遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在深基坑工程中的應(yīng)用研究

王文輝 周成峰 吳銘炳

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在深基坑工程中的應(yīng)用研究

王文輝 周成峰 吳銘炳

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)測是未來監(jiān)測的發(fā)展方向，能夠真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)報(bào)警，但目前在我省的應(yīng)用僅僅是起步階段。本文結(jié)合深基坑監(jiān)測工程實(shí)例，從深層土體位移、鋼筋內(nèi)力、土壓力三個(gè)方面，進(jìn)行了自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及技術(shù)應(yīng)用研究，通過與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，證明自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集的可靠性，并實(shí)現(xiàn)了深基坑工程遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測、傳輸和成果分析。

遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)測；深基坑監(jiān)測；實(shí)時(shí)監(jiān)測

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0 引言

隨著城市大量高層建筑的興建，深基坑大量出現(xiàn)[1]。當(dāng)前，基坑開挖深度呈現(xiàn)越來越深的趨勢，相應(yīng)基坑安全及變形要求也越來越高[2]。由于巖土工程問題的復(fù)雜性，巖土體的不均勻性和復(fù)雜性，巖土技術(shù)仍然不夠成熟，理論與實(shí)際相差很大，很多問題仍然依靠經(jīng)驗(yàn)來解決。在工程應(yīng)用中采用測試手段，取得測試數(shù)據(jù)，分析判斷工程安全問題，是目前國內(nèi)外解決巖土工程問題的通常辦法。

目前，監(jiān)測技術(shù)大多仍然停留在傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場測試階段，即主要靠派出測試人員到野外現(xiàn)場測得數(shù)據(jù)，然后回到室內(nèi)整理、統(tǒng)計(jì)、繪制曲線、分析判斷、出具當(dāng)日監(jiān)測報(bào)告。不僅費(fèi)力費(fèi)時(shí)，效率較低，而且任務(wù)多時(shí)，疲于應(yīng)付，造成部分工程監(jiān)測頻率偏低，對工程安全分析判斷留下隱患。采用遠(yuǎn)程無線自動(dòng)監(jiān)測，才能夠真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)報(bào)警。

近年來，遠(yuǎn)距離無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在水電站、公路、橋梁、隧道、邊坡、地鐵等多種場合的大型重點(diǎn)巖土工程項(xiàng)目中得到了運(yùn)用，并取得了較好的效果，其特點(diǎn)是：監(jiān)測儀器一旦安裝完畢，監(jiān)測系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)收集、存儲(chǔ)發(fā)送；技術(shù)人員在辦公室通過相應(yīng)軟件隨時(shí)可以查看、下載監(jiān)測現(xiàn)場儀器所收集的數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)處理，取得監(jiān)測成果，避免現(xiàn)場人工操作帶來的種種不便[3]。但遠(yuǎn)距離無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在深基坑工程中應(yīng)用相對較少。為此，本文結(jié)合基坑監(jiān)測工程實(shí)例，采用傳統(tǒng)的人工監(jiān)測與自動(dòng)化監(jiān)測同時(shí)進(jìn)行，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，研究自動(dòng)化監(jiān)測的可靠性，研究深基坑工程遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸和基礎(chǔ)結(jié)果分析，取得良好效果。

1 遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)組成

從功能上分析，遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測終端單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和計(jì)算機(jī)監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理單元3個(gè)部分組成，如圖1所示。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置安裝效果示意圖如圖2。

圖1 遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布置示意圖

2 遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)安裝

2.1 固定測斜儀

固定測斜儀安裝步驟為：(1)定位；(2)埋設(shè)測斜管(內(nèi)有導(dǎo)槽)；(3)安裝、固定測斜儀。所有固定測斜儀都分別由各自的電纜線連接，延伸于測斜管之外，連接到數(shù)據(jù)總線。

2.2 鋼筋計(jì)

鋼筋計(jì)安裝步驟為：(1)定位；(2)綁扎、焊接固定。另外，所有鋼筋計(jì)都分別由各自的電纜線連接，沿鋼筋籠鋼筋延伸于圍護(hù)樁之外，連接到總線。土壓力盒安裝同鋼筋計(jì)。

2.3 自動(dòng)采集箱

自動(dòng)采集箱一般由電源管理模塊、智能測量模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成：

電源管理模塊負(fù)責(zé)模塊供電及蓄電池的充放電管理，用于控制內(nèi)置免維護(hù)蓄電池的充放電，并為測量單元提供電源。

智能測量模塊主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自檢、測量與控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通訊、內(nèi)部電源管理等。

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和命令在傳感器、采集模塊、遙控主機(jī)之間的傳輸。 北京基康自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)所有傳感器通過一根總線接入智能測量模塊，數(shù)據(jù)和命令在傳感器、采集模塊、遙控主機(jī)之間的傳輸通過數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行。

2.4 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)軟件

在完成測點(diǎn)埋設(shè)、各監(jiān)測傳感器接入采集箱采集模塊后，安裝、運(yùn)行自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)軟件，系統(tǒng)注冊，進(jìn)行無線通訊連接調(diào)試后，通過自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)軟件對其單元配置和測點(diǎn)配置選項(xiàng)中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化配置，主要包括單元信息、通訊方式、測點(diǎn)信息、測量方式及報(bào)警值設(shè)置。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，用戶監(jiān)控主機(jī)只需通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)與中心端連接(中心端是一個(gè)有固定IP地址的服務(wù)器，該服務(wù)器與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的IP地址連接)，點(diǎn)擊測試連接和單元控制選項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集、傳輸。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)劃分如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)劃分圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況、監(jiān)測點(diǎn)布置

某工程場地位于福州市臺(tái)江區(qū)北江濱路北側(cè)，設(shè)有四層地下室，基坑開挖深度19.3m(坑中坑開挖深度25m)，采用沖鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水，三道砼內(nèi)支撐。場地土自上而下依次為：(1)雜填土；(2)粉質(zhì)粘土；(3)淤泥；(4-1)粉質(zhì)粘土；(4)中砂；(5)淤泥質(zhì)土；(6)中砂；(7)卵石。

圖4 基坑監(jiān)測點(diǎn)布置圖

監(jiān)測點(diǎn)C7、C14位置分別布置手工、自動(dòng)土體深層位移監(jiān)測點(diǎn)，圍護(hù)樁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)和圍護(hù)樁外側(cè)土壓力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)平面圖見圖4，C7、C14支護(hù)結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

3.2 監(jiān)測成果分析

自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過辦公軟件Office和繪圖軟件Origin8.0將之或與手動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，或繪圖分析。

為便于對比，按基坑開挖不同階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)及支撐施工、土方開挖深度如表1：根據(jù)人工采集、自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

圖5 (a)C7支護(hù)結(jié)構(gòu)簡圖， (b)C14支護(hù)結(jié)構(gòu)簡圖

表1 施工監(jiān)測時(shí)間節(jié)點(diǎn)及支撐、土方開挖深度

3.2.1 深層土體位移

由于自動(dòng)化監(jiān)測需在測斜管中埋設(shè)固定測斜儀，受經(jīng)費(fèi)限制，固定測斜儀數(shù)量一般偏少、測點(diǎn)間距偏大，因此，自動(dòng)化監(jiān)測精度主要受測點(diǎn)間距大小控制，測點(diǎn)間距越小、精度越高，C7位置深層水平位移手工、自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見圖6。

圖6 手工、自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比圖

分析圖6可知，手工和自動(dòng)監(jiān)測的深層水平位移-深度曲線形狀基本相同，隨著深度增加，位移逐漸增大，在開挖面附近達(dá)到最大值，隨后又慢慢減少。

對自動(dòng)監(jiān)測而言，在相同深度位置，深層水平位移變化趨勢與手工的基本一致。當(dāng)水平位移較小時(shí)，手、自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果基本相同；但當(dāng)土體位移較大時(shí)，相比較而言，手、自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果偏差會(huì)增大，分析主要原因如下：

(1)手工、自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)本身存在一定誤差；

(2)自動(dòng)監(jiān)測傳感器之間的距離較大，約為3.0m，其監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)距離約為手工的3倍，精度相對差些；

(3)監(jiān)測點(diǎn)測斜管埋置的位置有差異，自動(dòng)監(jiān)測測斜管埋置在圍護(hù)樁附近的土體中，而手動(dòng)監(jiān)測測斜管埋置在圍護(hù)樁中。

(4)受基坑內(nèi)支撐影響，支護(hù)樁變形存在彎矩反彎點(diǎn)。

3.2.2 鋼筋內(nèi)力

考慮到成本和儀器設(shè)備的兼容性問題，采用工程上常用的鋼筋應(yīng)力計(jì)外接數(shù)據(jù)采集處理器， C14位置圍護(hù)樁內(nèi)共布置6支海巖鋼筋應(yīng)力計(jì)。

經(jīng)對比，人工采集鋼筋應(yīng)力頻率與自動(dòng)采集頻率相同。

根據(jù)鋼筋應(yīng)力頻率率定曲線計(jì)算鋼筋受力。采用Office軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制鋼筋應(yīng)力時(shí)程曲線，見圖7～圖10(負(fù)值表示受壓)。

圖7 圍護(hù)樁基坑內(nèi)側(cè)鋼筋內(nèi)力圖(坑內(nèi)不同深度)

圖8 圍護(hù)樁基坑外側(cè)鋼筋內(nèi)力(坑外不同深度)

圖9 深度=16.0m，圍護(hù)樁基坑內(nèi)、外側(cè)鋼筋內(nèi)力

圖10 深度=28.0m，圍護(hù)樁基坑內(nèi)、外側(cè)鋼筋內(nèi)力

圖7中曲線可以看出，圍護(hù)樁基坑內(nèi)側(cè)不同位置處鋼筋受力狀態(tài)不同，隨基坑開挖深度增加，時(shí)程曲線變化趨勢也不同。在9.5m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，內(nèi)力先逐漸增大，隨后趨于穩(wěn)定；在16.0m處，鋼筋受壓，隨基坑開挖深度增加，內(nèi)力逐漸減小；在22.0m處，鋼筋在受拉、受壓之間來回波動(dòng)，隨基坑開挖深度增加，內(nèi)力大小呈鋸齒狀；在28.0m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，內(nèi)力基本上逐漸增大。

圖8中曲線可以看出，圍護(hù)樁基坑外側(cè)不同位置處鋼筋受力狀態(tài)不同，隨基坑開挖深度增加，時(shí)程曲線變化趨勢也不同。在16.0m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，整體上呈增大趨勢；在28.0m處，鋼筋先受拉，隨后很快進(jìn)入受壓狀態(tài)，隨基坑開挖深度增加，內(nèi)力基本上逐漸增大。

圖9和圖10中曲線可以看出，同一深度處的鋼筋計(jì)應(yīng)力發(fā)展變化呈對稱式。

綜合分析圖7～圖10中鋼筋內(nèi)力時(shí)程曲線特征，可以得出以下結(jié)論：

(1)在不同深度處圍護(hù)樁基坑內(nèi)、外側(cè)鋼筋內(nèi)力正負(fù)號相反，由此可推知在基坑開挖深度以下某個(gè)位置存在彎矩反彎點(diǎn)；

(2)同一深度處的鋼筋計(jì)內(nèi)力呈對稱式發(fā)展變化。

上述規(guī)律符合圍護(hù)樁受力規(guī)律。

3.2.3 土壓力

同鋼筋內(nèi)力一樣，考慮到成本和儀器設(shè)備的兼容性問題，采用工程上常用的土壓力計(jì)外接數(shù)據(jù)采集處理器， C14位置圍護(hù)樁外側(cè)沿深度方向共布置3支海巖土壓力盒，自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)對土壓力盒頻率進(jìn)行采集和傳輸，經(jīng)對比，自動(dòng)采集和人工采集的土壓力頻率變化相同。

利用Office軟件對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理，繪制圍護(hù)樁基坑外側(cè)土壓力隨工況的時(shí)程曲線見圖11。

圖11 圍護(hù)樁基坑外側(cè)土壓力

圖11中曲線可以看出，隨著開挖深度增加，由于圍護(hù)樁變形不大，同一深度處土壓力變化不大；在同一工況條件下，隨土體開挖深度的增加，土壓力先增大后減小。樁側(cè)土壓力大小主要與埋設(shè)深度和開挖深度有關(guān)。

上述工況二、三條件下，基坑開挖深度約為6.5～11.2m，深層水平位移在10m左右達(dá)到最大值，樁側(cè)土壓力深度分別為5.0m、9.5m、16.0m，深度為9.5m位置的壓力值最大，符合位移-土壓力理論(土壓力跟深層水平位移值呈正比)土壓力變化規(guī)律。

4 結(jié)論

(1)通過遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測的工程實(shí)踐，掌握了深基坑遠(yuǎn)程無線自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，大大降低了技術(shù)員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工作效率；

(2)通過人工監(jiān)測與自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，兩者測試結(jié)果的規(guī)律相同，數(shù)據(jù)大小基本相同，說明自動(dòng)化監(jiān)測精度基本滿足要求。產(chǎn)生誤差的主要原因是由于測斜管內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測的固定式測斜儀(監(jiān)測元件)數(shù)量較少，監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)測試元件之間距離偏大，導(dǎo)致監(jiān)測精度偏低，但基本上不影響變形的分析、判斷。在以后工程中，可通過合理地增加固定式測斜儀數(shù)量來提高監(jiān)測精度；

(3)圍護(hù)樁鋼筋內(nèi)力、外側(cè)土壓力自動(dòng)化監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果完全相同，在基坑開挖深度以下某個(gè)位置圍護(hù)樁存在彎矩反彎點(diǎn)，鋼筋應(yīng)力受力條件出現(xiàn)變化；同一深度處的鋼筋計(jì)內(nèi)力呈對稱式發(fā)展變化，符合圍護(hù)樁受力情況；

(4)土壓力變化與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有關(guān)，變化較小的情況下，土壓力變化較小，圍護(hù)樁變形較大時(shí)，土壓力變化較大，符合土壓力理論和工程實(shí)際。

[1]楊佳，張志強(qiáng)，張強(qiáng)勇，等．深基坑安全監(jiān)測信息分析系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(6)：1247．

[2]吳振君，王 浩，王水林,等．分布式基坑監(jiān)測信息管理與預(yù)警系統(tǒng)的研制[J]．巖土力學(xué)，2008，29(9)：2503．

[3]楊育文，殷建華，涂望新．巖土工程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]．城市勘測，2002，(1)：7．

王文輝(1968.2- )，男，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、監(jiān)測方面的工作。

周成峰(1986.11- )，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察、監(jiān)測方面的工作。

吳銘炳(1962.11- )，男，教授級高級工程師，主要從事巖土工程方面的工作。

The application of long-range wireless automatic monitoring system in deep foundation pit engineering

WANGWenhuiZHOUChengfengWUMingbing

(Fujian Provincial Institute of Architectrual Design and Research,Fuzhou 350001)

Long-range wireless automatic monitoring which can truly achieve real-time monitoring and real-time warning, is the future direction of monitoring. However, this technology in our province is only in the beginning stages. In this paper, combined with engineering examples of deep foundation pit monitoring, automatic monitoring system and technology application are researched in respect of the displacement of deep soils, steel stresses, soil pressures. It is proved that the automatic data collection is reliable by comparing with the traditional manual monitoring data. Finally, Long-range wireless automatic monitoring, transmission and result analysis of deep foundation pit engineering are realized.

Long-range wireless automatic monitoring;Deep foundation pit monitoring;Real-time monitoring

王文輝(1968.2- )，男，高級工程師。

2015-11-23

TU47

A

1004-6135(2015)12-0077-05