基于柔性測斜繩的基坑自動化測斜技術(shù)研究

陳炳輝

(廣州市城市更新規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guān)注課題,基坑作為地鐵、隧道、超高層建筑等工程基礎(chǔ),其安全與否直接影響了整個(gè)工程質(zhì)量。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為基坑工程的主要支護(hù)體系,變形大小能夠?qū)影踩M(jìn)行直觀展現(xiàn)[1],圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測普遍采用人工監(jiān)測方法,監(jiān)測人員采用測斜儀對每個(gè)測斜孔進(jìn)行正反向測量[2],然后利用測斜數(shù)據(jù)處理軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,與初值對比獲取圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yè)強(qiáng)度高,監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的滯后性[3]。為解決傳統(tǒng)人工測斜的弊端,越來越多的學(xué)者投入到圍護(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測研究中去。

本文通過對傳統(tǒng)人工測斜原理進(jìn)行分析,以物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合邊緣解算、無線通信、機(jī)械自動化等技術(shù),并采用低功耗設(shè)計(jì),研發(fā)推出基坑維護(hù)結(jié)果深層水平位移自動化監(jiān)測設(shè)備,并與傳統(tǒng)人工測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對,對自動化測斜技術(shù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移地實(shí)時(shí)監(jiān)測,為深基坑工程的安全施工提供科學(xué)參考。

1 測斜原理

在基坑施工開挖或降水過程中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)容易受到側(cè)向土壓力的影響,從而產(chǎn)生一定位移變形,當(dāng)位移超過設(shè)計(jì)值或發(fā)生較大突變時(shí),會造成一定的安全隱患,進(jìn)而造成安全事故,故需要對基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行安全監(jiān)測[4]。傳統(tǒng)測斜方法采用滑動測斜儀進(jìn)行監(jiān)測,測斜儀包括傳感探頭、讀數(shù)儀和線纜構(gòu)成,如圖1所示。傳感探頭具有上下兩個(gè)導(dǎo)輪結(jié)構(gòu),在現(xiàn)場監(jiān)測時(shí),首先將高導(dǎo)輪朝向基坑,沿測斜管導(dǎo)槽下放至測斜管底,靜置10 min,待探頭適應(yīng)測斜管底溫度后再進(jìn)行上拉測量,每間隔0.5 m進(jìn)行一次讀數(shù),直至測量到管口為止,然后低導(dǎo)輪朝向基坑再次進(jìn)行測量;測量完成后將測量數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī),利用數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲取所需監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 常規(guī)人工監(jiān)測測斜儀

測斜儀的本質(zhì)是利用內(nèi)部的高精度應(yīng)變傳感器所測得的應(yīng)變差值轉(zhuǎn)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(yīng)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(shù);δi為測頭在第i測段正、反兩次測得的應(yīng)變讀數(shù)差之半,Δεi=(εi+-εi-)/2。

測斜管管底存在一定量的位移時(shí),可以管頂作為基準(zhǔn)點(diǎn),通過墻頂水平位移實(shí)測值δ0,并由管底向上計(jì)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(shè)時(shí)不可能使得其軸線為鉛垂線,測斜管埋設(shè)好后,總存在一定得傾斜或者撓曲,因此,各測段處的實(shí)際總水平位移Δi′應(yīng)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(shù)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(shù)為串聯(lián)固定式測斜儀,將固定式測斜儀通過剛性連接桿件進(jìn)行串聯(lián),逐節(jié)逐段下放至測斜管內(nèi),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(shù)據(jù)采集箱,接入電源,進(jìn)行測斜數(shù)據(jù)自動化監(jiān)測[6]。該方法實(shí)現(xiàn)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(lián)較多測斜儀時(shí),整體重量較大,需要多人操作,極為不便;且串聯(lián)后測斜儀自重較大,導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果相對真實(shí)位移偏小,數(shù)據(jù)可靠性較差。

2.1 自動化測斜原理

為解決串聯(lián)固定式測斜儀現(xiàn)存問題,在本次研究過程中,采用柔性測斜繩對圍護(hù)墻深層水平位移進(jìn)行自動化監(jiān)測[7]。柔性測斜繩又被稱為陣列式柔性測斜儀,主要由微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)加速度計(jì)、解析電路板、標(biāo)準(zhǔn)測量單元以及外保護(hù)裝置等構(gòu)成,如圖2所示。柔性測斜儀工作原理是通過MEMS微機(jī)電系統(tǒng)測量重力加速度在不同軸向上的數(shù)據(jù)來計(jì)算出對應(yīng)軸與重力方向的角度,通過角度的變化計(jì)算對應(yīng)測量單元的位移量。

圖2 柔性測斜儀

每個(gè)測量單元安裝有3個(gè)加速度傳感器,通過測量傳感器的加速度值來計(jì)算出對應(yīng)軸與重力方向的夾角θ,通過計(jì)算出對應(yīng)軸與重力方向的夾角θ來計(jì)算對應(yīng)測量單元的位移量,如圖3所示。每個(gè)測量單元長度為L,則第i個(gè)測量單元在重力方向的坐標(biāo)系中對應(yīng)的坐標(biāo)長度為d=L·Sinθi,對應(yīng)的第i個(gè)測量單元在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為第1個(gè)測量單元到第i個(gè)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(gè)測量單元相對基準(zhǔn)的變形值;L為單個(gè)測量單元的長度(0.3、0.5、1)m;θ為單個(gè)測量單元對應(yīng)軸與重力方向之間的夾角。

圖3 柔性測斜儀作業(yè)原理

2.2 自動化測斜優(yōu)勢

采用柔性測斜儀對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行自動化監(jiān)測,僅需外部供電,即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的高頻次自動化監(jiān)測工作[8]。該系統(tǒng)集前端數(shù)據(jù)采集、邊緣解算、無線傳輸于一體,所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過云端網(wǎng)關(guān)進(jìn)行檢校,由云平臺進(jìn)行可視化展示。相較于傳統(tǒng)人工測斜以及串聯(lián)固定式測斜儀,柔性測斜儀主要有5方面優(yōu)勢。

(1)高頻次。傳統(tǒng)人工測斜多為一天一測,自動化測斜可依據(jù)工程需求設(shè)置監(jiān)測頻率,默認(rèn)監(jiān)測頻率為1次/h,可靈活調(diào)整,便于加密監(jiān)測。

(2)實(shí)時(shí)性。自動化測斜不受工程施工和天氣環(huán)境的影響,能夠?qū)崿F(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測,可通過電腦、App等方式對監(jiān)測成果進(jìn)行實(shí)時(shí)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(fā),將數(shù)據(jù)采集、解算等過程實(shí)現(xiàn)自動化[9],可靠性較高;自動化測斜設(shè)備一次性安裝,監(jiān)測過程無須人工干預(yù),從而避免了人為誤差的影響,監(jiān)測成果準(zhǔn)確度較高。

(4)便捷性。相較于串聯(lián)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集全過程[10];且柔性測斜儀在測斜管內(nèi)緊密擠壓,自重相對較小,測量成果更為可靠。

(5)經(jīng)濟(jì)性。自動化測斜技術(shù)能夠大幅度降低人工成本,降低人工監(jiān)測壓力,設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目循環(huán)利用,具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

3 實(shí)例探究

3.1 項(xiàng)目概況

本次研究以某地鐵車站深基坑為試驗(yàn)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(qū),周邊環(huán)境較為復(fù)雜,保護(hù)性建筑較多,監(jiān)測意義重大。在本次試驗(yàn)過程中,針對重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行自動化監(jiān)測,自動化監(jiān)測項(xiàng)目包含三維形變、圍護(hù)墻深層水平位移、潛水水位、支撐軸力,本文重點(diǎn)對圍護(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測成果的可靠性進(jìn)行分析研究。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目為基坑自動化監(jiān)測試點(diǎn)項(xiàng)目,依據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況,對P34測斜監(jiān)測點(diǎn)采用自動化監(jiān)測,在自動化測斜設(shè)備安裝前,監(jiān)測人員采用美國新科測斜儀對該測斜孔進(jìn)行人工初值采集,便于后續(xù)與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)對比;并將自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與兩側(cè)的P33和P35以及對面的P45人工監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行對比,分析自動化測斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.1數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

由于自動化測斜設(shè)備的安裝需要現(xiàn)場具備一定安裝條件,本工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場較為復(fù)雜,自動化測斜設(shè)備安裝時(shí),現(xiàn)場第3層土方已經(jīng)開挖完成,進(jìn)場時(shí)間較為滯后。測斜自動化監(jiān)測周期共計(jì)2個(gè)月,共采集到935組數(shù)據(jù),平均每天不低于15組數(shù)據(jù),監(jiān)測頻率較高;自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)中不可避免地存在一些噪點(diǎn)數(shù)據(jù),由于該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)去噪過濾算法,能夠?qū)︼@著異常數(shù)據(jù)進(jìn)行有效過濾,未成功過濾的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)共有3組,噪點(diǎn)率為0.32%,故表明數(shù)據(jù)采集成果較為可靠。

穩(wěn)定條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)自身會有一定波動,但施工期間,數(shù)據(jù)波動同樣會包含圍護(hù)墻深層水平位移的真實(shí)形變量,故對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,需選擇未施工期間的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。由于本次試驗(yàn)進(jìn)場時(shí)間較晚,沒有獲取到項(xiàng)目前期未施工期間的數(shù)據(jù),故選取連續(xù)6 d凌晨未施工期間的數(shù)據(jù),分析自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,如圖4所示。

圖4 自動化測斜數(shù)據(jù)波動分析

對圖4進(jìn)行分析可知,在未施工期間,自動化測斜數(shù)據(jù)波動大小隨測量深度的增加而加大,其原因?yàn)椴捎霉芸谄鹚阈问?測量誤差持續(xù)累加,致使管底數(shù)據(jù)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(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測,數(shù)據(jù)成果重復(fù)精度較好,有較高的穩(wěn)定性。

3.2.2數(shù)據(jù)可靠性分析

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

通過基坑工程開挖規(guī)律,并咨詢監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜业弥?相鄰測斜孔以及對稱測斜孔的變形趨勢有一定的關(guān)聯(lián)性,故在本次研究中,將P34自動化測斜數(shù)據(jù)與相鄰P33、P35以及對面P45測斜孔人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,并與施工工況進(jìn)行關(guān)聯(lián),進(jìn)一步研究自動化測斜成果的可靠性,如圖6所示。

對圖6進(jìn)行分析可知,自動化測斜數(shù)據(jù)累計(jì)變形量要小于鄰近監(jiān)測點(diǎn)人工測斜數(shù)據(jù),其原因?yàn)樽詣踊O(jiān)測設(shè)備進(jìn)場時(shí)間較晚,在監(jiān)測前該監(jiān)測點(diǎn)已發(fā)生了輕微變形,故自動化監(jiān)測累計(jì)變形量偏小,符合施工工況;自動化測斜與人工測斜數(shù)據(jù)變化規(guī)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(xiàng)目在開挖深度不超過15 m的地方采用伺服鋼支撐系統(tǒng),故前15 m圍護(hù)墻并沒有出現(xiàn)較大變形;在第7層土方開挖期間,由于現(xiàn)場施工影響,基坑開挖和出土速度相對較慢,從而導(dǎo)致圍護(hù)墻出現(xiàn)了較大位移變形,自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測均體現(xiàn)了該現(xiàn)象。由此表明,基于柔性測斜儀的深基坑圍護(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測,成果可靠性較高,在工程現(xiàn)場滿足安裝要求的條件下,完全能夠取代傳統(tǒng)人工測斜方式。

圖5 自動測斜與人工測斜數(shù)據(jù)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(jié)束語

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測作為基坑安全信息的較為直觀的表現(xiàn)方式,常規(guī)人工監(jiān)測難以滿足變形信息實(shí)時(shí)獲取需求,長期以來,自動化測斜技術(shù)的研究始終是極為重要的課題?；诖?lián)固定式測斜儀的自動化測斜技術(shù),不論從安裝實(shí)施還是從數(shù)據(jù)成果來看,均存在較多弊端,因此本文基于柔性測斜儀作業(yè)原理,通過某地鐵深基坑項(xiàng)目對自動化測斜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行綜合分析研究,驗(yàn)證了柔性測斜儀在深基坑測斜領(lǐng)域能夠取代常規(guī)人工測量方法,具有較高的適用性。