自動化監測技術在地鐵基坑工程監測中的應用

趙塵衍，劉全海，謝友鵬，張洋

(1.常州市測繪院，江蘇 常州 213003； 2.常州市地理信息智能技術中心，江蘇 常州 213003)

1 引 言

地鐵基坑工程變形監測工作貫穿了施工的全過程，是保障工程安全施工的重要措施之一。通常需要實施的監測項目包括：圍護結構(邊坡)頂部水平與豎向位移、圍護結構體水平位移、支撐軸力以及地下水位等[1]。

傳統的人工監測方式存在監測效率較低，受天氣影響無法進行全天候實時測量以及基坑安全風險信息反饋不及時等情況。監測信息的滯后易導致無法及時調整設計及施工，對工程造成一定的安全隱患[2]。

為了滿足實時監測的需求，提高地鐵基坑施工變形監測工作的信息化程度，對監測數據進行及時、充分地利用，針對自動化監測手段進行研究，研發集多項監測項目數據采集、傳輸、處理及發布為一體的地鐵基坑自動化變形監測系統。有效降低人為干預造成的錯誤，及時得到可靠的變形監測成果并進行發布、預警，為地鐵基坑安全施工提供數據保障。

2 硬件系統

地鐵基坑自動化變形監測系統的硬件系統主要由數據采集設備、現場控制箱以及遠程數據中心三個部分組成，如圖1所示。

使用高精度的測量機器人以及固定式測斜儀、鋼筋計、軸力計、水壓力計等監測用傳感器作為數據采集設備。

將現場控制箱安放在地鐵基坑不受施工影響的區域。控制箱中集成了工控機、傳感器數據采集儀、數據傳輸模塊以及電源等設備。

為確保數據傳輸的穩定性，將測量機器人與工控機采用有線方式進行連接， 各類型傳感器同樣采用有線方式與傳感器數據采集儀對應端口相連接。

圖1 硬件系統

工控機與傳感器數據采集儀均與數據傳輸模塊相連接，通過無線網實時將監測數據傳送至遠程數據中心的服務器，進行進一步的數據處理、分析與發布等工作。

3 軟件系統

根據實際的監測需求，開發了“常州軌道交通工程自動化監測系統”，軟件系統主界面如圖2所示。

圖2 “常州軌道交通工程自動化監測系統”主界面

系統集成了三維位移監測、深層水平位移監測、支撐軸力監測、地下水位監測等功能，并將所有監測數據分項目進行管理。

在現場進行設備安裝調試時，可在系統中對各項測量參數進行設置，并測試數據采集是否正常。在進行日常的自動化監測工作時，軟件系統可實時接收從施工現場遠程傳送回來的監測數據，進行進一步的處理及入庫工作。同時將監測成果通過專用接口自動上傳至“常州市軌道交通工程建設安全風險監控與管理信息系統”進行發布，如圖3所示。

圖3 數據發布系統界面

4 應用實例

常州軌道交通2號線TJ06標紫云站為地下三層車站，長 219.7 m，寬 26.5 m，站中心底板埋深 25.5 m，為2號線與6號線節點換乘站。主體基坑采用地下連續墻圍護，設6道支撐。在該站重點監測部位實施自動化監測工作，監測項目包括基坑墻頂豎向與水平位移、基坑墻體深層水平位移、支撐軸力、地下水位等。

4.1 基坑墻頂豎向與水平位移自動化監測

使用如圖4所示的徠卡TS50測量機器人與配套徠卡圓棱鏡進行基坑墻頂位移監測點的豎向、水平位移采集工作。

圖4 測量機器人與配套棱鏡

基坑墻頂豎向、水平位移監測共用同一個監測點，將徠卡圓棱鏡通過固定連接桿安裝在各監測點位上，并將鏡面旋轉朝向測站方向。

在基坑施工現場強制觀測墩上安放測量機器人，并通過數據線與計算機連接，進行調試工作。在計算機上運行“常州軌道交通工程自動化監測系統”，選擇三維位移監測功能。首先設置好測站坐標，完成定向工作。再控制測量機器人依次學習測量各監測點的方位并進行記錄，確保各監測點位可通視并可正常觀測。最后設置好測量周期，將測量信息配置文件導出至現場控制箱中的工控機中，供自動測量使用。

現場調試完成后將測量機器人與工控機連接。為了確保測量的穩定性，在工控機中發布占用資源較少的測量服務。在讀取測量信息配置文件后控制測量機器人按照設定好的測量周期與流程依次測得各監測點的三維坐標，并與各點位初始平面坐標及高程值進行對比，計算得到每期各監測點位的豎向與水平方向變形值，繪制變形過程線，如圖5所示。

圖5 墻頂位移監測點豎向與水平方向變形過程線

4.2 基坑墻體深層水平位移自動化監測

基坑墻體深層水平位移自動化監測點位的布設采用將測斜管與鋼筋籠綁扎一同下放的方式進行。待地連墻混凝土澆筑完成后對測斜管進行檢查，確保管內通暢、平順。

在每個測斜管中按照2 m間隔布設固定式測斜儀，固定式測斜儀之間使用固定連接桿進行連接，如圖6所示。

依次進行各固定式測斜儀的安裝與下放工作，直至所有固定式測斜儀安裝到指定位置，將通信線纜統一由測斜管管口引出，并依次測試確保所有傳感器均能穩定讀數后將通信線纜接入傳感器數據采集儀中，進行周期性的自動化數據采集工作。

圖6 固定式測斜儀布設

固定式測斜儀全部安裝完成后記錄下各自的初始讀數F0。當基坑地連墻墻體發生變形時，會使變形部位的測斜管產生彎曲，對應位置處的固定式測斜儀姿態發生變化。采集到各監測點位處所有傳感器數據后，將各深度位置處傳感器讀數Fi與各自的初始值進行對比，再根據各固定式測斜儀的標定系數K，計算得到各傳感器傾角變化量△θ：

△θ=K(Fi-F0)/3600

(1)

根據固定式測斜儀的固定長度L(mm)，可求出對應的水平位移量△d(mm)：

(2)

將兩相鄰傳感器之間的間隔位置水平位移量進行插值處理，最后以管底為基準，計算各深度位置處累計水平位移量D(mm)：

D=∑△d

(3)

進而可繪制出基坑墻體深層水平位移曲線，如圖7所示。

圖7 基坑墻體深層水平位移曲線

4.3 支撐軸力自動化監測

根據施工進度將鋼支撐軸力計與砼支撐鋼筋計安裝在指定的支撐位置處，并將傳感器通信線纜引出進行測試，確保讀數穩定后接入傳感器數據采集儀，按照設定周期自動采集數據。

根據各傳感器未施加應力時的初始讀數F0與標定系數K以及各期自動化采集到傳感器讀數Fi，即可計算出支撐軸力P(kN)：

P=1000K(Fi-F0)

(4)

支撐軸力自動化監測成果如圖8所示。

圖8 支撐軸力自動化監測成果

4.4 地下水位自動化監測

地下水位自動化監測采用振弦式水壓力計進行數據采集。當水壓力計固定在水下某一測點時，該測點水壓荷載作用在水壓力計上，引起彈性膜板的變形并傳遞給鋼弦，轉變成鋼弦應力的變化，從而改變鋼弦的振動頻率。電磁線圈激振鋼弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳輸至采集設備，即可測出該測點的水壓值。由此計算出該測點水柱壓力高度(1千帕=101.971毫米水柱)，并結合該測點高程，即可間接測出水位。

通過鉆孔形式布設好水位管，測定管口至管內水面的深度。使用直徑 1 mm的鋼絲懸掛水壓力計進行下放。將水壓力計放置在管內水面以下 4 m～5 m位置處，保證水壓力計始終位于水面以下。

水壓力計安裝完成后使用傳統水位計精確測定管內水位值H0。

根據水壓力計未施加應力時的初始讀數F0與標定系數K以及各期自動化采集到的讀數Fi計算得到水壓力值P(MPa)：

P=1000K(Fi-F0)

(5)

在已知水密度ρ和重力加速度g的前提下可計算得到水面至水壓力計的水深h(m)：

(6)

以傳感器初始安裝完成測得的水壓力值P0作為初始值，計算得到的水深h0作為初始水深。將各期自動采集到的水深值hi與初始水深進行對比，并顧及初始水位值H0可得各期水位監測成果Hi(m)：

Hi=H0+(hi-h0)

(7)

地下水位自動化監測成果如圖9所示。

圖9 地下水位自動化監測成果

4.5 自動化監測成效

基坑墻頂豎向與水平位移自動化監測與人工監測共用監測點位，在各基坑墻體深層水平位移、地下水位自動化監測點位附近 1 m范圍內布設有傳統人工監測點位。在基坑開挖期間對以上自動化監測項目選取監測點與對應的人工監測點進行成果對比。以人工監測成果作為真值，評價自動化監測成果的可靠性。

基坑墻頂豎向與水平位移人工監測每天進行一次數據采集。選取6個人工監測點位20期的成果與同一觀測時段的自動化監測成果進行變化量對比，結果如表1、表2所示。

基坑墻頂豎向位移監測成果變化量對比表 表1

基坑墻頂水平位移監測成果變化量對比表 表2

基坑墻頂豎向位移人工監測采用的是幾何水準測量方法，與自動化監測采用的測量機器人三角高程測量方法得到的監測成果相比，每期變化量差值在 1 mm內的數據條數占總數的85%，差值在 1 mm～2 mm范圍內的數據條數占15%，無差值超過 2 mm的數據。基坑墻頂水平位移人工監測采用同等精度的測量機器人進行觀測，每期變化量差值在 1 mm內的數據條數占總數的93.3%，差值在 1 mm～2 mm范圍內的數據條數占6.7%，無差值超過 2 mm的數據。各期基坑墻頂豎向與水平位移自動化監測成果與人工監測成果相符合。

基坑墻體深層水平位移人工監測使用測斜儀每天進行一次數據采集。選取同一期6個人工監測點與對應的自動化測點監測成果進行對比，如圖10所示。

圖10基坑墻體深層水平位移監測成果對比圖

上圖中實線表示的是各基坑墻體深層水平位移人工監測點變形情況，虛線表示的是對應的各自動化監測點變形情況。自動化監測反映出的點位變形趨勢與人工監測成果一致，可真實反映基坑墻體在水平方向上的變形情況。

地下水位人工監測使用水位計每天進行一次數據采集。選取6個人工監測點位20期的成果與同一觀測時段的自動化監測成果進行對比，結果如圖11所示。

圖11地下水位監測成果對比圖

上圖中實線表示的是各地下水位人工監測點的水位變化情況，虛線表示的是對應的各自動化監測點水位變化情況。自動化監測得到的水位值與人工測量得到的趨勢一致，能可靠地反映地下水位的變化情況。

紫云站主體基坑目前已完成所有的開挖及底板澆筑工作，在此期間自動化變形監測系統按照每小時一次的頻率進行各項監測數據的采集、傳輸、處理并進行了及時發布，發現了多起地連墻墻體變形過大、支撐軸力值異常以及地下水位變化異常等情況，及時指導施工方查明原因并采取相應的處理措施，保障了基坑工程施工的順利進行。

5 結 論

地鐵基坑自動化變形監測系統可實現對地鐵基坑工程多項重點監測項目的數據自動化采集、傳輸、處理以及發布，綜合運用高精度的測量機器人及監測用傳感器，有效減少人工成本且可實時獲得準確的監測成果，為地鐵基坑工程安全施工提供了可靠保障。