大型基坑自動變形監測系統設計與應用

盧松耀，丘志宇，何顯錦

（1.廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080；2.中山大學 地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275）

大型基坑自動變形監測系統設計與應用

盧松耀1，丘志宇1，何顯錦2

（1.廣東有色工程勘察設計院，廣東 廣州 510080；2.中山大學 地理科學與規劃學院，廣東 廣州 510275）

基于測量機器人的變形監測逐漸成為行業應用的新趨勢。針對大型基坑固有的特點，采用常規觀測方法費時費力，難以保障監測精度。在采用混合基準點網布設的基礎上，設計了基于測量機器人的大型基坑自動變形監測系統。應用結果表明，該系統實現了自動化、高精度變形監測，實時提交變形監測數據，極大地提高了工作效率，對于類似監測項目具有積極的參考應用價值。

大型基坑；測量機器人；混合基點網；自動變形監測；系統設計與應用

目前，大型城市地鐵站、超高層建筑的建設中，基坑開挖深度超過 5 m 的深基坑已成為普遍現象，有些基坑甚至深達20 m[1]。為了保證這些工程建設的質量及施工設施的安全，需對工程建設的施工設施進行變形監測。然而大型基坑由于開挖深度及范圍較大、監測點多，采用常規人工觀測方法進行支護結構頂部變形監測費時費力，難以保障監測精度，急需一種強有力的測量手段來支持其業務的高效率開展。

測量機器人具有自動尋找、識別和精確照準目標等功能，可在短時間內對多個目標點作持續和重復觀測，在結構物外部變形監測方面擁有極大的優勢和應用前景[2]，越來越多的學者對其系統設計與應用開展了研究。本世紀初便有學者對測量機器人進行了介紹[3]，隨后的研究主要集中在其自動化監測系統的開發設計上及如何與其他監測設備進行聯合監測等[4-5]。研究應用領域包括隧道、基坑、大壩等大型工程變形監測[6-8]。然而在環境復雜的大型工程變形監測中，為保證監測精度和工作效率，監測基準點網設計、基準點穩定性檢驗是2個關鍵性技術難題。本文針對傳統布網的缺陷及測量機器人在監測方面的優勢，在采用混合基準點網布設的基礎上，設計了基于測量機器人的大型基坑變形監測系統，并用于大型基坑支護結構水平位移、沉降監測，取得了顯著效果。

1 關鍵技術與方法

1.1 基準網的布設

常規基準點網將基準網布設成導線網、邊角網、GPS網，定期對基準網進行復測、平差計算，在基準點上設置儀器對鄰近基準點作穩定性檢查并測量工作基點坐標。由于大型基坑施工圍蔽作業及周邊環境的限制，常規方法難以實現。利用多點強制自由設站邊角交會法建立了混合基準點網[9]，該基準網由基準點和工作基點構成，如圖1所示，基準點不設站，工作基準點任意選取，一旦選取，安置強制對中裝置（圖1中JZ01-JZ06）。混合基點網法布設簡單方便快捷，解決了大型基坑復雜環境下基準網建設困難的問題，同時適用于自動化變形監測。

圖1 基準點和工作基點布置示意圖

1.2 基準點穩定性檢驗

在變形監測過程中必須保證基準點的穩定性，以確保工作基點和監測點不歪曲。采用組合后驗方差檢驗法[10]對基準點進行穩定性檢驗。該方法就是通過基準點的各種組合，用后驗單位權方差構成統計量進行檢驗，當統計量大于給定的分位值時，零假設（基準點未顯著變動）不成立，可得到顯著變動的基準點。需要進行迭代計算，直到檢驗通過。

1.3 移動式周期監測技術

一般的工程變形監測都是在施工中進行的，常將儀器架設于施工區域，不利于儀器保護，而且當工作基點較多時，采用固定周期監測將投入較多儀器。在符合工程變形監測要求下，為了保護監測儀器與減少儀器投入，選擇移動式周期監測。

2 自動化監測系統設計

2.1 監測系統組成

基于自動全站儀的自動變形監測系統，以自動搜索目標的全站儀為測量工具，并配備L型單棱鏡，采用自由設站、極坐標測量和邊角交會技術，測定各變形點的三維坐標。系統的主要硬件構成如圖2所示。

圖2 監測系統組成框架圖

2.2 自動監測系統軟件功能模塊設計

GeoBasic集成開發環境是開發TCA全站儀機載軟件的二次開發平臺，利用此平臺開發的自動監測程序可直接在全站儀上運行。文章利用該平臺開發了自動變形監測系統，其主要功能如圖3所示，有參數設置、儀器初始化、學習測量、自動觀測、數據處理和結果輸出等功能模塊。

圖3 自動變形監測系統功能模塊

3 自動化監測過程

3.1 外業監測

采用所建立的自動化變形監測系統對基坑支護結構頂部監測點的水平位移量及沉降量進行測量，具體作業步驟如下：

1）連接電腦與自動全站儀，啟動自動監測系統軟件，在工作基點（如GZ01）上，瞄準基準點JZ01定向，測量JZ02，進行基準點穩定性觀測，然后對監測點進行學習測量，并把學習測量結果保存到一個庫文件中。以首期得到的基準點坐標為已知值，進行基準點穩定性檢驗和基準點網平差，在已知點中去除有顯著變動的基準點，確定工作基點的坐標。

2）以每期工作基點的實時坐標計算各期監測點的坐標。學習測量只需在第一期監測時進行，以后各期可根據監測點的坐標自動按順序進行觀測。

3）基準點網觀測4個測回，監測點觀測2個測回。使用自動監測系統軟件，每期觀測時，只需事先設定好觀測時間段、觀測周期和監測點組，安置儀器，點擊自動測量，即可進行自動觀測。

3.2 內業數據處理

利用“科傻”系統[11]及測量機器人變形監測內業軟件系統進行內業數據處理，可方便地得到基準網點的平差結果及監測點的三維坐標。進行疊置分析，得出各期變形量和累計變形量，還可以得到每個點上直觀的二維或三維圖。根據各點的周期監測成果，可以進行建模分析和變形預報，通過變形過程曲線就能清楚地看出變形情況和趨勢，并根據設計的警告值，進行模型分析和變形預報。監測單位每天均用電子郵件向建設單位提供每天各點的變形量、累計變形量和簡單的分析報告。

3.3 系統應用

1）變形監測結果分析。利用該監測系統對廣州某項目基坑進行水平位移和沉降量監測，圖4 為WY43～WY46監測點的水平位移曲線圖。

從第1期到第40期其變形都很小，由于該部位支護結構滲水、涌沙等原因，附近路面產生塌陷，錨索拉力減弱，地下水位下降過快。在40期以后，累計位移量增大，累計位移量最大值為10 mm，有一種趨勢性的變形。第80期采取噴漿、封堵、回填及加固措施后，變形緩慢，變形量在可控范圍。隨著時間的推進，變形逐漸放慢，對支護結構安全不造成影響。同樣，可繪制沉降變形過程曲線圖。由各監測點的沉降變形過程曲線看，支護結構頂部隨基坑開挖，開始時沉降量較小，隨著開挖深度的增加沉降量增大，開挖完成進入地下室施工后，沉降變化量越來越小，從而累計沉降量趨于穩定，所有支護結構頂部監測點累計沉降量最大值為9.2 mm（WY43點）。

圖4 WY43～WY46水平位移的變形過程曲線

表1 自動化監測系統監測精度統計表

注：基坑X方向為垂直于基坑長邊向北方向，Y方向為平行于基坑長邊方向，Z方向是豎直向下方向。

監測精度計算公式為：

式中，v為與均值的差值。

4 結 語

采用了混合基點網布設方法、基準點穩定性的組合后驗方差檢驗法、移動式周期監測技術，設計了基

2）監測效率與精度分析。通過與傳統的監測方法對比，采用該系統的監測時間約為人工監測的1/4。相關的研究也表明[7]，基于測量機器人的變形監測系統能顯著地提高工作效率。在監測精度上，水平方向變形量X、Y及垂直方向變形量Z分別為±0.66 mm、±0.56 mm、±0.66 mm（見表1），均達到設計要求（1 mm）。于測量機器人的大型基坑變形監測系統，并將該變形監測系統應用于廣州某大型基坑支護水平位移、沉降的變形監測。監測過程及結果表明，該系統實現了自動化、高精度變形監測，實時提交變形監測數據，極大地提高了工作效率，對類似監測對象有較高的參考應用價值。

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1672-4623（2016）08-0081-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.027

盧松耀，高級工程師，主要從事變形測量、控制測量、地形測量等工作。

2015-02-28。