衛(wèi)星自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化，又可迅速得到點(diǎn)位三維坐標(biāo)，其是集北斗衛(wèi)星、數(shù)字通訊、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、精密工程測(cè)量及現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)一體，為實(shí)現(xiàn)基坑的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供了一種新方法[7-8]。

1.2 基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本次對(duì)依托基坑工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)是采用南方測(cè)繪的基坑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。主系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)通訊)、數(shù)據(jù)處理(控制)中心及輔助子系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)的整體，前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)及采集各類監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理(控制)中心，通過控制中心軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形體的三向位移情況。若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，輔助子系統(tǒng)中的預(yù)警設(shè)備會(huì)立即做出相應(yīng)的預(yù)警反應(yīng)。系統(tǒng)整體拓?fù)淙鐖D1所示。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由衛(wèi)星信號(hào)(GNSS)接收機(jī)(包含監(jiān)測(cè)站及基準(zhǔn)站)及其他各類監(jiān)測(cè)傳感器等組成。衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)采用南方SM02改進(jìn)型高精度多頻多星座系統(tǒng)主板GNSS接收機(jī)，并采用能有效抑制多路徑效應(yīng)的影響的大地形扼流圈天線，結(jié)合不妥協(xié)的穩(wěn)定相位中心(小于0.8 mm)也可抑制射頻干擾，以保證系統(tǒng)更安全可靠；其余監(jiān)測(cè)傳感器均采用目前行業(yè)最先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體拓?fù)鋱D

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

只有數(shù)據(jù)暢通穩(wěn)定的傳輸才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行及數(shù)據(jù)解算的精度。衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)能提供RS232、TCP/IP等多種協(xié)議數(shù)據(jù)接口，方便接入不同的通訊設(shè)備，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定最佳的通訊方式。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞椒譃橐韵?類。

(1)有線通訊：有線通訊從數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性、成本、維護(hù)等角度考慮，使用光纖光纜效果最好。光纖光纜帶寬寬，傳輸距離較遠(yuǎn)，傳輸速度不受距離的限制，傳輸介質(zhì)物理性能穩(wěn)定，不受電磁干擾，能有效保證數(shù)據(jù)采集端與控制中心數(shù)據(jù)通信的帶寬和質(zhì)量，也可為系統(tǒng)拓展提供充足的帶寬儲(chǔ)備，還能方便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組網(wǎng)。

(2)無線通訊：無線通訊一般采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通訊商GPRS/CDMA/3G/4G。其傳輸不受視距及距離因素影響，城市建設(shè)中利用信號(hào)較好。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理(控制)中心系統(tǒng)

由監(jiān)控中心的服務(wù)器系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)軟件及SQL Sever數(shù)據(jù)庫等組成，是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，其結(jié)構(gòu)與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1.2.4 輔助支持系統(tǒng)

由外場(chǎng)機(jī)柜或機(jī)箱、配電箱及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電源監(jiān)控、報(bào)警裝置及打印設(shè)備等組成。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 依托工程概況

廣西柳州市金成大廈規(guī)劃總用地面積為5336 m2，主樓(9F，部分12F)為框架結(jié)構(gòu)，采用筏板基礎(chǔ)+柱下獨(dú)立柱基礎(chǔ)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢后方能進(jìn)行基礎(chǔ)施工。沿?cái)M建物周邊設(shè)2層連通式地下室，基坑頂及底周長分別為299 m、280 m；基坑設(shè)計(jì)深度為8.5 m及10.0 m，基坑安全等級(jí)為II級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)使用期限為12個(gè)月。

該工程基坑周邊場(chǎng)地條件復(fù)雜，東面有5棟3層磚混建筑，基礎(chǔ)形式為淺置獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深約1.5 m，最近處距離建筑紅線僅3 m；南面為4棟3層磚混建筑，到紅線距離僅4.4 m基礎(chǔ)形式為淺置獨(dú)立基礎(chǔ)，埋深約1.5 m；北面為1棟14層框架建筑，最近處距離建筑紅線僅10 m；西面為市政道路；基坑影響范圍內(nèi)場(chǎng)地周圍無市政管線分布?；拥膱?chǎng)地平面及相關(guān)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置如圖2所示。

圖2 基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

金成大廈基坑西面臨近柳江，坡頂與柳江常水面邊緣的距離約110 m，勘察資料表明靠西面(近河堤側(cè))的基坑側(cè)壁的地質(zhì)情況：上部為6～7.5 m的雜填土，下部為1.5～2.5 m厚度的紅粘土，二者均為不良地質(zhì)，特別是雜填土的厚度較大，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工較為困難、復(fù)雜。

2.2 基坑支護(hù)方案及監(jiān)測(cè)要求

根據(jù)基坑地質(zhì)條件和周邊建筑物分布情況，金成大廈基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案如下：對(duì)于雜填土較厚的西面采用復(fù)合土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，注漿微型鋼管樁+注漿樹根樁+預(yù)應(yīng)力錨索+錨桿+掛網(wǎng)噴砼，其他斷面采用雙排樁支護(hù)，支護(hù)面積約2610 m2。

基坑開挖要求隨時(shí)進(jìn)行地下水位和變形監(jiān)測(cè)，施工期間發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)通知相關(guān)單位并及時(shí)解決(采用動(dòng)態(tài)管理以減少基坑支護(hù)投資)，以保證基坑施工安全、避免對(duì)相鄰建筑造成影響[9-10]。實(shí)施監(jiān)測(cè)時(shí)基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)警值見表1，滿足表中條件之一時(shí)應(yīng)報(bào)警。

表1 基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)報(bào)警值

注：表中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)適用于排樁設(shè)計(jì)剖面

2.3 監(jiān)測(cè)實(shí)施過程

2.3.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

站點(diǎn)接收機(jī)采用南方測(cè)繪生產(chǎn)的SM02改進(jìn)型專業(yè)變形監(jiān)測(cè)接收機(jī)。接收機(jī)針對(duì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程特點(diǎn)研發(fā)而成，可接收GPS、GLONSS、BDS三種衛(wèi)星系統(tǒng)。主機(jī)采用嵌入式Linux系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信傳輸、智能供電及防雷功能于一體，綜合解決了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜環(huán)境的諸多難題，提供整套的技術(shù)解決方案，滿足各種應(yīng)用需求。其主要參數(shù)如表2所示。

表2 接收機(jī)主要參數(shù)

從表2可以看出，其精度指標(biāo)中的平面精度為±3 mm+1 ppm，高程精度為±5 mm+1 ppm，滿足變形監(jiān)測(cè)精度要求。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用南方測(cè)繪變形監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)，并進(jìn)行了一定的功能改進(jìn)，具有計(jì)算、分析、處理輸出符合規(guī)范的表格及變形曲線。系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測(cè)站類型和設(shè)備點(diǎn)位針對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置3級(jí)預(yù)警值：三級(jí)(較重)，二級(jí)(嚴(yán)重)，一級(jí)(特別嚴(yán)重)。當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到預(yù)警值時(shí)，會(huì)通過系統(tǒng)內(nèi)置的信息發(fā)送器通過短信息發(fā)送到相關(guān)人員手機(jī)上，以便及時(shí)處理。

針對(duì)柳州金成大廈的基坑監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，根據(jù)表1的報(bào)警值，設(shè)計(jì)各級(jí)預(yù)警值如表3所示。

表3 各級(jí)預(yù)警值

2.3.2 安裝調(diào)試

變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單基點(diǎn)解算方式，每處監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置1個(gè)基準(zhǔn)站和N個(gè)地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)位。在變形監(jiān)測(cè)區(qū)外選取合適位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，將天線固定在安裝支架或監(jiān)測(cè)墩上，基準(zhǔn)站主機(jī)安裝在現(xiàn)場(chǎng)站內(nèi)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置通過現(xiàn)場(chǎng)勘查確定，在距離合適的情況下將主機(jī)安裝在前端集成站內(nèi)，方便保護(hù)。

2.3.2.1 踏勘及選址

實(shí)地踏勘并結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)域現(xiàn)狀圖合理選點(diǎn)：布點(diǎn)遵循位置高度角10°以上無障礙物，周圍無大功率電磁干擾源，且干灘較長，多路徑效應(yīng)不明顯。

本次監(jiān)測(cè)基于試驗(yàn)?zāi)康?，布置測(cè)點(diǎn)2個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)。監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置分別如圖3、圖4所示，由于監(jiān)測(cè)基點(diǎn)開始選點(diǎn)時(shí)可選擇位置限制，受周圍樹木、工棚等遮擋較多，不得不采用鋼管砼進(jìn)行加高。

2.3.2.2 實(shí)地衛(wèi)星信噪比查看

在擬選位置使用GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，開機(jī)后通過觀察顯示界面，查看GPS信噪比強(qiáng)度條及衛(wèi)星分布圖。第一次開機(jī)，GPS定位時(shí)間10 min內(nèi)，捕到衛(wèi)星顆數(shù)要求不少于6顆；L1信噪比值最低40以上，L2信噪比值最低38以上，HDOP(horizontal dilution of precision)<2，PDOP( position dilution of precision)<3。

在測(cè)站用GPS接收機(jī)按1 s采樣間隔進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集，觀察數(shù)據(jù)的連續(xù)性。并結(jié)合靜態(tài)數(shù)據(jù)檢查，綜合各方面的條件決定該點(diǎn)是否符合設(shè)點(diǎn)。

圖3 基準(zhǔn)站

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)

截圖2016年7月8日10點(diǎn)28分BDS1(也為GPS1)的站點(diǎn)的衛(wèi)星分布圖及衛(wèi)星信噪比視圖，如圖5、圖6所示。

圖5 衛(wèi)星分布圖

從圖5中可以看出，站點(diǎn)1所處的衛(wèi)星位置信號(hào)較好，接收到22顆，其中GPS系統(tǒng)7顆，GLONSS系統(tǒng)6顆，BD系統(tǒng)9顆。從圖6可以看出，L1信噪比值最低40以上衛(wèi)星有19顆，L2信噪比值最低38以上有13顆；其中北斗BD161、163、167、168、170共5顆均滿足L1、L2的最低信噪比要求。

圖6 衛(wèi)星信噪比視圖

2.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安裝在基坑開挖后進(jìn)行，圖7為2016年6月16日至7月26日的水平偏位曲線圖，從圖7可以看出：二個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平偏位均滿足規(guī)范要求；BDS1水平偏位最大為14 mm，前期偏位變化較大，后期有一定減緩；BDS2水平偏位最大為5 mm，偏位變化也較小。

圖7 水平偏位曲線圖

圖8 沉降曲線圖

圖8為2016年6月16日至7月26日的沉降(豎向偏位)曲線圖，從圖8可以看出：二個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向偏位均滿足設(shè)計(jì)要求；BDS1最大沉降量為16 mm；BDS2最大沉降量為25 mm。

預(yù)警值的設(shè)計(jì)也較為合理，其中三級(jí)(較重)曾在2016年7月16日觸發(fā)，經(jīng)監(jiān)測(cè)分析及現(xiàn)場(chǎng)查看，主要原因是基坑沉降量達(dá)到16 mm，沒有出現(xiàn)危及基坑安全的變形。

3 結(jié)論

通過監(jiān)測(cè)的實(shí)施及結(jié)果分析，監(jiān)測(cè)效果能達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。得出的主要結(jié)論有：

(1)采用北斗衛(wèi)星相位差技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)能達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范的精度要求，輸出的報(bào)表也能滿足測(cè)量資料要求；

(2)基坑監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)特別是基準(zhǔn)站布點(diǎn)時(shí)要選擇在較為開闊地帶，保證高度角10°以上無障礙物，并要進(jìn)行實(shí)地衛(wèi)星數(shù)量及信噪比查看；

(3)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警值的設(shè)計(jì)必須滿足基坑監(jiān)測(cè)相應(yīng)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，并按分級(jí)進(jìn)行配置。

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ApplicationResearchonBeidouSatelliteNavigationTechnologyinDeformationMonitoringofDeepFoundationPit

/TANGXian-yuan1,LINJun2,ZHOUZhen-rong2

(1.School of Civil Engineering of Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi 545006, China； 2.Guangxi Construction Engineering Group Fifth Construction Engineering Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545001, China)

In order to study the application effects of Beidou satellite measurement technology in the displacement monitoring for deep foundation pit construction, with an example of deep foundation pit project in Liuzhou City, the paper introduces the advantages of BDS system and conventional measuring method, the composition of foundation pit monitoring system, measuring points selection, monitoring methods and the effects. The research shows that GNSS technology, in which BDS is the key, can meet the requirements of accuracy and reliability, and is suitable for the displacement monitoring of foundation pit.

Beidou satellite navigation system; (BDS); measurement technology; deep foundation pit; deformation monitoring; settlement

2017-03-11；

2017-09-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“動(dòng)載作用下加筋土界面力學(xué)特性及路堤擋墻加筋承載機(jī)理研究”(編號(hào)：51469005)；柳州市科技開發(fā)項(xiàng)目“基于北斗衛(wèi)星載波相位差測(cè)量技術(shù)的深基坑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用”(編號(hào)：2014C030403)

唐咸遠(yuǎn)，男，漢族，1973年生，副教授，從事土木工程教學(xué)與科研工作，廣西柳州市東環(huán)路268號(hào)，thy1188@126.com。

TU441+.6

A

1672-7428(2017)11-0066-05