基于柔性測斜繩的基坑自動化測斜技術研究

陳炳輝

(廣州市城市更新規劃設計研究院有限公司, 廣東 廣州 510045)

0 引言

地下空間資源的利用是近年來的重要關注課題,基坑作為地鐵、隧道、超高層建筑等工程基礎,其安全與否直接影響了整個工程質量。基坑圍護結構作為基坑工程的主要支護體系,變形大小能夠對基坑安全進行直觀展現[1],圍護結構深層水平位移監測普遍采用人工監測方法,監測人員采用測斜儀對每個測斜孔進行正反向測量[2],然后利用測斜數據處理軟件對監測數據進行分析處理,與初值對比獲取圍護結構深層水平位移變量,基坑開挖期間普遍為一日一測,工作量大,作業強度高,監測數據有一定的滯后性[3]。為解決傳統人工測斜的弊端,越來越多的學者投入到圍護墻深層水平位移自動化監測研究中去。

本文通過對傳統人工測斜原理進行分析,以物聯網傳感技術為基礎,結合邊緣解算、無線通信、機械自動化等技術,并采用低功耗設計,研發推出基坑維護結果深層水平位移自動化監測設備,并與傳統人工測斜數據進行綜合比對,對自動化測斜技術的可靠性進行驗證,實現了基坑圍護結構深層水平位移地實時監測,為深基坑工程的安全施工提供科學參考。

1 測斜原理

在基坑施工開挖或降水過程中,圍護結構容易受到側向土壓力的影響,從而產生一定位移變形,當位移超過設計值或發生較大突變時,會造成一定的安全隱患,進而造成安全事故,故需要對基坑維護結構深層水平位移進行安全監測[4]。傳統測斜方法采用滑動測斜儀進行監測,測斜儀包括傳感探頭、讀數儀和線纜構成,如圖1所示。傳感探頭具有上下兩個導輪結構,在現場監測時,首先將高導輪朝向基坑,沿測斜管導槽下放至測斜管底,靜置10 min,待探頭適應測斜管底溫度后再進行上拉測量,每間隔0.5 m進行一次讀數,直至測量到管口為止,然后低導輪朝向基坑再次進行測量;測量完成后將測量數據傳輸至計算機,利用數據處理工具進行數據處理,獲取所需監測數據。

圖1 常規人工監測測斜儀

測斜儀的本質是利用內部的高精度應變傳感器所測得的應變差值轉換為角度差,然后換算為水平位移量,通過累加處理,從而得到測斜管管形[5]。由測斜儀測得第i測段的應變差Δεi,換算得該段的測斜管傾角θi,則該測段的水平位移δi如式(1)和式(2)所示。

式中,δi表示第i測段的水平位移;li表示第i測段的管長,通常取為0.5 m;θi表示第i測段的傾角值(°);f為測斜儀率定常數;δi為測頭在第i測段正、反兩次測得的應變讀數差之半,Δεi=(εi+-εi-)/2。

測斜管管底存在一定量的位移時,可以管頂作為基準點,通過墻頂水平位移實測值δ0,并由管底向上計算第n測段處的總水平位移如式(3)所示。

(3)

由于測斜管在埋設時不可能使得其軸線為鉛垂線,測斜管埋設好后,總存在一定得傾斜或者撓曲,因此,各測段處的實際總水平位移Δi′應該是各次測得的水平位移與測斜管的初始水平位移之差,采用管口修正得到成果,如式(4)所示。

(4)

式中,θ0i表示第i測段的初始傾角值(°)。

2 自動化測斜

近年來,自動化測斜技術的研究始終是基坑工程中的重要課題。較為常用的自動化測斜技術為串聯固定式測斜儀,將固定式測斜儀通過剛性連接桿件進行串聯,逐節逐段下放至測斜管內,測深間隔為1 m;管口采用固定裝置將測斜儀固定,并將所有線纜接入數據采集箱,接入電源,進行測斜數據自動化監測[6]。該方法實現較為簡單,但存有較多弊端。固定式測斜儀自身較重,再加上剛性連接桿件,串聯較多測斜儀時,整體重量較大,需要多人操作,極為不便;且串聯后測斜儀自重較大,導致監測結果相對真實位移偏小,數據可靠性較差。

2.1 自動化測斜原理

為解決串聯固定式測斜儀現存問題,在本次研究過程中,采用柔性測斜繩對圍護墻深層水平位移進行自動化監測[7]。柔性測斜繩又被稱為陣列式柔性測斜儀,主要由微機電系統(micro electro mechanical systems,MEMS)加速度計、解析電路板、標準測量單元以及外保護裝置等構成,如圖2所示。柔性測斜儀工作原理是通過MEMS微機電系統測量重力加速度在不同軸向上的數據來計算出對應軸與重力方向的角度,通過角度的變化計算對應測量單元的位移量。

圖2 柔性測斜儀

每個測量單元安裝有3個加速度傳感器,通過測量傳感器的加速度值來計算出對應軸與重力方向的夾角θ,通過計算出對應軸與重力方向的夾角θ來計算對應測量單元的位移量,如圖3所示。每個測量單元長度為L,則第i個測量單元在重力方向的坐標系中對應的坐標長度為d=L·Sinθi,對應的第i個測量單元在整體坐標系中的坐標為第1個測量單元到第i個測量單元的累加值如式(5)所示。

(5)

式中,D為三維軸線中(X、Y、Z)單個測量單元相對基準的變形值;L為單個測量單元的長度(0.3、0.5、1)m;θ為單個測量單元對應軸與重力方向之間的夾角。

圖3 柔性測斜儀作業原理

2.2 自動化測斜優勢

采用柔性測斜儀對圍護結構深層水平位移進行自動化監測,僅需外部供電,即可實現監測點的高頻次自動化監測工作[8]。該系統集前端數據采集、邊緣解算、無線傳輸于一體,所有監測數據均通過云端網關進行檢校,由云平臺進行可視化展示。相較于傳統人工測斜以及串聯固定式測斜儀,柔性測斜儀主要有5方面優勢。

(1)高頻次。傳統人工測斜多為一天一測,自動化測斜可依據工程需求設置監測頻率,默認監測頻率為1次/h,可靈活調整,便于加密監測。

(2)實時性。自動化測斜不受工程施工和天氣環境的影響,能夠實現圍護結構深層水平位移的實時監測,可通過電腦、App等方式對監測成果進行實時查看,可視化程度較高。

(3)可靠性。自動化測斜從人工測斜原理出發,將數據采集、解算等過程實現自動化[9],可靠性較高;自動化測斜設備一次性安裝,監測過程無須人工干預,從而避免了人為誤差的影響,監測成果準確度較高。

(4)便捷性。相較于串聯固定式測斜儀,柔性測斜儀更為輕便,安裝較為簡捷,僅需一根RS485總線即可實現數據采集全過程[10];且柔性測斜儀在測斜管內緊密擠壓,自重相對較小,測量成果更為可靠。

(5)經濟性。自動化測斜技術能夠大幅度降低人工成本,降低人工監測壓力,設備可實現多項目循環利用,具有較高的經濟性。

3 實例探究

3.1 項目概況

本次研究以某地鐵車站深基坑為試驗對象,基坑尺寸為362 m×22 m,開挖深度為21.5 m～25.0 m,由于車站位于市區,周邊環境較為復雜,保護性建筑較多,監測意義重大。在本次試驗過程中,針對重要風險點進行自動化監測,自動化監測項目包含三維形變、圍護墻深層水平位移、潛水水位、支撐軸力,本文重點對圍護墻深層水平位移自動化監測成果的可靠性進行分析研究。

3.2 數據分析

本項目為基坑自動化監測試點項目,依據工程現場實際情況,對P34測斜監測點采用自動化監測,在自動化測斜設備安裝前,監測人員采用美國新科測斜儀對該測斜孔進行人工初值采集,便于后續與自動化監測數據對比;并將自動化監測數據與兩側的P33和P35以及對面的P45人工監測點進行對比,分析自動化測斜數據的準確性。

3.2.1數據穩定性分析

由于自動化測斜設備的安裝需要現場具備一定安裝條件,本工程項目施工現場較為復雜,自動化測斜設備安裝時,現場第3層土方已經開挖完成,進場時間較為滯后。測斜自動化監測周期共計2個月,共采集到935組數據,平均每天不低于15組數據,監測頻率較高;自動化監測數據中不可避免地存在一些噪點數據,由于該系統集成了數據去噪過濾算法,能夠對顯著異常數據進行有效過濾,未成功過濾的噪點數據共有3組,噪點率為0.32%,故表明數據采集成果較為可靠。

穩定條件下監測數據自身會有一定波動,但施工期間,數據波動同樣會包含圍護墻深層水平位移的真實形變量,故對自動化監測數據的穩定性進行分析,需選擇未施工期間的連續數據進行分析研究。由于本次試驗進場時間較晚,沒有獲取到項目前期未施工期間的數據,故選取連續6 d凌晨未施工期間的數據,分析自動化監測數據的穩定性,如圖4所示。

圖4 自動化測斜數據波動分析

對圖4進行分析可知,在未施工期間,自動化測斜數據波動大小隨測量深度的增加而加大,其原因為采用管口起算形式,測量誤差持續累加,致使管底數據波動較大,但最高不超過0.6 mm,故表明基于柔性測斜儀的圍護墻深層水平位移自動化監測,數據成果重復精度較好,有較高的穩定性。

3.2.2數據可靠性分析

柔性測斜儀安裝完成后,無法對該測斜孔進行人工復測,故在安裝前采用人工測量方式對該測斜孔進行初值采集,在自動化監測設備拆除后再進行一次人工測量,與自動化測斜數據成果進行對比,分析自動化測斜成果的準確性,如圖5所示。通過對比發現,基于柔性測斜儀的自動化監測數據與人工測量數據基本一致,曲線重合度較高,從而表明采用柔性測斜儀進行單測斜孔的自動化監測,具有較高的可靠性。

通過基坑工程開挖規律,并咨詢監測領域專家得知,相鄰測斜孔以及對稱測斜孔的變形趨勢有一定的關聯性,故在本次研究中,將P34自動化測斜數據與相鄰P33、P35以及對面P45測斜孔人工監測數據進行對比,并與施工工況進行關聯,進一步研究自動化測斜成果的可靠性,如圖6所示。

對圖6進行分析可知,自動化測斜數據累計變形量要小于鄰近監測點人工測斜數據,其原因為自動化監測設備進場時間較晚,在監測前該監測點已發生了輕微變形,故自動化監測累計變形量偏小,符合施工工況;自動化測斜與人工測斜數據變化規律基本一致,隨基坑開挖深度的增加,最大變形位置也逐漸向深處變化;由于該項目在開挖深度不超過15 m的地方采用伺服鋼支撐系統,故前15 m圍護墻并沒有出現較大變形;在第7層土方開挖期間,由于現場施工影響,基坑開挖和出土速度相對較慢,從而導致圍護墻出現了較大位移變形,自動化監測和人工監測均體現了該現象。由此表明,基于柔性測斜儀的深基坑圍護墻深層水平位移自動化監測,成果可靠性較高,在工程現場滿足安裝要求的條件下,完全能夠取代傳統人工測斜方式。

圖5 自動測斜與人工測斜數據對比

(a)自動測斜—P34

(b)人工測斜—P33

(c)人工測斜—P35

(d)人工測斜—P45

4 結束語

基坑圍護結構深層水平位移監測作為基坑安全信息的較為直觀的表現方式,常規人工監測難以滿足變形信息實時獲取需求,長期以來,自動化測斜技術的研究始終是極為重要的課題。基于串聯固定式測斜儀的自動化測斜技術,不論從安裝實施還是從數據成果來看,均存在較多弊端,因此本文基于柔性測斜儀作業原理,通過某地鐵深基坑項目對自動化測斜數據的穩定性和可靠性進行綜合分析研究,驗證了柔性測斜儀在深基坑測斜領域能夠取代常規人工測量方法,具有較高的適用性。