自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵基坑工程監(jiān)測中的應(yīng)用

趙塵衍，劉全海，謝友鵬，張洋

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

地鐵基坑工程變形監(jiān)測工作貫穿了施工的全過程，是保障工程安全施工的重要措施之一。通常需要實施的監(jiān)測項目包括：圍護結(jié)構(gòu)(邊坡)頂部水平與豎向位移、圍護結(jié)構(gòu)體水平位移、支撐軸力以及地下水位等[1]。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式存在監(jiān)測效率較低，受天氣影響無法進(jìn)行全天候?qū)崟r測量以及基坑安全風(fēng)險信息反饋不及時等情況。監(jiān)測信息的滯后易導(dǎo)致無法及時調(diào)整設(shè)計及施工，對工程造成一定的安全隱患[2]。

為了滿足實時監(jiān)測的需求，提高地鐵基坑施工變形監(jiān)測工作的信息化程度，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時、充分地利用，針對自動化監(jiān)測手段進(jìn)行研究，研發(fā)集多項監(jiān)測項目數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及發(fā)布為一體的地鐵基坑自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)。有效降低人為干預(yù)造成的錯誤，及時得到可靠的變形監(jiān)測成果并進(jìn)行發(fā)布、預(yù)警，為地鐵基坑安全施工提供數(shù)據(jù)保障。

2 硬件系統(tǒng)

地鐵基坑自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、現(xiàn)場控制箱以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心三個部分組成，如圖1所示。

使用高精度的測量機器人以及固定式測斜儀、鋼筋計、軸力計、水壓力計等監(jiān)測用傳感器作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

將現(xiàn)場控制箱安放在地鐵基坑不受施工影響的區(qū)域?？刂葡渲屑闪斯た貦C、傳感器數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及電源等設(shè)備。

為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，將測量機器人與工控機采用有線方式進(jìn)行連接， 各類型傳感器同樣采用有線方式與傳感器數(shù)據(jù)采集儀對應(yīng)端口相連接。

圖1 硬件系統(tǒng)

工控機與傳感器數(shù)據(jù)采集儀均與數(shù)據(jù)傳輸模塊相連接，通過無線網(wǎng)實時將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理、分析與發(fā)布等工作。

3 軟件系統(tǒng)

根據(jù)實際的監(jiān)測需求，開發(fā)了“常州軌道交通工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)”，軟件系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 “常州軌道交通工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)”主界面

系統(tǒng)集成了三維位移監(jiān)測、深層水平位移監(jiān)測、支撐軸力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測等功能，并將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)分項目進(jìn)行管理。

在現(xiàn)場進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試時，可在系統(tǒng)中對各項測量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并測試數(shù)據(jù)采集是否正常。在進(jìn)行日常的自動化監(jiān)測工作時，軟件系統(tǒng)可實時接收從施工現(xiàn)場遠(yuǎn)程傳送回來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理及入庫工作。同時將監(jiān)測成果通過專用接口自動上傳至“常州市軌道交通工程建設(shè)安全風(fēng)險監(jiān)控與管理信息系統(tǒng)”進(jìn)行發(fā)布，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)界面

4 應(yīng)用實例

常州軌道交通2號線TJ06標(biāo)紫云站為地下三層車站，長 219.7 m，寬 26.5 m，站中心底板埋深 25.5 m，為2號線與6號線節(jié)點換乘站。主體基坑采用地下連續(xù)墻圍護，設(shè)6道支撐。在該站重點監(jiān)測部位實施自動化監(jiān)測工作，監(jiān)測項目包括基坑墻頂豎向與水平位移、基坑墻體深層水平位移、支撐軸力、地下水位等。

4.1 基坑墻頂豎向與水平位移自動化監(jiān)測

使用如圖4所示的徠卡TS50測量機器人與配套徠卡圓棱鏡進(jìn)行基坑墻頂位移監(jiān)測點的豎向、水平位移采集工作。

圖4 測量機器人與配套棱鏡

基坑墻頂豎向、水平位移監(jiān)測共用同一個監(jiān)測點，將徠卡圓棱鏡通過固定連接桿安裝在各監(jiān)測點位上，并將鏡面旋轉(zhuǎn)朝向測站方向。

在基坑施工現(xiàn)場強制觀測墩上安放測量機器人，并通過數(shù)據(jù)線與計算機連接，進(jìn)行調(diào)試工作。在計算機上運行“常州軌道交通工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)”，選擇三維位移監(jiān)測功能。首先設(shè)置好測站坐標(biāo)，完成定向工作。再控制測量機器人依次學(xué)習(xí)測量各監(jiān)測點的方位并進(jìn)行記錄，確保各監(jiān)測點位可通視并可正常觀測。最后設(shè)置好測量周期，將測量信息配置文件導(dǎo)出至現(xiàn)場控制箱中的工控機中，供自動測量使用。

現(xiàn)場調(diào)試完成后將測量機器人與工控機連接。為了確保測量的穩(wěn)定性，在工控機中發(fā)布占用資源較少的測量服務(wù)。在讀取測量信息配置文件后控制測量機器人按照設(shè)定好的測量周期與流程依次測得各監(jiān)測點的三維坐標(biāo)，并與各點位初始平面坐標(biāo)及高程值進(jìn)行對比，計算得到每期各監(jiān)測點位的豎向與水平方向變形值，繪制變形過程線，如圖5所示。

圖5 墻頂位移監(jiān)測點豎向與水平方向變形過程線

4.2 基坑墻體深層水平位移自動化監(jiān)測

基坑墻體深層水平位移自動化監(jiān)測點位的布設(shè)采用將測斜管與鋼筋籠綁扎一同下放的方式進(jìn)行。待地連墻混凝土澆筑完成后對測斜管進(jìn)行檢查，確保管內(nèi)通暢、平順。

在每個測斜管中按照2 m間隔布設(shè)固定式測斜儀，固定式測斜儀之間使用固定連接桿進(jìn)行連接，如圖6所示。

依次進(jìn)行各固定式測斜儀的安裝與下放工作，直至所有固定式測斜儀安裝到指定位置，將通信線纜統(tǒng)一由測斜管管口引出，并依次測試確保所有傳感器均能穩(wěn)定讀數(shù)后將通信線纜接入傳感器數(shù)據(jù)采集儀中，進(jìn)行周期性的自動化數(shù)據(jù)采集工作。

圖6 固定式測斜儀布設(shè)

固定式測斜儀全部安裝完成后記錄下各自的初始讀數(shù)F0。當(dāng)基坑地連墻墻體發(fā)生變形時，會使變形部位的測斜管產(chǎn)生彎曲，對應(yīng)位置處的固定式測斜儀姿態(tài)發(fā)生變化。采集到各監(jiān)測點位處所有傳感器數(shù)據(jù)后，將各深度位置處傳感器讀數(shù)Fi與各自的初始值進(jìn)行對比，再根據(jù)各固定式測斜儀的標(biāo)定系數(shù)K，計算得到各傳感器傾角變化量△θ：

△θ=K(Fi-F0)/3600

(1)

根據(jù)固定式測斜儀的固定長度L(mm)，可求出對應(yīng)的水平位移量△d(mm)：

(2)

將兩相鄰傳感器之間的間隔位置水平位移量進(jìn)行插值處理，最后以管底為基準(zhǔn)，計算各深度位置處累計水平位移量D(mm)：

D=∑△d

(3)

進(jìn)而可繪制出基坑墻體深層水平位移曲線，如圖7所示。

圖7 基坑墻體深層水平位移曲線

4.3 支撐軸力自動化監(jiān)測

根據(jù)施工進(jìn)度將鋼支撐軸力計與砼支撐鋼筋計安裝在指定的支撐位置處，并將傳感器通信線纜引出進(jìn)行測試，確保讀數(shù)穩(wěn)定后接入傳感器數(shù)據(jù)采集儀，按照設(shè)定周期自動采集數(shù)據(jù)。

根據(jù)各傳感器未施加應(yīng)力時的初始讀數(shù)F0與標(biāo)定系數(shù)K以及各期自動化采集到傳感器讀數(shù)Fi，即可計算出支撐軸力P(kN)：

P=1000K(Fi-F0)

(4)

支撐軸力自動化監(jiān)測成果如圖8所示。

圖8 支撐軸力自動化監(jiān)測成果

4.4 地下水位自動化監(jiān)測

地下水位自動化監(jiān)測采用振弦式水壓力計進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。當(dāng)水壓力計固定在水下某一測點時，該測點水壓荷載作用在水壓力計上，引起彈性膜板的變形并傳遞給鋼弦，轉(zhuǎn)變成鋼弦應(yīng)力的變化，從而改變鋼弦的振動頻率。電磁線圈激振鋼弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至采集設(shè)備，即可測出該測點的水壓值。由此計算出該測點水柱壓力高度(1千帕=101.971毫米水柱)，并結(jié)合該測點高程，即可間接測出水位。

通過鉆孔形式布設(shè)好水位管，測定管口至管內(nèi)水面的深度。使用直徑 1 mm的鋼絲懸掛水壓力計進(jìn)行下放。將水壓力計放置在管內(nèi)水面以下 4 m～5 m位置處，保證水壓力計始終位于水面以下。

水壓力計安裝完成后使用傳統(tǒng)水位計精確測定管內(nèi)水位值H0。

根據(jù)水壓力計未施加應(yīng)力時的初始讀數(shù)F0與標(biāo)定系數(shù)K以及各期自動化采集到的讀數(shù)Fi計算得到水壓力值P(MPa)：

P=1000K(Fi-F0)

(5)

在已知水密度ρ和重力加速度g的前提下可計算得到水面至水壓力計的水深h(m)：

(6)

以傳感器初始安裝完成測得的水壓力值P0作為初始值，計算得到的水深h0作為初始水深。將各期自動采集到的水深值hi與初始水深進(jìn)行對比，并顧及初始水位值H0可得各期水位監(jiān)測成果Hi(m)：

Hi=H0+(hi-h0)

(7)

地下水位自動化監(jiān)測成果如圖9所示。

圖9 地下水位自動化監(jiān)測成果

4.5 自動化監(jiān)測成效

基坑墻頂豎向與水平位移自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測共用監(jiān)測點位，在各基坑墻體深層水平位移、地下水位自動化監(jiān)測點位附近 1 m范圍內(nèi)布設(shè)有傳統(tǒng)人工監(jiān)測點位。在基坑開挖期間對以上自動化監(jiān)測項目選取監(jiān)測點與對應(yīng)的人工監(jiān)測點進(jìn)行成果對比。以人工監(jiān)測成果作為真值，評價自動化監(jiān)測成果的可靠性。

基坑墻頂豎向與水平位移人工監(jiān)測每天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。選取6個人工監(jiān)測點位20期的成果與同一觀測時段的自動化監(jiān)測成果進(jìn)行變化量對比，結(jié)果如表1、表2所示。

基坑墻頂豎向位移監(jiān)測成果變化量對比表 表1

基坑墻頂水平位移監(jiān)測成果變化量對比表 表2

基坑墻頂豎向位移人工監(jiān)測采用的是幾何水準(zhǔn)測量方法，與自動化監(jiān)測采用的測量機器人三角高程測量方法得到的監(jiān)測成果相比，每期變化量差值在 1 mm內(nèi)的數(shù)據(jù)條數(shù)占總數(shù)的85%，差值在 1 mm～2 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)條數(shù)占15%，無差值超過 2 mm的數(shù)據(jù)。基坑墻頂水平位移人工監(jiān)測采用同等精度的測量機器人進(jìn)行觀測，每期變化量差值在 1 mm內(nèi)的數(shù)據(jù)條數(shù)占總數(shù)的93.3%，差值在 1 mm～2 mm范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)條數(shù)占6.7%，無差值超過 2 mm的數(shù)據(jù)。各期基坑墻頂豎向與水平位移自動化監(jiān)測成果與人工監(jiān)測成果相符合。

基坑墻體深層水平位移人工監(jiān)測使用測斜儀每天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。選取同一期6個人工監(jiān)測點與對應(yīng)的自動化測點監(jiān)測成果進(jìn)行對比，如圖10所示。

圖10基坑墻體深層水平位移監(jiān)測成果對比圖

上圖中實線表示的是各基坑墻體深層水平位移人工監(jiān)測點變形情況，虛線表示的是對應(yīng)的各自動化監(jiān)測點變形情況。自動化監(jiān)測反映出的點位變形趨勢與人工監(jiān)測成果一致，可真實反映基坑墻體在水平方向上的變形情況。

地下水位人工監(jiān)測使用水位計每天進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。選取6個人工監(jiān)測點位20期的成果與同一觀測時段的自動化監(jiān)測成果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖11所示。

圖11地下水位監(jiān)測成果對比圖

上圖中實線表示的是各地下水位人工監(jiān)測點的水位變化情況，虛線表示的是對應(yīng)的各自動化監(jiān)測點水位變化情況。自動化監(jiān)測得到的水位值與人工測量得到的趨勢一致，能可靠地反映地下水位的變化情況。

紫云站主體基坑目前已完成所有的開挖及底板澆筑工作，在此期間自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)按照每小時一次的頻率進(jìn)行各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理并進(jìn)行了及時發(fā)布，發(fā)現(xiàn)了多起地連墻墻體變形過大、支撐軸力值異常以及地下水位變化異常等情況，及時指導(dǎo)施工方查明原因并采取相應(yīng)的處理措施，保障了基坑工程施工的順利進(jìn)行。

5 結(jié) 論

地鐵基坑自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對地鐵基坑工程多項重點監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)自動化采集、傳輸、處理以及發(fā)布，綜合運用高精度的測量機器人及監(jiān)測用傳感器，有效減少人工成本且可實時獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測成果，為地鐵基坑工程安全施工提供了可靠保障。