深大基坑無線自動化監測系統的開發應用?

何宏盛梁 超童立元張國柱何兵兵朱世豪(.中鐵四局集團有限公司,007,合肥;.東南大學巖土所,0096,南京; .合肥優爾電子科技有限公司,0088,合肥;.金陵中學,0096,南京∥第一作者,高級工程師)

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深大基坑無線自動化監測系統的開發應用?

何宏盛1梁 超1童立元2張國柱2何兵兵3朱世豪4
(1.中鐵四局集團有限公司,230071,合肥;2.東南大學巖土所,210096,南京; 3.合肥優爾電子科技有限公司,230088,合肥;4.金陵中學,210096,南京∥第一作者,高級工程師)

摘 要深大基坑無線監測系統為基坑監測提供實時、精確、連續的數據,預測基坑變形趨勢,為基坑安全順利施工提供保障。該系統由自動監測傳感器、無線數據采集器、中繼器、基站和用戶服務平臺組成。選擇適用于深大基坑變形、受力和地下水位監測的傳感器,并開發與傳感器數字信號接口相匹配的自組網通信模塊,采用基于IEEE(電氣和電子工程師協會)批準通過的802.15.4無線標準的ZigBee(低功耗局域網協議)無線傳輸技術。用戶服務平臺采用SOA(面向服務的體系結構)架構,基于J2EE平臺和B/S(瀏覽器/服務器)多層體系架構,分為展示層、應用層、平臺層、數據層和數據接口層。應用服務平臺提供基坑模型管理、數據分析處理、安全評估、預警反饋、曲線及報表輸出和綜合管理等應用功能。

關鍵詞深大基坑;自動監測;無線傳輸;智能化預警

?中國中鐵科學研究項目(2014-重點-12);江蘇省交通科學研究項目(2011Y14-1)

First-author′s address China Railway NO.4 Engineering Group Co.,Ltd.,230071,Hefei,China

近年來,高層建筑和地鐵工程迅速發展,深大基坑工程數量越來越多,建設規模越來越大,而且修建的環境也越來越復雜。基坑開挖和降水所造成的安全問題是基坑工程施工成敗的關鍵。由于基坑工程具有復雜性、非線性、不確定性等特點,目前還不能找到一個系統的、可靠的方法來判定基坑安全狀況,因此基坑監測是預防基坑安全事故發生的重要手段。

目前基坑工程監測包括人工監測和有線自動監測[1-4]。一般人工監測耗費巨大,精度低,監測數據不連續,導致對突發情況的反應、處理以及預警能力大大下降。有線網絡監測系統在數據采集方式上有所改進,降低了人工成本,但需要鋪設大量的長距離線路以保障電源與信號的傳遞,基坑工程周邊施工環境非常復雜,容易對導線造成破壞;有線傳感裝置不可能大面積、大密度安裝,進而漏報、誤報現象同樣嚴重。

隨著新的監測設備、傳感器的開發和應用,以及計算機工業化技術水平的日益提高,利用物聯網技術,研究開發具有自動化數據采集、無線數據傳輸、傳感器自由組網、遠程化智能控制為一體的深大基坑監測系統,為深大基坑的監測提供實時、精確、連續的數據,預測基坑變形趨勢,建立科學的預警機制,評判基坑的安全狀態,以保障基坑安全順利施工。

1　系統工作原理

深大基坑無線自動化監測系統由自動化數據采集系統、無線遠程傳輸系統、用戶服務平臺組成,其中應用服務平臺包括了數據分析處理系統、智能化預警系統和管理中心等子系統。自動化數據采集系統由傳感器、數據采集裝置和短距離無線發射、接收裝置等組成,可實現對現場監測數據的自動采集、存儲和預處理,短距離無線傳輸和遠程控制;無線遠程傳輸系統由基站、遠程無線傳輸裝置和服務器組成,實現監測數據的遠程自動傳輸、下載和存儲。可采取WCDMA(寬帶移動通信系統)方式和移動互聯網支持等方式進行遠程數據傳輸,并通過公網寬帶接入系統服務器;數據分析處理系統實現對監測數據分析和處理,引入智能非線性預測方法,預測監測數據的發展趨勢,將分析結果以圖形和報表等多種方式輸出;智能化預警系統依據設定的預警值,對監測數據進行分析判斷,并做出相應的預警指示。為便于現場管理,直觀反映預警點的位置,建立基坑三維仿真模型,用不同的聲音及顏色將預警情況在三維仿真模型中直觀體現,同時將預警信息通過實時手機預警短信服務平臺發送給相應負責人;系統管理中心對系統進行綜合管理,包括用戶管理、基礎信息設置、測點及檢測內容配置、數據管理、運行管理等,確保系統運行安全和數據安全。

相對傳統基坑自動化監測系統而言,無線深大基坑監測系統具有如下優勢[4]:

(1)無線通信。傳感器節點采用無線連接、無線鋪設電纜,給安裝帶來了便利,節省了電纜的使用,避免了基坑工程施工對電纜造成破壞,確保了監測系統的安全性和穩定性。

(2)大規模網絡。ZigBee(低功耗局域網協議)技術最大幾點數可達65 000個,可以進行大規模布點。

(3)可擴展性。傳感器節點可以根據施工進展隨機布置,節點自動配置管理,形成多級無線網絡。因此,根據基坑工作狀態,可任意加入新的監測測點,具有良好的可擴展性,當某個節點故障時,其他節點自動尋找新的傳輸路徑,不影響整個網絡的正常工作。

(4)實現數據的預處理。傳感器節點具有微處理器和存儲器,可對原始數據進行處理,剔除大量無效數據,大大減少需無線傳輸的數據量。

2　基坑工程監測內容

為了便于研發傳感器無線接口,根據傳感器數據采集信號類型,對基坑監測內容進行分類,由GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》可知,基坑監測內容可分為變形監測、內力監測、裂縫監測和地下水位監測等四大類,其中變形監測包括對圍護結構頂部水平位移、立柱豎向位移、坑底隆起、土體分層豎向位移、深層水平位移、周邊地表位移、周邊建筑位移和管線變形等的監測。內力監測包括對支護結構內力、圍護墻側向土壓力和孔隙水壓力等的監測;裂縫監測包括對基坑周邊地表和建筑裂縫等的監測。

2.1變形監測

基坑工程變形監測涉及眾多監測內容,根據測點所處位置選擇合適的監測儀器和設備。

2.1.1自動化全站儀

隨著自動目標識別全站儀的問世,推動了土木工程位移自動化監測的快速發展。自動化全站儀具有無人值守、連續自動化監測、測量周期短和測量精度高等特點,目前已用于邊坡工程、水利大壩、基坑工程和隧道工程等工程的位移監測[5-6]。

基坑工程周邊施工環境復雜,相對于邊坡工程、水利大壩和隧道工程而言,基坑工程的監測工期短,要求自動化全站儀便于現場安裝和遷移。現有的自動化全站儀通過通信電纜與控制機房進行連接,移動和增設布點非常不便。為了克服現有自動化全站儀的不足,研發無線數據采集器,替代傳統通信電纜。帶有無線數據采集器的自動化全站儀如圖1所示。

圖1　智能無線自動化全站儀

自動化全站儀的測量范圍為1 000 m,1 000 m處的定位精度為±1 mm;測量時間為3～4 s。可用于基坑圍護結構頂部水平位移、立柱豎向位移、坑底隆起、周邊地表位移、周邊建筑位移和管線變形等的監測。根據基坑規模確定自動化全站儀的數量和布設位置。

2.1.2固定式測斜儀

利用固定式測試儀監測圍護結構和土體的深層水平位移。固定式測斜儀由測斜管、測斜探頭、無線數據采集器組成。不同深度處的測斜探頭通過鋼導線進行串聯連接。無線數據采集器將現場采集到的數據以無線通信的方式傳輸到基站(現場無線數據采集中心)。測斜探頭應分散布置,重點監測相鄰支撐之間的圍護結構和土體水平位移。固定式測試儀器如圖2所示。

圖2　固定式測斜儀

2.1.3土體內部位移監測

利用沉降計監測土體內部位移。沉降計由位移計、錨頭、法蘭沉降盤、測桿等部件組成。適用于測量錨頭與沉降盤之間土體的變形位移,可進行長期監測和自動化測量。其錨頭設置在相對不動點(基巖),沉降盤設置在監測高程,導線從側面引出。當地基下沉時,沉降盤與地基同步下沉,使傳感器的活動導磁體在其磁通感應線圈內發生相對滑移,通過無線數據采集儀讀取位移量,并無線傳輸至基站。

2.2內力監測

基坑工程內力監測包括對支護結構內力、圍護墻側向土壓力和孔隙水壓力等的監測。為了實現對上述監測項目的無線自動化監測,分別開發軸力計、鋼筋計、土壓力計和孔隙水壓力計等傳感器的無線數據采集器,用于數據自動化采集和無線傳輸。

2.3裂縫監測

利用裂縫計對建筑裂縫進行定量化監測。國外學者已開發出用于裂縫監測的無線裂縫計[7],無線裂縫計如圖3所示。可在現場有裂縫分布的地方進行靈活布置,測點可增設。

圖3　無線裂縫計[6]

2.4水位監測

電壓式水位計,由傳感器主體、安裝套筒、水工電纜線等部件組成。適用于測量各種環境下水位的變化,可以直接進行數據自動采集。實際應用中由于大氣壓的變化會影響測量結果,選取的高智能水位計搭配氣壓補償計一起使用,以彌補大氣壓對測量結果的影響,提高測量精度。

3　系統組網設計

3.1網絡拓撲

利用前文描述的既有測量儀器(如自動全站儀、固定測斜儀、沉降計、軸力計、鋼筋計、土壓力計、孔隙水壓力計和水位計等)的數字接口和通信協議,在每個儀器上加裝自組網通信模塊,并分別與現場中繼器逐一配置,形成一對多點的分布式無線通信網,系統能夠定時或隨機采集測量儀器監測的實時數據。通過在監測現場搭建無線自組網,實現測點數據自動采集。自組網按照工地面積大小和地理特征,劃分為一個或若干采集區域,可呈線性分布或蜂窩分布。每個采集區域以中繼器為中心,其覆蓋半徑不小于1 km(城市樓宇林立地區小于該指標),采集終端不少于100個測點。測點采集器具有休眠和后臺喚醒功能,能夠通過現場配置或數據管理端預先加載接口協議,實時執行后臺采集和發送指令,中繼器通過WCDMA分組交換方式與管理后臺建立雙向通信機制。網絡拓撲示意圖如圖4所示。

3.2局部無線自組網

目前,常用的無線自組網通信技術主要有藍牙(IEEE 802.15.1)、超寬帶技術(IEEE 802.15.3)、WiFi(無線局域網)(IEEE 802.11a/b/g)和ZigBee (IEEE 802.15.4)等。

圖4　監測系統網絡拓撲圖

深大基坑工程具有監測內容多、監測測點多、測點布置分散、數據采集頻率低、對組網能力要求高等特點。文獻[8]從傳輸頻率、傳輸速率、組網方式、最大節點數等多個方面對4個通信協議進行了比較分析。ZigBee技術是一種適合局部環境應用的,低功耗、低數據速率的雙向無線通信技術[9-11],非常適合深大基坑現場監測。

基坑監測系統中的傳感器通過無線數據采集器自動采集和傳輸數據,數據采集器內置Zig Bee嵌入式模塊,將測點傳感器產生的數字信號通過無線通信方式發往中繼器,數據收發的速率可以達到1 Mbit/s。傳輸采用2.4 GHz頻段,符合IEEE 802. 15.4無線協議,為基坑現場構建無線數據采集網絡提供一個穩定可行的組網方案。

4　系統服務平臺及應用

4.1系統服務平臺開發

應用服務平臺采用SOA(面向服務的體系結構)架構,基于J2EE平臺和B/S(瀏覽器/服務器)多層體系架構,分為展示層、應用層、平臺層、數據層和數據接口層。通過各層次組件間服務的承載關系,實現系統功能。系統構架如圖5所示。

應用服務平臺提供基坑模型管理、數據分析處理、安全評估、預警反饋、曲線及報表輸出、綜合管理等應用功能,平臺包括分析處理系統、智能化預警系統和系統管理中心等子系統。

展示層包括界面表示層和界面控制層。其中,界面表示層負責業務數據收集、數據展示和客戶端數據校驗,采用功能強大的JQuery前端展現框架,構建操作簡潔、直觀、使用方便的操作界面。另外靈活運用采用Active X圖形控件、3D圖形控件、Office控件以及AJAX頁面數據刷新技術,提供最佳數據展現和用戶體驗。提供實時曲線和歷史分析曲線顯示,提供強大的圖形統計分析與報表相關功能,可根據模板在線生成各種報表,可實現對統計分析圖形及數據的導出。界面控制層響應表示層的請求、調用業務邏輯組件、對象集的轉換、生成界面顯示內容、維護用戶對話關系使用,界面控制層采用MVC(模型-視圖-控制器)框架技術,通過Struts、Servlet等技術實現。

圖5　基坑無線監測系統構架

應用層包括業務邏輯層和業務服務層。業務邏輯層執行邏輯計算、完成業務功能邏輯,提供基坑模型管理、進度管理、數據分析處理、安全評估、預警反饋、曲線及報表生成、綜合管理等應用功能。業務服務層實現基坑監測模型、數據解算及分析、預警反饋等基礎服務。

數據層包括數據持久層、數據處理服務層和數據接收服務接口。數據持久層采用使用Hibernate O/R mapping框架;數據庫服務層采用Oracle 9i以上數據庫存儲持久化數據。數據接收服務接口利用高性能的完全端口編程,可滿足多個采集終端同時數據接入要求。數據存儲與處理不僅提供接收實時數據的存儲,而且還定期對實時數據進行匯總,滿足統計分析要求。

4.2系統應用

鄭州某地鐵車站為雙層三跨明挖雙島四線車站,車站主體采用樁基圍護后明挖法施工。車站主體結構全長505.8 m,標準段寬41.7 m,最大開挖深度為22 m。基坑圍護結構采用Φ1 200@1 400鉆孔灌注樁+樁間旋噴樁止水的型式,圍護結構頂設置1 200 mm×1 200 mm冠梁。基坑內設置內支撐體系,豎向設4道內支撐和1道倒換支撐,第一道支撐為800 mm×800 mm的混凝土支撐,第三、四道支撐為1 000 mm×1 000 mm的混凝土支撐,混凝土支撐水平間距約5.5 m;第二道支撐及倒撐為Φ800 mm,t=16 mm鋼管支撐,水平間距約為3.5 m。

現場布置了2個無線監測斷面,布設了2組采集箱、1組無線中繼、7組無線采集器、2組電源盒,安裝了18個鋼筋計、6個測斜儀、6個單點沉降計和6個水位計。測點3D展示圖如6所示。數據分析和預警界面如圖7和圖8所示。

圖6　監測測點3D展示圖

圖7　監測數據分析界面

圖8　監測數據預警界面

5　結論

(1)深大基坑無線監測系統由自動監測傳感器、無線數據采集器、中繼器、基站和用戶服務平臺組成,采用基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準的ZigBee無線傳輸技術。深大基坑無線監測技術具有布置靈活、網絡擴展能力強和數據預處理功能,非常適宜具有隨機特性的基坑工程監測。

(2)優選了滿足GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》要求的變形、受力、裂縫和地下水位監測的自動監測傳感器,并研發了與各傳感器數據采集信號相匹配的無線數據采集器,可實現采集數據的無線傳輸,以及傳感器工作狀態的遠程控制。

(3)開發了能夠提供基坑模型管理、數據分析處理、安全評估、預警反饋、曲線及報表輸出、綜合管理等應用功能的應用服務平臺。

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Development and Application of Wireless Automatic Monitoring System for Deep and Large Foundation Pit

He Hongsheng,Liang Chao,Tong Liyuan,Zhang Guozhu, He Bingbing,Zhu Shihao

AbstractWireless automatic monitoring system for deep foundation pit can provite real-time,accurate and continuous data,which are used to predict the deformation trend and ensure the safety of foundation pit construction.This system for deep foundation pit consists of automatic monitoring sensor,wireless data collector,repeater,base station and user service platform.Suitable automatic monitoring sensors are chosen for monitoring the deformation, stress,crack and ground water level,and the wireless data collectors are developed for automactic monitioring sensors based on the digital signal characteristics of the sensors. The ZiGBee wireless transmission technology based on IEEE approved 802.15.4 wireless standards is used for wireless transmission data monitoring.While the user service platform adopts the SOA architecture,it is based on the J2EE platform and B/S multilayer architecture,it constists of the presentation layer,application layer,platform layer,data layer and the data interface layer.User service platform provides the management of foundation pit model management,data analysis,safety assessment and early warning feedback,curve and report output,comprehensive management,and other applications.

Key wordsdeep and large foundation pit;automatic monitoring;wireless transmission;intelligent warning

(收稿日期:2014-04-22)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.018

中圖分類號TU 433