建筑物沉降、傾斜自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)探究

吳 俊 （上海市巖土工程檢測中心，上海 200436）

0 前言

監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形情況，保證結(jié)構(gòu)的安全(監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài))；通過沉降監(jiān)測，可以采取相應(yīng)措施，控制沉降的發(fā)展，保證結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量；根據(jù)實(shí)測的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)方法對(duì)后期沉降速度、總下降量以及工后沉降值進(jìn)行了計(jì)算分析，確保了有效控制路基沉降的必要環(huán)節(jié)；發(fā)現(xiàn)了正常沉降與不均勻沉降。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)由四部分組成：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，其中傳感器子系統(tǒng)由垂直方向位移、傾斜方向位移對(duì)應(yīng)的監(jiān)測傳感器組成；數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)由每個(gè)監(jiān)視收集單元組成，收集的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的傳輸而被傳輸，最終被轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫來收集，由計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)解算、分析后展示給各需求方。

1.2 建筑沉降監(jiān)測設(shè)備——壓差式靜力水準(zhǔn)儀

壓差式靜力水準(zhǔn)儀是推出的一款高精度的壓差式靜力水準(zhǔn)傳感器，相比傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)儀，該傳感器是由進(jìn)口元件組成，通過工業(yè)化設(shè)計(jì)，不僅做到了體積小、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，還具有長期穩(wěn)定性的特點(diǎn)。多個(gè)傳感器通過水管連接，組成靜力水準(zhǔn)測試系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于路面線形沉降和剖面沉降、大壩線形沉降以及建筑物沉降的精密測量。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

1.2.1 工作原理

①傳感器原理：傳感器在不銹鋼腔內(nèi)安裝壓敏元件，壓敏元件在單晶硅片上擴(kuò)散惠斯通電橋。測量的介質(zhì)(氣體或液體)壓力改變橋壁(壓阻效應(yīng))的電阻值并產(chǎn)生差分電壓信號(hào)。通過專用放大器，將與該范圍對(duì)應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)輸出。

②系統(tǒng)原理：壓差式靜力水準(zhǔn)儀測試系統(tǒng)由多個(gè)安裝在不同測點(diǎn)的壓差式靜力水準(zhǔn)儀組成，并設(shè)置一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)作為參考點(diǎn)。將每個(gè)傳感器用水管聯(lián)通，整個(gè)系統(tǒng)灌滿水（防凍液效果佳），系統(tǒng)兩端各配備一個(gè)水箱，用來使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。通過測量測點(diǎn)傳感器與參考點(diǎn)傳感器之間的壓力差值，計(jì)算相對(duì)參考點(diǎn)的位移變化。系統(tǒng)采用測試壓力變化的方法，相比傳統(tǒng)液位測量，響應(yīng)速度更快，系統(tǒng)體積更小，使用更方便。

圖2 壓差式靜力水準(zhǔn)儀安裝示意圖

1.2.2 測點(diǎn)和線路安裝布置

根據(jù)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場的實(shí)際情況設(shè)計(jì)測點(diǎn)和線路布置的方案，參考點(diǎn)的選取尤為重要，原則上選擇穩(wěn)定不變的結(jié)構(gòu)點(diǎn)布置。安裝工具和部件需要提前準(zhǔn)備，包括純凈水、防凍液、水管、傳感器、安裝配件、萬用表、扳手、水泵、電源模塊、筆記本等。傳感器的安裝要控制傳感器在量程范圍內(nèi)變化，保證所有傳感器基本安裝在同一水平面上。將傳感器自由在參考點(diǎn)和各個(gè)測點(diǎn)，通過水管連接成系統(tǒng)，系統(tǒng)兩端與大氣連通。系統(tǒng)一端注水，另一端接一大水箱，水箱高度應(yīng)比所有的測點(diǎn)和參考點(diǎn)的位置略高(注意考慮測點(diǎn)的位移變化，液位高不能超過傳感器量程）。從系統(tǒng)的一端通過抽水水泵往系統(tǒng)內(nèi)注水，注水直至系統(tǒng)另一頭出水，停止注水。按水管接的順序依次搖晃傳感器將氣泡往后排(搖晃傳感器時(shí)開水泵注水)，直至將所有氣泡排出，同時(shí)沿線檢查是否有漏水點(diǎn)。確保整個(gè)系統(tǒng)灌滿水后，固定注水端的注水管與水箱連接，水箱注滿水。確定測點(diǎn)傳感器安裝的高度，根據(jù)測點(diǎn)的結(jié)構(gòu)選用。支撐板的安裝方式?；炷两Y(jié)構(gòu)采用膨脹螺栓固定，鋼結(jié)構(gòu)采用焊接方式。兩者均通過調(diào)節(jié)在通絲螺桿的位置調(diào)整傳感器至合適的高度，擰緊固定。連接傳感器至采集模塊，根據(jù)設(shè)計(jì)方案布置通訊設(shè)備和線路。系統(tǒng)設(shè)備、水管、導(dǎo)線等做好防護(hù)和標(biāo)識(shí)，防止現(xiàn)場施工破壞系統(tǒng)。注意水管和導(dǎo)線不能拉扯過緊，需考慮測點(diǎn)的位移變化情況留有余量。

1.3 建筑傾斜監(jiān)測設(shè)備——AZ103X傾斜儀

使用高精度MEMS傳感器，結(jié)合溫度、地磁傳感器的傾斜與振動(dòng)模塊，能夠垂直或者水平安裝，完成深層土體水平位移、傾斜、振動(dòng)、沖擊等測量；外型尺寸：27 X 25 X 112，防水能力：水下200m；外型圖如圖3所示。

圖3 傾斜與振動(dòng)模塊外型

圖4 太陽能面板和測量桿

測量桿可直接安裝于測量體外部或者內(nèi)部，也可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)測量管內(nèi)。1000mm規(guī)格的相比500mm規(guī)格的效果更佳。測量桿直接固定于墻體。測量桿內(nèi)置傾斜監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，配上電池和太陽能板，即可連續(xù)在室外使用。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能需求

監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，數(shù)據(jù)處理功能，數(shù)據(jù)展示功能，信息匯報(bào)功能。傳感器將信息傳輸?shù)椒?wù)器以后，經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，顯示到監(jiān)測系統(tǒng)供用戶查看，二次分析。實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、顯示、報(bào)警等功能，便于管理人員準(zhǔn)確掌握監(jiān)測體的實(shí)時(shí)變形量及變形趨勢。為安全生產(chǎn)決策提供可靠資料和依據(jù)，保證人民群眾的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

2.1 傾斜監(jiān)測

傾斜監(jiān)測模塊主要用來顯示建筑物傾斜的信息，包括各監(jiān)測點(diǎn)的曲線圖、數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等內(nèi)容。通過觀察建筑物傾斜的變化，根據(jù)設(shè)備允許的變化值來設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)變化超過允許值時(shí)，監(jiān)測平臺(tái)的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)送消息給各方。

此模塊可以對(duì)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線圖進(jìn)行放大縮小操作，亦可以通過修改時(shí)間來查看各時(shí)間段的數(shù)據(jù)。通過這個(gè)功能，各方可以更好的了解數(shù)據(jù)變化的規(guī)律及趨勢。

2.2 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測模塊主要用來顯示建筑物有無差異沉降及整體下沉的信息，包括各監(jiān)測點(diǎn)的曲線圖、數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等內(nèi)容。通過觀察建筑物沉降的變化，根據(jù)設(shè)備允許的變化值來設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)變化超過允許值時(shí)，監(jiān)測平臺(tái)的報(bào)警系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)送消息給各方。

此模塊可以對(duì)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線圖進(jìn)行放大縮小操作，亦可以通過修改時(shí)間來查看各時(shí)間段的數(shù)據(jù)。通過這個(gè)功能，各方可以更好的了解數(shù)據(jù)變化的規(guī)律及趨勢。實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)列表也可以隨時(shí)進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出等操作。

2.3 監(jiān)測頻率

檢測頻率需要滿足實(shí)際工作需求并且可遠(yuǎn)程控制，周圍基坑開挖前頻率可以低些，開挖過程中和開挖后，以及有異常情況時(shí)需要縮短檢測頻率。

2.4 監(jiān)測報(bào)警值

監(jiān)測報(bào)警值需要滿足上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程施工監(jiān)測規(guī)程》（DG/TJ 08-2001-2016》中相關(guān)規(guī)定，并參照圍護(hù)設(shè)計(jì)說明以及以監(jiān)理要求執(zhí)行。

3 總結(jié)

考慮到建筑物沉降和建筑物傾斜需要長期的檢測維護(hù)，安裝自動(dòng)化檢測設(shè)備來檢測沉降、傾斜對(duì)實(shí)際工程的數(shù)據(jù)進(jìn)行掌握，一方面節(jié)省了人工成本，另一方面也提高了工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，做出重要決策。同時(shí)也推進(jìn)智慧監(jiān)測的發(fā)展。本文討論的兩種應(yīng)用，需要在實(shí)踐中不多積累數(shù)據(jù)，掌握各種情況，穩(wěn)步推進(jìn)發(fā)展，優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)及設(shè)備布置技術(shù)，為建筑物沉降、傾斜自動(dòng)化監(jiān)測提供有力保障。