深基坑沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

在實(shí)際操作過程中存在環(huán)境要求高、人工采集誤差、數(shù)據(jù)處理難、數(shù)據(jù)連續(xù)性差等劣勢(shì)。

1.深基坑沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)解決方案

常見的監(jiān)測(cè)方法有幾何水準(zhǔn)測(cè)量、GPS 測(cè)量和靜力水準(zhǔn)測(cè)量。GPS 測(cè)量造價(jià)昂貴且精度較低，針對(duì)幾何水準(zhǔn)測(cè)量方案中的問題，本文提出以靜力水準(zhǔn)儀為采集設(shè)備的沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，該方案中靜力水準(zhǔn)儀一次性現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，由于其體積小且是通過壓力傳感的方式進(jìn)行基坑沉降感知，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求低；在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)無須人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作，降低了人員誤差；通過靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸，在系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算應(yīng)用，節(jié)省了人員的大量計(jì)算工作，提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯

當(dāng)安裝好靜力水準(zhǔn)儀傳感器后，首先在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件上設(shè)置好參數(shù)（采集間隔時(shí)間、系統(tǒng)報(bào)警、短信報(bào)警等），通過無線采集傳輸器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)管理中心數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后在PC和移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警等功能。

1.2 系統(tǒng)組成

深基坑沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由靜力水準(zhǔn)儀、無線采集傳輸器、RS485總線、連接水管以及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)組成，可使用市電或太陽能供電。該系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層結(jié)合所需監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的特征，進(jìn)行傳感器選型與布點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線布設(shè)，采集設(shè)備組網(wǎng)等工作；網(wǎng)絡(luò)層是將采集到的數(shù)據(jù)利用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)傳輸單元進(jìn)行遠(yuǎn)程無線傳輸；應(yīng)用層包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表推送、預(yù)警、三方數(shù)據(jù)接口等智能化應(yīng)用。

1.2.1 系統(tǒng)感知層

感知層為多只同型號(hào)靜力水準(zhǔn)儀組成的沉降系統(tǒng)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生升降時(shí)，通過測(cè)量壓力變化，來計(jì)算各測(cè)點(diǎn)相對(duì)水平基點(diǎn)的升降變化[2]，具體如圖2。傳感器受到的壓力為F，F(xiàn)=ρ×g×h×S(ρ、g、S 為定值，h 為變值），故沉降變化量Δh 只跟壓力變化ΔF 成正比。假設(shè)安裝后基準(zhǔn)點(diǎn)的初始測(cè)值為J0，某監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始測(cè)值為Y0，發(fā)生位移后其測(cè)值分別為J1和Y1，則被測(cè)點(diǎn)的位移量為：ΔY=（Y1-Y0）-（J1-J0）上升為正、下降為負(fù)[1]。

1.2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層連接感知層和應(yīng)用層的樞紐，以RS485 總線為基礎(chǔ)，定時(shí)采集數(shù)據(jù)，采樣間隔1min～1d 連續(xù)可調(diào)，存儲(chǔ)容量1G 以上，數(shù)據(jù)傳輸通過無線傳輸模塊[1]實(shí)現(xiàn)，具備完整的TCP/IP 協(xié)議棧及功能強(qiáng)大的透明傳輸保障機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等方式的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，直接通過Internet 網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地的構(gòu)建覆蓋全國(guó)范圍內(nèi)的移動(dòng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)。

1.2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層

應(yīng)用層將基坑感知設(shè)備、測(cè)量方法及參數(shù)等物聯(lián)網(wǎng)層級(jí)對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)的唯一識(shí)別，將物理分布，邏輯集中的實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的唯一定位，便捷管理系統(tǒng)，分別在本地和異地建立榮滅群集系統(tǒng)，避免單點(diǎn)出現(xiàn)故障引起的數(shù)據(jù)丟失、服務(wù)終端問題，提高在線運(yùn)行、服務(wù)等級(jí)。該系統(tǒng)平臺(tái)采用ubuntu 系統(tǒng)，編程語言為java，數(shù)據(jù)庫為Mysql，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表設(shè)置、告警通知、用戶管理、閾值調(diào)整、采集周期調(diào)整、測(cè)點(diǎn)管理等功能，可根據(jù)項(xiàng)目管理特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，做到自動(dòng)響應(yīng)、自動(dòng)控制、自動(dòng)預(yù)警。

圖1 液壓式靜力水準(zhǔn)儀安裝結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)工程應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

西航港街道項(xiàng)目設(shè)地下室兩層，項(xiàng)目場(chǎng)平后場(chǎng)地地面標(biāo)高取481.00m，基坑開挖深度在場(chǎng)平標(biāo)高下9.90m，基坑面積約為43275m2，周長(zhǎng)約820m。內(nèi)地層主要為填土、粉土、細(xì)砂、中砂及卵石組成，下伏粉砂質(zhì)泥巖。水分浸入時(shí)，易造成土體流失及垮塌，造成基坑變形失穩(wěn)；成樁填土?xí)r、細(xì)砂層易產(chǎn)生垮孔塌孔，需采取有效護(hù)壁措施。

2.2 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

基坑地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)按15m～20m的間距布置46 個(gè)，垃圾房及公共配套設(shè)施用房進(jìn)行了6 個(gè)沉降點(diǎn)位的布設(shè)，共計(jì)52 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)都進(jìn)行唯一編號(hào)，與系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)，具體如表1。

表1 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)清單表

圖2 靜力水準(zhǔn)儀現(xiàn)場(chǎng)安裝示意圖

2.3 選型安裝

根據(jù)精度和市場(chǎng)調(diào)研情況，選擇了BK-J03B 系列壓差式精力水準(zhǔn)儀，產(chǎn)品特點(diǎn)有體積小（90mm×90mm×54mm）、精度高（＜0.3mm）、量程大（可達(dá)2000mm），可隨地勢(shì)安裝，工作溫度可達(dá)-40℃～125℃，適用于各種惡劣環(huán)境；硬件具有RS485 接口，可外接Zigbee 模塊或GPRS 模塊，兼容性強(qiáng)；沉降有液面壓差就能實(shí)時(shí)體現(xiàn)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。該靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，安裝示意如圖2。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)比分析

該自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，與人工幾何水準(zhǔn)測(cè)量方式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如下：

（1）環(huán)境要求方面：由于施工環(huán)境影響，人工監(jiān)測(cè)操作平臺(tái)無法完全按照理論點(diǎn)位進(jìn)行布設(shè)，需根據(jù)實(shí)際進(jìn)行調(diào)整，然而傳感器只需在項(xiàng)目初期布設(shè)一次，半年定期檢查即可，大大降低了操作環(huán)境要求。

（2）人員誤差方面：人工監(jiān)測(cè)誤差主要受設(shè)備測(cè)角精度、觀測(cè)人員、氣候環(huán)境、數(shù)據(jù)處理方法的共同影響，包括：儀器測(cè)角誤差、測(cè)站（工作基點(diǎn)）對(duì)中誤差和目標(biāo)照準(zhǔn)誤差等；系統(tǒng)監(jiān)測(cè)誤差主要來源于傳感器精度影響，該靜力水準(zhǔn)儀的精度小于0.3mm，完全滿足了監(jiān)測(cè)誤差要求。

圖3 沉降累積對(duì)比

（3）數(shù)據(jù)處理方面：無須考慮軸線、建筑坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系等問題，僅需平行于基坑邊緣均勻布設(shè)安裝即可，更符合基坑變化實(shí)際，更加系統(tǒng)形象，同時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)用簡(jiǎn)單、快捷；同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DTU 一次性丟包率不大于3%，且能立即發(fā)出指令對(duì)丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)發(fā)，達(dá)到了數(shù)據(jù)100%傳輸。

（4）實(shí)時(shí)精度方面：現(xiàn)場(chǎng)找到位置較為接近的人工J2 點(diǎn)位與系統(tǒng)5 號(hào)點(diǎn)位，從6 月18 日至8 月11 日，進(jìn)行水平和沉降位移數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析對(duì)比，數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)變化相對(duì)一致，但由于人工監(jiān)測(cè)為1d-3d 監(jiān)測(cè)一次，并存在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不完善等情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較少，從而人工監(jiān)測(cè)曲線變化幅度也較小，無法更精確的表達(dá)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化情況。

3.應(yīng)用效果結(jié)論

沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從原理上解決了人工監(jiān)測(cè)在環(huán)境要求高、人員采集誤差大、數(shù)據(jù)處理難、實(shí)時(shí)連續(xù)性差等方面的問題。首先，靜力水準(zhǔn)儀一次性安裝后，無須人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于空間狹小、點(diǎn)不通視、設(shè)備位置變化等環(huán)境要求，具備較好的監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)；其次，人工監(jiān)測(cè)對(duì)于測(cè)量人員的操作技術(shù)要求較高，然而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然前期一次性設(shè)備安裝要求高，但后期基本不受人為因素的影響；同時(shí)，人工監(jiān)測(cè)頻率較低，一般為1 周1 次，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集頻次可根據(jù)基坑狀態(tài)在5min～1d/次的頻次范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，系統(tǒng)可設(shè)置1、2、3 級(jí)基坑預(yù)警，當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情預(yù)兆時(shí)預(yù)警更加及時(shí)，以便項(xiàng)目及時(shí)采取安全防控措施；最后，各項(xiàng)目可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況自主調(diào)整系統(tǒng)的用戶權(quán)限、告警推送配置、閾值信息、測(cè)點(diǎn)布置、采集周期、異常配置、測(cè)點(diǎn)布置等等，在滿足不同項(xiàng)目的沉降變形監(jiān)測(cè)管理要求的同時(shí)，可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，無須繁雜的人工計(jì)算，為后續(xù)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算在深基坑監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供積累。