基于BDS的毫米級(jí)基坑圍墻位移監(jiān)測(cè)及告警系統(tǒng)

潘軍道，蔡浩原,2，劉振耀，吳春秋，張邦芾，楊斌，劉豐敏，趙晟霖,2

( 1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094；2. 傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094；3. 國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心, 北京 100094；4. 建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司, 北京 100094 )

0 引 言

建筑基坑安全是基坑開(kāi)挖以及建筑施工的關(guān)鍵，基坑安全關(guān)聯(lián)各種因素，貫穿整個(gè)建筑施工周期，如圖1所示，在基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程中，坑內(nèi)外的土壓力會(huì)發(fā)生較大的改變，土壓力的改變會(huì)引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、基坑圍墻沉降等危害. 周凱強(qiáng)等[1]對(duì)不同基坑開(kāi)挖工序?qū)拥挠绊戇M(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果證實(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平側(cè)移會(huì)在開(kāi)挖持續(xù)進(jìn)行過(guò)程中不斷增加.一般情況下，在施工過(guò)程中，建筑基坑圍墻的位移量、位移速率在允許范圍內(nèi)，理論上不會(huì)對(duì)基坑及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響.

圖1 建筑基坑圍墻

傳統(tǒng)的高層建筑基坑形變監(jiān)測(cè)方法[5]操作復(fù)雜，受人工操作結(jié)果一致性差、完成一次測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等條件限制，傳統(tǒng)方法存在測(cè)量誤差大、測(cè)量頻次低等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足自動(dòng)化和多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)的需求.

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)定位技術(shù)在結(jié)構(gòu)塔樓、煙囪、高層建筑和橋梁形變中得到了廣泛的應(yīng)用[6-8]. 鄭榮躍等[9]結(jié)合工程實(shí)踐和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)探討了基坑水平位移和地表沉降的基本規(guī)律，建立了基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程中的預(yù)警指標(biāo)體系；結(jié)合基坑的保護(hù)等級(jí)，設(shè)計(jì)了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的毫米級(jí)基坑圍墻位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集解算頻率為60 min/次；給出了一種自動(dòng)化形變監(jiān)測(cè)及告警方法.當(dāng)被監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)水平位移和高程沉降超出閾值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息.

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

在深基坑施工中即使采取了合理的基坑支護(hù)措施，也不能阻止支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體的位移、變形[2-4]，

1.1 部署方案

當(dāng)前對(duì)高精度位移監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理多是后處理方法[10-11]，后處理方法雖然能夠檢測(cè)細(xì)微的位移和形變，但是不能滿足監(jiān)測(cè)的時(shí)效性. 針對(duì)一級(jí)基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑圍墻及支護(hù)結(jié)構(gòu)需要定時(shí)檢測(cè)水平位移和沉降位移問(wèn)題，結(jié)合具體施工情況在基坑圍墻和邊坡安裝基于BDS的位移監(jiān)測(cè)終端，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署示意圖如圖2所示.

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部署在基坑圍墻和邊坡上，節(jié)點(diǎn)數(shù)量視具體的基坑環(huán)境而定，主要部署在基坑圍墻易發(fā)生位移和沉降的關(guān)鍵地方，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)底部通過(guò)膨脹螺釘與基坑圍墻固連在一起，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)下側(cè)為電池箱和天線固定結(jié)構(gòu)件，上側(cè)為GNSS測(cè)量型天線, 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)如圖3所示.

圖3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由基準(zhǔn)站部分和監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩部分構(gòu)成．基準(zhǔn)站部分包括基準(zhǔn)站和服務(wù)器，基準(zhǔn)站安置在距離基坑作業(yè)區(qū)周?chē)欢ň嚯x的土方固定的位置上，基準(zhǔn)站天空環(huán)境要求良好，無(wú)遮擋；基準(zhǔn)站每小時(shí)將BDS觀測(cè)文件和星歷文件上傳至服務(wù)器；監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝采集終端，測(cè)點(diǎn)分布在基坑圍墻或者基坑邊坡上，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同步觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將BDS觀測(cè)文件上傳至服務(wù)器，每小時(shí)1次，由服務(wù)器順序?qū)Ω鱾€(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行短基線差分解算，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移狀態(tài)和沉降狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并將解算的測(cè)點(diǎn)位移信息送給服務(wù)器前端顯示，同時(shí)服務(wù)器對(duì)測(cè)點(diǎn)的位移和沉降進(jìn)行成圖展示，系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

2 形變信息的識(shí)別與告警

采用質(zhì)量過(guò)程控制方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)，對(duì)解算數(shù)據(jù)檢驗(yàn)并告警，從而完成形變信息的識(shí)別和告警.

假設(shè)監(jiān)測(cè)序列服從正態(tài)分布，休哈特控制圖[12]依據(jù)3倍標(biāo)準(zhǔn)差構(gòu)建，通過(guò)計(jì)算形變監(jiān)測(cè)量平均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差 σ 構(gòu)建異常控制限，將超出控制限的數(shù)據(jù)定義為異常數(shù)據(jù)，異?？刂葡薜臉?gòu)建以 3 σ 方式構(gòu)建，控制限區(qū)間為 ( μ-3σ,μ+3σ) ，則置信概率為99.73%，可以有效判別出監(jiān)測(cè)序列中大的偏移數(shù)據(jù). 如圖5所示，縱軸表示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，橫軸表示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歷元.

圖5 休哈特控制示意圖

利用形變監(jiān)測(cè)量變化量的平均值 μ 和 標(biāo)準(zhǔn)差 σ 的獲取形變上下限. 位移信息的識(shí)別需要對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行標(biāo)定，利用測(cè)點(diǎn)連續(xù)一天的觀測(cè)值和已知參考站的準(zhǔn)確位置解算監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置序列Xi(i=1,2,···,n) ，n為樣本大小，認(rèn)定Xi近 似服從正態(tài)分布，Xi～N(μ0,σ) ，假設(shè) μ0為測(cè)點(diǎn)的真值，上下限為 ( μ0-3σ,μ0+3σ) ，則形變監(jiān)測(cè)量變化量為為測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中的測(cè)量值；其中參考點(diǎn)位置通過(guò)澳大利亞地質(zhì)科學(xué)局的在線數(shù)據(jù)處理服務(wù)進(jìn)行解算，直接處理為ITRF2014坐標(biāo)；最終的形變測(cè)量變化量轉(zhuǎn)化到本地東(E)、北(N)、天頂(U)坐標(biāo)系下表示.

3 測(cè)點(diǎn)位置解算處理策略與算法驗(yàn)證

測(cè)點(diǎn)位置解算方法為

各個(gè)測(cè)點(diǎn)和參考點(diǎn)獨(dú)立采集多頻BDS數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理部分，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)和參考站之間構(gòu)造雙差解算方程，利用開(kāi)源程序庫(kù)RTKLIB[13]已有的庫(kù)函數(shù)，編寫(xiě)B(tài)DS數(shù)據(jù)高精度位置解算程序，由位移監(jiān)測(cè)告警服務(wù)調(diào)用，從而順序解算出每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在ECEF下的三維坐標(biāo)，最后由位移監(jiān)測(cè)告警服務(wù)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，將ECEF下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為本地E、N、U坐標(biāo)[14]，從而直接對(duì)測(cè)點(diǎn)位移進(jìn)行評(píng)估和分析.

3.1 數(shù)據(jù)選取與測(cè)試

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)，在短基線條件下驗(yàn)證算法的正確性，數(shù)據(jù)選取澳大利亞科廷大學(xué)站點(diǎn)NET-R9接收機(jī)數(shù)據(jù)，選取CUT00和CUTA0兩個(gè)站點(diǎn)基線長(zhǎng)度為8.42 m[15]的數(shù)據(jù)；利用站點(diǎn)已標(biāo)定的天線在ECEF坐標(biāo)系下的準(zhǔn)確位置，對(duì)位置解算程序解算的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，測(cè)試解算程序是否具有毫米級(jí)的定位解算能力.

3.2 解算策略

用已經(jīng)標(biāo)定的天線位置作為基準(zhǔn)，對(duì)解算程序解算結(jié)果做外符合精度評(píng)估，解算程序處理策略如表1所示.

表1 解算處理策略

短基線情況下，選取2020-01-01—01-02數(shù)據(jù)，小時(shí)解結(jié)果歸算到E、N、U坐標(biāo)系下外符合精度如圖6所示.

圖6 短基線外符合測(cè)試結(jié)果

由短基線數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果可以得出，該解算程序在E、N、U三個(gè)方向上的誤差分別可以達(dá)到1 mm、1 mm、3 mm的解算能力，可以用該解算程序進(jìn)行毫米級(jí)的位移監(jiān)測(cè).

4 算例分析

4.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)際數(shù)據(jù)采集，實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試過(guò)程中，設(shè)備部署在樓頂，模擬基坑圍墻實(shí)際安裝環(huán)境，其中基線長(zhǎng)度50 m，部署節(jié)點(diǎn)2個(gè)，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)；采集節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作，每天0：00—06：00、08：00—13：00、16：00—21：00這三個(gè)時(shí)間段采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每小時(shí)采集一份數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分文件夾存儲(chǔ)，以便后續(xù)解算服務(wù)順序?qū)γ總€(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算；每天 06：00—08：00、14：00—16：00、22:00—24：00這三個(gè)時(shí)間段休眠；參考節(jié)點(diǎn)和測(cè)點(diǎn)終端的實(shí)際天空環(huán)境，如圖7所示.

圖7 實(shí)際測(cè)試環(huán)境

選取2020-01-15—01-16節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，事后數(shù)據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果如圖8所示.

圖8 實(shí)際數(shù)據(jù)事后測(cè)試結(jié)果

事后測(cè)試結(jié)果表明在E方向和N方向監(jiān)測(cè)水平可以達(dá)到0.25 mm，在U方向可以達(dá)到0.5 mm.

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

網(wǎng)頁(yè)展示頁(yè)面，站點(diǎn)狀態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖9所示，圖9由上至下依次為E、N、U三個(gè)方向上2021-12-01—2022-01-05動(dòng)態(tài)結(jié)果圖，由實(shí)際運(yùn)行結(jié)果可以得出，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)在E方向上具備5 mm的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水平，在N方向上具備4 mm的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水平，在U方向上具備9 mm的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水平，2021-12-17—22由于硬件調(diào)試，網(wǎng)頁(yè)端展示結(jié)果為空.

圖9 系統(tǒng)E、N、U三方向?qū)崟r(shí)運(yùn)行結(jié)果圖

為方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)終端狀態(tài)，系統(tǒng)提供了微信端公眾號(hào)查看功能，可在微信小程序上隨時(shí)隨地查看系統(tǒng)結(jié)果，當(dāng)E、N、U動(dòng)態(tài)誤差出現(xiàn)較大的偏差時(shí)會(huì)出現(xiàn)告警提示，由于目前測(cè)試中沒(méi)有較大的偏差所以未出現(xiàn)警告提示.

4.3 數(shù)據(jù)檢核

長(zhǎng)期穩(wěn)定數(shù)據(jù)不具備真實(shí)條件下形變監(jiān)測(cè)能力的檢驗(yàn)條件，因此利用光學(xué)平臺(tái)對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)際位移測(cè)試，從而達(dá)到檢核系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能力的目的. 如圖10所示，基準(zhǔn)站采用標(biāo)準(zhǔn)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)參考站，利用手動(dòng)精密滑臺(tái)對(duì)終端進(jìn)行水平位移測(cè)試.

圖10 水平滑臺(tái)終端測(cè)試場(chǎng)景

對(duì)終端進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，每次測(cè)試連續(xù)1 h，由前2 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取終端的準(zhǔn)確值并以此作為參考，隨后每隔2 h調(diào)節(jié)一次滑臺(tái)上的螺旋測(cè)微器標(biāo)尺，測(cè)試結(jié)果記錄如表2所示. 由水平滑臺(tái)測(cè)試結(jié)果誤差如圖11所示可知，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際移動(dòng)相差小于3 mm.

圖11 水平滑臺(tái)測(cè)試結(jié)果誤差圖

表2 移動(dòng)滑臺(tái)測(cè)試結(jié)果 mm

表2（續(xù)）

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)建筑基坑圍墻及基坑邊坡在建筑物施工過(guò)程中容易發(fā)生位移造成的安全隱患問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種對(duì)基坑圍墻測(cè)點(diǎn)的水平位移狀態(tài)和沉降狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和告警的方案，給出了系統(tǒng)工作流程圖. 在形變監(jiān)測(cè)過(guò)程中利用休哈特均值控制圖，構(gòu)建形變閾值，在保持與預(yù)處理時(shí)置信區(qū)間一致的情況下，實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的無(wú)誤警有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)形變監(jiān)測(cè)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)位移量超過(guò)閾值時(shí)在服務(wù)器前端和微信小程序上及時(shí)報(bào)警. 本文提出的方法具有方便部署和自動(dòng)化處理優(yōu)勢(shì)，對(duì)于地殼形變、山體滑坡監(jiān)測(cè)等其他領(lǐng)域的位移監(jiān)測(cè)也存在一定的參考意義. 后續(xù)將對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)測(cè)試，主要集中在提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)頻率、降低監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)功耗延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命及節(jié)點(diǎn)輕量化等工作上.