視覺(jué)傳感技術(shù)在深基坑坑周土體沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

凌壯志，劉 賀，王 旭

(1. 杭州地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州 310007；2. 中鐵十局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司，安徽 合肥 250101；3. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

0 引 言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，地下綜合體、地下綜合管廊、地下軌道交通、超高層建筑等基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目日益增多，基坑工程的規(guī)模不斷擴(kuò)大，帶來(lái)一系列新的技術(shù)問(wèn)題和挑戰(zhàn)[1]。我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)情況多樣，在城市中開(kāi)展工程建設(shè)又面臨著周圍環(huán)境復(fù)雜問(wèn)題，開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)較高，且基坑開(kāi)挖引起的環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題在城市地下工程建設(shè)中備受關(guān)注。軟土地區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)由于施工過(guò)程中土體的應(yīng)力釋放而引起地層變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及鄰近建（構(gòu)）筑物、道路和地下管線等的正常使用[2-4]。近年來(lái)，實(shí)時(shí)和周期性監(jiān)測(cè)手段被越來(lái)越多地應(yīng)用在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)基坑工程安全與穩(wěn)定性起著重要的作用[5-7]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，眾多新技術(shù)和新設(shè)備被應(yīng)用到基坑及其周圍環(huán)境變形監(jiān)測(cè)[8-9]中，如靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)技術(shù)、激光傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)以及結(jié)合了圖像識(shí)別技術(shù)[10]的視覺(jué)傳感技術(shù)等，都大大提高了監(jiān)測(cè)的精度與效率。

鑒于傳統(tǒng)接觸式傳感器種類多、數(shù)量多、成本高、安裝與維護(hù)困難、設(shè)備安裝數(shù)量受限制、精度與穩(wěn)定性受環(huán)境影響大等特點(diǎn)，本文引入了非接觸式的視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期補(bǔ)充目前涉鐵工程監(jiān)（檢）測(cè)項(xiàng)目的方法體系。非接觸式視覺(jué)感知體系的優(yōu)勢(shì)[8]主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）視覺(jué)傳感器將有效減少監(jiān)測(cè)方案中傳感器布設(shè)點(diǎn)位的數(shù)量，降低監(jiān)測(cè)硬件的投入成本；（2）視覺(jué)傳感器的非接觸遠(yuǎn)距離觀測(cè)特性，可以在距離數(shù)十米或百米之外，對(duì)基坑周邊土體、高鐵橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)（檢）測(cè)，最大程度地避免受到基坑現(xiàn)場(chǎng)施工的影響，同時(shí)也為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安裝與維護(hù)提供了便利，為基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的行業(yè)監(jiān)測(cè)帶來(lái)新的思路。

本文以嘉興市域外配水工程D6盾構(gòu)井基坑開(kāi)挖工程為試驗(yàn)案例，以靜力水準(zhǔn)儀與視覺(jué)傳感技術(shù)為監(jiān)測(cè)手段，來(lái)驗(yàn)證視覺(jué)傳感技術(shù)在深基坑周圍土體沉降監(jiān)測(cè)中的適用性。

1 工程概況

嘉興市域外配水工程（杭州方向）取水口為杭州閑林配水井，起點(diǎn)為杭州仁和節(jié)點(diǎn)，終點(diǎn)為嘉興市各自來(lái)水廠。輸水線路總長(zhǎng)為172.2 km，其中杭州段長(zhǎng)為23.1 km，嘉興段長(zhǎng)為148.5 km。輸水隧道采用盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)開(kāi)挖。本文取盾構(gòu)線路中的D6盾構(gòu)井作為試驗(yàn)場(chǎng)地，D6盾構(gòu)井北側(cè)約80 m為滬昆高鐵橋梁段，西側(cè)約26 m為新河南路路基段，南側(cè)約32 m為S16杭浦高速路基段。隧道施工與運(yùn)營(yíng)高鐵對(duì)周圍土體變形影響大，在隧道施工期間，因高鐵減速運(yùn)行及車輛段減速運(yùn)行，兩者直接作用于周圍土體，會(huì)加劇周邊土體的變形，間接影響高架橋墩樁基礎(chǔ)承受的荷載，進(jìn)而威脅高鐵橋梁的結(jié)構(gòu)安全。工程概況詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 工程概況平面圖Fig. 1 Overview of the research site

本項(xiàng)目采用明挖法開(kāi)展基坑施工，分為 10個(gè)施工階段，分別為：（1）從開(kāi)始開(kāi)挖到第二道鋼支撐架設(shè)完成；（2）從第二層土開(kāi)挖到第三道鋼支撐架設(shè)完成；（3）從第三層土開(kāi)挖到第四道環(huán)框梁完成；（4）從第四道環(huán)框梁完成到第四道鋼支撐架設(shè)完成；（5）從第四層土開(kāi)挖到第五道鋼支撐架設(shè)完成；（6）從第五層土開(kāi)挖到第六道鋼支撐架設(shè)完成；（7）從第六層土開(kāi)挖到底板澆筑完成；（8）從底板澆筑完成到第五、六道鋼支撐拆除完成；（9）從第五道鋼支撐拆除完成到第三、四道鋼支撐拆除完成；（10）從第三、四道鋼支撐拆除完成到頂板澆筑完成。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)目的

高鐵高架橋的變形控制要求高，需要盡量減小鄰近基坑工程的施工影響。傳統(tǒng)接觸式傳感器種類多、數(shù)量多、成本高、安裝與維護(hù)困難、設(shè)備安裝數(shù)量受限制、精度與穩(wěn)定性受環(huán)境影響大、易掉線。因此，為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基坑施工引起的土體變形，第一時(shí)間掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證工程鄰近高鐵高架橋的安全運(yùn)行，引入原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和視覺(jué)傳感器系統(tǒng)共同監(jiān)測(cè)土體位移。

2.2 原位沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）儀器設(shè)備

原位監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高精度磁性位移傳感器來(lái)測(cè)量目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的高低變化。系統(tǒng)包含多臺(tái)磁浮子液位傳感器（圖 2）并由一根Φ14 mm的通液管與Φ6 mm的通氣管連接在一起，通氣管的作用是保持系統(tǒng)中所有儲(chǔ)液罐內(nèi)部氣壓相同以保持液面一致。

圖2 電磁式靜力水準(zhǔn)傳感器組成圖Fig. 2 Composition diagram of electromagnetic static leveling sensor

傳感器輸出為數(shù)字接口，每部?jī)x器都有一個(gè)可寫(xiě)入的地址，所有傳感器只需使用1根4芯電纜即可將測(cè)值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集裝置上。每個(gè)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)必須設(shè)置基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)沉降或抬升時(shí)，測(cè)點(diǎn)處儲(chǔ)液灌液位隨之改變，液位變化帶動(dòng)內(nèi)部的浮子改變，并被內(nèi)部的敏感器件所感應(yīng)最終通過(guò)電纜輸出。

（2）初始讀數(shù)獲取

液體灌注完畢并確認(rèn)排氣合格，然后讓系統(tǒng)平衡幾個(gè)小時(shí)后讀取傳感器的初始讀數(shù)。確保讀數(shù)是在系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)或夜晚等影響比較小的時(shí)段進(jìn)行。信號(hào)以水位mm為單位輸出。

（3）沉降量計(jì)算

任意測(cè)點(diǎn)的變化量減去基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的變化量即為該測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)的沉降量。任意測(cè)點(diǎn)的沉降量Sn計(jì)算公式為：

式中：Sn為測(cè)點(diǎn)n的沉降量，mm；R1n為測(cè)點(diǎn)n的當(dāng)前讀數(shù)，mm；R0n為測(cè)點(diǎn)n的初始讀數(shù)，mm；R1ref為基準(zhǔn)點(diǎn)當(dāng)前讀數(shù)，mm；R0ref為基準(zhǔn)點(diǎn)初始讀數(shù)，mm。

其中（R1n-R0n）為測(cè)點(diǎn)液位變化量，（R1ref-R0ref）為基準(zhǔn)點(diǎn)的液位變化量，即測(cè)點(diǎn)的沉降量始終與基準(zhǔn)點(diǎn)密切相關(guān)。

2.3 視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）監(jiān)測(cè)原理

視覺(jué)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是使用相機(jī)拍攝目標(biāo)結(jié)構(gòu)體，利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)感知方法捕捉連續(xù)視頻流中結(jié)構(gòu)體上的目標(biāo)點(diǎn)，同步計(jì)算出每一時(shí)刻目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的空間相對(duì)坐標(biāo)（水平和豎向），并轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)系下在水平和豎直兩個(gè)方向上的實(shí)際位移，繪制目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線。單目相機(jī)視覺(jué)定位原理見(jiàn)圖 3。目前，市面上的視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量距離最遠(yuǎn)可達(dá)500 m，分辨率可達(dá)到±0.1 mm（50 m距離），測(cè)量精度可達(dá)到±0.5 mm（50 m距離）。

圖3 單目相機(jī)定位常用方法Fig. 3 Common positioning methods of monocular camera

（2）視覺(jué)定位

根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，本文采用了一款人工二維碼標(biāo)靶用來(lái)標(biāo)識(shí)目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖4）。此二維碼圖案具有唯一性，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成，使用時(shí)將其黏貼在目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置用于定位。相比于直接拍攝目標(biāo)特征點(diǎn)的方法，二維碼標(biāo)靶對(duì)比度高、角點(diǎn)清晰、不受使用場(chǎng)景限制，還可通過(guò)設(shè)置其編碼實(shí)現(xiàn)多個(gè)靶點(diǎn)同時(shí)定位。

圖4 定制化二維碼標(biāo)靶Fig. 4 Two-dimensional code for positioning the monitoring target

（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

目標(biāo)點(diǎn)在二維圖像中的位移需通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為三維物理世界中的真實(shí)位移。本文通過(guò)solvePnP[11]算法求得了標(biāo)靶坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系三者之間的變換關(guān)系，從而獲得目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維動(dòng)態(tài)變形信息。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)，采用視覺(jué)監(jiān)測(cè)技術(shù)的位移長(zhǎng)期監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑沉降、公（鐵）路橋梁、隧道、地下管廊、建筑物、水利大壩、高塔等大型結(jié)構(gòu)體的位移、振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)部署

D6盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，2道混凝土支撐和4道鋼支撐，地下2層矩形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外包長(zhǎng)度為35.5 m×13 m，頂板覆土厚約 2.5 m，基坑深約 21.65 m。D6盾構(gòu)井北側(cè)約80 m為滬昆高鐵橋梁段。在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，為監(jiān)測(cè)基坑開(kāi)挖引起的土體變形對(duì)鄰近高鐵橋的影響，將測(cè)線設(shè)置為從D6盾構(gòu)井基坑至高架橋橋墩的一根直線。沿著測(cè)線安裝5個(gè)靜力水準(zhǔn)儀（編號(hào)為SL-01、SL-02、SL-03、SL-04、SL-05）和4個(gè)視覺(jué)標(biāo)靶點(diǎn)（編號(hào)為L(zhǎng)T-02、LT-03、LT-04、LT-05）對(duì)施工引起的周圍地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中SL-01為原位監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖Fig. 5 Deployment of the monitoring devices

本項(xiàng)目將視覺(jué)監(jiān)測(cè)主機(jī)安裝在高鐵橋墩上，一則有一定高度用于俯視各測(cè)點(diǎn)，二則相對(duì)穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)主機(jī)的供電從施工工地外接電線，公路部分鋪設(shè)鋼管和減速帶過(guò)渡至橋墩墩頂。其余4個(gè)靶點(diǎn)均在工地內(nèi)，設(shè)墩臺(tái)串管鋪設(shè)電線即可?；鶞?zhǔn)點(diǎn)則安裝在視覺(jué)監(jiān)測(cè)主機(jī)附近，不易受施工影響的位置。視覺(jué)監(jiān)測(cè)主機(jī)和SL-02/LT-02之間的距離為13.2 m，SL-02/LT-02和SL-03/LT-03之間的距離為13.43 m，SL-03/LT-03和SL-04/LT-04之間的距離為20.50 m，SL-04/LT-04和SL-05/LT-05之間的距離為38.17 m。SL-04/LT-04和SL-05/LT-05之間為一水塘，分別在水塘兩側(cè)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

D6盾構(gòu)井從2020年8月23日開(kāi)挖，到2020年11月7日完成頂板，共計(jì)1 825 h。圖6為SL-02/LT-02、SL-03/LT-03、SL-04/LT-04、SL-05/LT-05號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在這1 825 h內(nèi)的沉降值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖6中黑點(diǎn)表示由靜力水準(zhǔn)儀獲取的沉降值數(shù)據(jù)，紅點(diǎn)表示由視覺(jué)傳感系統(tǒng)采集并經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換獲得的沉降值數(shù)據(jù)。圖6中橫軸為監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)，h，縱軸為地表沉降值，mm。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)視覺(jué)監(jiān)測(cè)與原位監(jiān)測(cè)沉降數(shù)據(jù)Fig. 6 Record of the visual monitoring data and in-situ monitoring data

表 1和表 2記錄了各施工階段不同測(cè)點(diǎn)處獲得的兩種監(jiān)測(cè)方式極值。其中SL表示原位監(jiān)測(cè)方式（靜力水準(zhǔn)儀），TL表示非接觸式視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)方式。

表1 1-5施工階段不同測(cè)點(diǎn)處兩種監(jiān)測(cè)方式極值Table 1 Extreme values of the two monitoring methods at different measuring points in the construction stage 1-5

表2 6-10施工階段不同測(cè)點(diǎn)處兩種監(jiān)測(cè)方式極值Table 2 Extreme values of the two monitoring methods at different measuring points in the construction stage 6-10

從圖6可以看出：

（1）靜力水準(zhǔn)儀和視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)基本一致，均是隨著土體的不斷開(kāi)挖，地表沉降值逐漸增大，但隨著底板、側(cè)墻和頂板的不斷澆筑完成，地表沉降值不斷減小。

（2）靜力水準(zhǔn)儀由于液體受溫度、振動(dòng)的影響較大，故波動(dòng)比視覺(jué)監(jiān)測(cè)要大，導(dǎo)致在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降值整體比視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的值要大；而視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于識(shí)別頻率高、受溫度和環(huán)境振動(dòng)影響較小，因此穩(wěn)定性更好，在本次監(jiān)測(cè)中體現(xiàn)出了這一優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

（1）對(duì)于深基坑開(kāi)挖引起的周邊土體沉降變形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)和靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)獲得的變形趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)人工檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合，證明視覺(jué)傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用于深基坑開(kāi)挖引起周圍土體變形的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

（2）相較于傳統(tǒng)的基于靜力水準(zhǔn)儀的沉降監(jiān)測(cè)，視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度可以達(dá)到毫米級(jí)，在數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（3）基于靜力水準(zhǔn)儀和視覺(jué)傳感技術(shù)的實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)對(duì)控制基坑開(kāi)挖引起的周圍土體變形起到了重要的數(shù)據(jù)支撐作用，可用于指導(dǎo)施工過(guò)程。

（4）從長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和定期檢測(cè)這兩個(gè)應(yīng)用需求來(lái)看，視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備較少，綜合成本要比安裝原位傳感器低，且安裝方式更簡(jiǎn)單，結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，可作為基坑監(jiān)測(cè)的一種主要手段推廣應(yīng)用。