基于位移測量技術(shù)的地鐵車站深基坑施工監(jiān)控研究

裴洪滿

摘要：在簡述了深基坑工程監(jiān)測現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集、數(shù)據(jù)傳輸、施工監(jiān)控等方面，詳細(xì)闡述了基于位移測量技術(shù)的深基坑施工監(jiān)控方法，并采用3種監(jiān)測方法在鄭州地鐵車站深基坑施工現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究的基于位移測量技術(shù)的深基坑施工監(jiān)控方法，其監(jiān)控準(zhǔn)確度更高，具有更好的監(jiān)控效果。

關(guān)鍵詞：地鐵工程；深基坑施工；位移測量；監(jiān)控技術(shù)

0? ?引言

隨著我國城市交通的加速發(fā)展，城市地面交通的壓力逐漸增大，土地空間的利用越來越受到重視。地鐵以其優(yōu)越性和便利性，成為改善城市交通條件和減輕土地壓力的重要措施之一[1]。

地鐵車站是地鐵的重要組成部分，其工程經(jīng)常采用深基坑施工方法。然而，深基坑的土方開挖和支護(hù)難度大、風(fēng)險(xiǎn)多，對周邊建筑和地下設(shè)施影響大。因此，地鐵車站在地下施工過程中，必須采取有效的監(jiān)控方法加強(qiáng)對深基坑及其支護(hù)的全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1? ?深基坑工程監(jiān)測現(xiàn)狀

目前，許多人工數(shù)據(jù)采集和分析監(jiān)測報(bào)告等方法仍被用于深基坑的安全監(jiān)測，存在深基坑安全管理不到位等問題，因此對施工過程進(jìn)行安全控制至關(guān)重要。一些科學(xué)家對基礎(chǔ)工程的安全性進(jìn)行了研究，采用監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了在深基坑施工過程中常見的變形和支護(hù)應(yīng)力的問題及其原因，提出了相應(yīng)的解決辦法[2]。

一些科學(xué)家針對深基坑施工過程中的支護(hù)安全和變形控制，研究了基礎(chǔ)工程及其質(zhì)量安全的深層管理[3]，系統(tǒng)地編制了和地下工程的變形控制及工程安全控制策略，提出了質(zhì)量安全管理措施。然而，為了將軌道交通隧道的控制變形在允許的范圍內(nèi)，并確保軌道交通隧道運(yùn)營的安全，對監(jiān)測工程進(jìn)行全面評估成為重要課題。

本文提出了基于位移測量的地鐵車站深基坑施工監(jiān)控方法，并將工程監(jiān)測實(shí)踐應(yīng)用于某一特定的深基坑工程，為類似工程的監(jiān)測提供參考和借鑒。對深基坑施工的多參數(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)評估和智能預(yù)警監(jiān)測的深層次問題進(jìn)行專業(yè)分析[4]，大大減少了深基坑施工安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了施工中安全風(fēng)險(xiǎn)的深度專業(yè)化，提高就信息化和智能化管理水平。

2? ?基于位移測量技術(shù)的深基坑施工監(jiān)控方法

2.1? ?深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化采集

將普通攝像機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)圖像傳輸和共享，由此提供了便捷的遠(yuǎn)程觀測，推動了信息的共享和互動，提高了傳輸效率。采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將本地建筑的圖像傳輸給網(wǎng)絡(luò)用戶，用戶可以隨時(shí)監(jiān)控施工現(xiàn)場的位置。

采用DH ITSolOSC相機(jī)，其鏡頭焦距為12～36mm，卡口尺寸為2.80"；采用最大500萬像素的CCD圖像傳感器。通過網(wǎng)絡(luò)端口/串行端口的出口[5]，可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)各種自適應(yīng)的圖像處理算法，確保相機(jī)內(nèi)部參數(shù)高度精確。

測量深基坑的深度和支護(hù)位置非常重要，具體方法是根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境，將攝像機(jī)調(diào)整到全手動狀態(tài)，選擇攝像機(jī)的長度和卡口，然后關(guān)閉該尺寸的鏡頭和焦環(huán)，并在該焦距和孔徑內(nèi)校準(zhǔn)攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。這種方法允許在整個(gè)拍攝過程中固定相機(jī)，而不需要在下一次拍攝中留下。為了獲得從平面坐標(biāo)到實(shí)際空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，通過比例因子法使用相機(jī)的比例。

所有測量點(diǎn)和施工點(diǎn)都可以在施工現(xiàn)場獲得。如果已知目標(biāo)點(diǎn)附近兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)處的比例系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中：Cscale為目標(biāo)點(diǎn)處的比例系數(shù)，d為兩點(diǎn)之間的距離，p為目標(biāo)點(diǎn)處的比例系數(shù)。

當(dāng)使用與樣本一致的方法來跟蹤目標(biāo)時(shí)，首先選擇第一圖像中具有明顯特征的區(qū)域（如鋼管部件的節(jié)點(diǎn)）作為預(yù)定義樣本，然后以像素為單位移動樣本像素/感興趣區(qū)域（ROI）。為了尋找目標(biāo)區(qū)域，可使用相關(guān)系數(shù)計(jì)算樣本和區(qū)域之間的一致性程度，其計(jì)算公式如下：

（2）

式（2）中：（i，j）為左上角坐標(biāo)框，?（x，y）為預(yù)定義樣本，rt（x，y）為t楨圖像（x，y）的像素，?為?（x，y）的平均像素值，r為搜索區(qū)域的平均像素?cái)?shù)。

2.2? ?數(shù)據(jù)傳輸

為了實(shí)時(shí)對深基坑的施工現(xiàn)狀進(jìn)行監(jiān)控，采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)確定深基坑的具體位置[6]。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是將現(xiàn)有攝像機(jī)與可將圖像傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型技術(shù)。遠(yuǎn)程查看器可以在使用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器時(shí)，通過圖像進(jìn)行監(jiān)視，可幫助用戶隨時(shí)了解所監(jiān)控區(qū)域的實(shí)際情況，為保證深基坑施工安全和預(yù)防潛在威脅發(fā)揮重要作用。

2.2.1? ?網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對深基坑圖像傳輸原理

深基坑現(xiàn)場圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)部傳輸，在深基坑現(xiàn)場設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可由計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對深基坑圖像傳輸原理如圖1所示。

攝像機(jī)在施工現(xiàn)場不能僅僅通過1個(gè)攝像機(jī)對所有施工狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而是需要多個(gè)攝像機(jī)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控。但是位移測量技術(shù)可實(shí)時(shí)獲取并傳輸測量數(shù)據(jù)，可快速將數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)接收端，這就提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎蛯?shí)時(shí)性。位移測量技術(shù)可提供較高的測量精度和準(zhǔn)確性，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。采用位移測量和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對深基坑施工現(xiàn)場的圖像進(jìn)行有效傳輸，可確保傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、3C無線路由器終端、變壓器、SIM卡等。本項(xiàng)研究使用的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)設(shè)有Waal通信公司的DH1ITSOIOSC}3C終端，大恒圖像的高質(zhì)量ARM9通信處理器用于無線路由器。使用集成的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件支持平臺，確保鏈路始終在線，在線和離線自動規(guī)劃，以及時(shí)間切換功能，以支持DTU數(shù)據(jù)的傳輸和其他功能。路由器采用抗干擾能力強(qiáng)、傳輸穩(wěn)定的工業(yè)級無線模塊，采用金屬外殼，以保護(hù)電磁干擾，并適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境條件。

2.2.2? ?無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)圖像原理

使用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)時(shí)圖像有主動和被動2種方法。其中主動傳輸是指攝像機(jī)定期自動將圖像發(fā)送到服務(wù)器終端，如計(jì)算機(jī)傳輸；被動傳輸是指通過用戶或設(shè)備的請求和觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，只有當(dāng)用戶或設(shè)備需要接收實(shí)時(shí)圖像時(shí)，才會進(jìn)行傳輸，因此避免了不必要的數(shù)據(jù)流量。此外，還避免了不斷主動地發(fā)送實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，使得無線網(wǎng)絡(luò)的資源能夠更聚焦地用于其他需要的任務(wù)，提高了整體的傳輸效率。因此，本文采用被動傳輸方式。

2.2.3? ?參數(shù)設(shè)置與系統(tǒng)連接

為確保數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的連接能夠順利建立和穩(wěn)定運(yùn)行，在進(jìn)行系統(tǒng)連接前，需要對3C無線路由器參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。

其主要作用包括：通過設(shè)置3C無線路由器參數(shù)，配置正確的網(wǎng)絡(luò)名稱（SSID）和密碼，選擇適合的無頻段和信道等參數(shù)。這樣可以確保無線網(wǎng)絡(luò)的連通性，使系統(tǒng)能夠順利連接到無線網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；可加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問和使用無線網(wǎng)絡(luò)；可啟用MAC地址過濾、防火墻等功能，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和防護(hù)能力；可減少無線干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和速度。因此，在設(shè)置3C無線路由器參數(shù)后，方可對系統(tǒng)進(jìn)行連接。

連接電纜后，天線和有效的SIM卡插入模塊將啟用，模塊的在線LED將啟用，表示網(wǎng)絡(luò)連接正常。當(dāng)設(shè)備正常連接到計(jì)算機(jī)并且模塊正常工作時(shí)，鏈接/ACT LED指示燈亮起。為了創(chuàng)建與以太網(wǎng)ETH接口IP地址相對應(yīng)的子網(wǎng)絡(luò)掩碼，有必要確保網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和路由器的IP地址位于同一子網(wǎng)絡(luò)上。使用端口映射，用戶可以訪問網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、訪問無線路由器并控制攝像機(jī)以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)傳輸。

2.3? ?深基坑施工監(jiān)控

在深基坑施工過程中，可充分利用位移測量技術(shù)對地鐵車站深基坑及其支護(hù)位置進(jìn)行識別?；谖灰茰y量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對地鐵車站深基坑施工的監(jiān)控，其具體監(jiān)視過程如圖2所示。

3? ?工程實(shí)例驗(yàn)證

在地鐵車站深基坑施工監(jiān)控方法中，監(jiān)測的準(zhǔn)確性非常重要，為此進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。在現(xiàn)有信息的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2和本文方法對地鐵車站深基坑施工過程中監(jiān)控的正確率進(jìn)行比較分析。

3.1? ?工程案例

鄭州市至鞏義市域鐵路屬于市政配套工程，其市民服務(wù)中心地鐵站位于鄭州市錦江南路與登封路交叉口。該地鐵站位于市區(qū)，其對基坑周圍建筑的位移非常敏感，施工期間必須進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。因此以該地鐵站的深基坑為實(shí)驗(yàn)段，檢驗(yàn)位移測量技術(shù)的監(jiān)控效果。

3.2? ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

采用基于位移測量技術(shù)的地鐵車站深基坑施工監(jiān)控方法和其他2種傳統(tǒng)方法，對該地鐵站基坑通過監(jiān)控圖像進(jìn)行監(jiān)測，并實(shí)時(shí)進(jìn)行位移測量，以此監(jiān)控深基坑暴露位置的深度和支護(hù)。上述3種監(jiān)測方法的監(jiān)測結(jié)果，如表1所示。

如表1所示。本文所述基于位移測量的地鐵車站深基坑施工監(jiān)控方法，相比于傳統(tǒng)方法最終得出的監(jiān)測誤差最小。傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2的監(jiān)測誤差顯著。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究方法監(jiān)控準(zhǔn)確度更高，具有更好的監(jiān)控效果。

4? ?結(jié)束語

本文提出的基于位移測量的地鐵車站深基坑施工監(jiān)控方法，使用3C無線路由器終端、轉(zhuǎn)換器、SIM卡等進(jìn)行無線傳輸。

該方法使用無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸現(xiàn)場工程圖像，并將本文方法用于鄭州市至鞏義市域鐵路市政配套工程市民服務(wù)中心站基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，效果良好，實(shí)現(xiàn)了對基坑施工狀態(tài)自動實(shí)時(shí)監(jiān)測。

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