徐志春，王 軍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十二研究所，浙江 杭州310012;2.上海交通大學(xué) 圖像通信與信息處理研究所，上海200240)

0 引 言

近年來(lái)，在地鐵、大型場(chǎng)館等建筑建設(shè)過程中，由于地質(zhì)勘察不足、設(shè)計(jì)失誤、施工缺陷、溝通不暢、不可抗力等諸多方面原因，國(guó)內(nèi)外基坑施工過程中出現(xiàn)了不少事故，這些事故不僅導(dǎo)致重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡、延誤工期，同時(shí)也產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響。為了能夠及早地發(fā)現(xiàn)基坑施工中的各種風(fēng)險(xiǎn)，需要使用專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)基坑結(jié)構(gòu)和周邊建筑物及管線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握基坑整體的豎直位移、水平形變、結(jié)構(gòu)受力、土體水位等參量變化信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)深基坑施工安全的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，基坑監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括基坑本體監(jiān)測(cè)和相鄰環(huán)境監(jiān)測(cè)［1，2］。其中，基坑本體中包括圍護(hù)樁墻、支持、錨桿、土釘、坑內(nèi)立柱、坑內(nèi)土層、地下水等;相鄰環(huán)境中包括周圍底層、地下管線、相鄰建筑物、相鄰道路等。

振弦傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)本體監(jiān)測(cè)和相鄰監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的應(yīng)力測(cè)量［3，4］，鋼筋計(jì)和土壓力計(jì)都屬于振弦傳感器，鋼筋計(jì)實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)支撐軸力和鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)，土壓力盒實(shí)現(xiàn)土壓力的監(jiān)測(cè)。振弦式傳感器是以內(nèi)部金屬弦作為敏感元件的頻率型傳感器，輸出的頻率信號(hào)隨金屬弦張力變化，具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑物基礎(chǔ)、公路、橋梁、大壩、土木建筑物及地基內(nèi)的受力、位移、微裂縫等測(cè)量［5］。

1 振弦傳感器基本工作原理

振弦傳感器由內(nèi)部一根固定在兩端的鋼弦、緊固夾頭、激振、接收線圈和外部支撐保護(hù)金屬管構(gòu)成，鋼弦的固有振動(dòng)頻率和張力具有一定關(guān)系。溫度變化也會(huì)對(duì)弦的張力產(chǎn)生影響，溫度降低，張力增大;溫度升高，張力減小。

鋼筋計(jì)屬于典型的振弦傳感器。根據(jù)鋼筋計(jì)的應(yīng)力與頻率之間的率定關(guān)系，由測(cè)得的鋼筋計(jì)頻率就可求得鋼筋計(jì)的應(yīng)力，再根據(jù)相關(guān)的理論公式推算出支撐軸力值［6］，支撐軸力按下式計(jì)算

式中 ε 為支撐軸力，kN;f1，f2為鋼筋計(jì)初始頻率、受力后的頻率;Ks為鋼筋計(jì)的標(biāo)定系數(shù)(kN/Hz2);Ec，Ac分別為混凝土的彈性模量、斷面面積(m2);Es，As分別為鋼筋計(jì)的彈性模量、斷面面積(m2);ΔT1，α 分別為傳感器本身溫度變化量、鋼弦的熱膨脹系數(shù);ΔT2，β 分別為被測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度變化量、被測(cè)結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)。

傳感器埋入被測(cè)結(jié)構(gòu)或者和被測(cè)結(jié)構(gòu)綁定安裝，兩者的溫度最終趨于一致，即ΔT1=ΔT2=ΔT=T1－T0，應(yīng)力受溫度影響的修正量

其中，T1為傳感器任一時(shí)刻溫度觀測(cè)值;T0為傳感器初始時(shí)刻溫度觀測(cè)值。

實(shí)際測(cè)量中，Es，As，Ec，Ac，Ks，α，β 值為定值，令

將式(3)和式(4)代入式(1)，得到支撐軸力計(jì)算公式

式中 b 為傳感器的溫度修正系數(shù)，kN/℃;KR為傳感器的標(biāo)定系數(shù)，kN/Hz2。

出廠時(shí)，傳感器的溫度修正系數(shù)b 和標(biāo)定系數(shù)KR已經(jīng)確定，由式(5)可以看出:支撐軸力計(jì)算參數(shù)中唯一不確定的是選取的初始頻率。工程中的初讀數(shù)一般從改變工程施工環(huán)境(進(jìn)入下一道施工程序)，鋼筋計(jì)的載體開始受力的時(shí)刻起算，如洞室襯砌混凝土中鋼筋計(jì)的初讀數(shù)一般從模板拆除時(shí)算起，基坑的混凝土支撐從開挖時(shí)算起。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(foundation pit monitoring system，F(xiàn)PMS)包括系統(tǒng)硬件架構(gòu)、通信和應(yīng)用軟件。振弦傳感器布置在現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備安裝在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜內(nèi)，應(yīng)用和數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)布置在遠(yuǎn)方監(jiān)控室。整個(gè)系統(tǒng)的框架見圖1。

2.1 傳感器選型

傳感器系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)和離線監(jiān)測(cè)項(xiàng)。本系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)主要是:鋼筋應(yīng)力、界面土壓力、支撐軸力。這三項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目所采用的傳感器都屬于振弦式傳感器。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件總體框架Fig 1 Overall framework of hardware of FPMS

2.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

從振弦傳感器輸出的信號(hào)是頻率信號(hào)，根據(jù)式(5)所示，受到的應(yīng)力和頻率呈一定的關(guān)系。頻率信號(hào)要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，就需要數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備。選用南京葛南公司生產(chǎn)的MCU—32 型分布式模塊化自動(dòng)測(cè)量單元，作為測(cè)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

MCU—32 設(shè)備和主站之間通過自定義的規(guī)約完成通信，規(guī)約中規(guī)定了主站查詢信息命令(info)、開始采集命令(Begin)、讀取采集結(jié)果命令(Read)、重傳命令(Old)及對(duì)MCU—32 參數(shù)設(shè)置等命令。

MCU—32 與主站之間通信通過無(wú)線GPRS DTU 完成，GPRS DTU 全稱GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元，MCU—32 串口數(shù)據(jù)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行透明傳輸，即直接將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP 數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送［7］。

要使DTU 能夠正常工作，必須搭建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對(duì)DTU進(jìn)行IP 地址映射，將公網(wǎng)的固定IP 地址映射到內(nèi)網(wǎng)，并且配置端口、數(shù)據(jù)服務(wù)中心(DCS)連接類型、數(shù)據(jù)報(bào)投協(xié)議(DDP)。

根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)圖，監(jiān)控室內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器作為數(shù)據(jù)服務(wù)中心(DSC)，局域網(wǎng)是經(jīng)過路由器網(wǎng)關(guān)代理上網(wǎng)，監(jiān)控室具有固定的公網(wǎng)IP 地址(220.192.210.6)，將數(shù)據(jù)服務(wù)中心的端口映射到數(shù)據(jù)服務(wù)器上，如圖2 所示。

2.3 深基坑監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

在軟件建設(shè)上，共包括三大平臺(tái)，基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)，數(shù)據(jù)接入管理平臺(tái)及用戶角色權(quán)限管理平臺(tái)(RBAC)，三者相互協(xié)同，共同為深基坑施工安全智能化監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供支撐。

2.3.1 數(shù)據(jù)接入管理平臺(tái)

圖2 深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境搭建與DTU 配置圖Fig 2 Network environment establishment and DTU configuration of FPMS

設(shè)備接入與數(shù)據(jù)處理平臺(tái)關(guān)注傳感網(wǎng)關(guān)或其代理軟件模塊的接入和對(duì)其所上報(bào)數(shù)據(jù)的接收，通過共性提取與抽象方法研發(fā)設(shè)計(jì)對(duì)感知數(shù)據(jù)(消息)包進(jìn)行解析和存儲(chǔ)的軟件框架，以屏蔽感知數(shù)據(jù)協(xié)議(或格式)的多樣性。

實(shí)現(xiàn)的功能包括:狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、負(fù)載均衡、統(tǒng)一消息數(shù)據(jù)接收和連接管理與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3.2 RBAC

RBAC 的基本思想是:授權(quán)給用戶的訪問權(quán)限，通常由用戶在一個(gè)組織中擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧珌?lái)確定。訪問權(quán)限管理員在深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，涉及到六方主體單位(監(jiān)測(cè)方、建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方、勘察方)，對(duì)不同的相關(guān)方，具有不同的服務(wù)權(quán)限。

在軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了用戶角色權(quán)限管理，可以添加、修改、刪除用戶，對(duì)用戶的訪問權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，定義角色和權(quán)限列表控制，用戶訪問日志管理等功能。

2.3.3 基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)

基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)用平臺(tái)共包括六大功能:工程配置和管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、預(yù)測(cè)預(yù)警管理與預(yù)處理管理、GIS 顯示管理、報(bào)表管理(生成和導(dǎo)出)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院辦公大樓建設(shè)工地監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是浙江省公布的20 個(gè)智慧城市示范項(xiàng)目之一，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在“智慧安監(jiān)”領(lǐng)域的應(yīng)用。該工程周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑?xùn)|側(cè)隔綠化帶為莫干山路，路下眾多市政管線;基坑南側(cè)為文二路，路下眾多市政管線;基坑西側(cè)為建科院1 幢6 ～7 層混合結(jié)構(gòu)辦公樓和1 幢7 層混合結(jié)構(gòu)住宅樓，基坑邊有雨水管和污水管線;基坑西北側(cè)為石灰橋新村1 幢4 層住宅樓(埋深1.5 m 條基)，北側(cè)為5 ～6 層瑞祺苑(混合結(jié)構(gòu)建筑，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2 m)和24 層混凝土結(jié)構(gòu)瑞祺大廈(進(jìn)入基巖的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，一層地下室)。

基坑安全等級(jí)為1 級(jí)，基坑深度為14.45 m，電梯井局部深度約為16.9 m?；釉O(shè)計(jì)采用800 mm(1000 mm)厚地下連續(xù)墻+三道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐作為支擋結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻兼做止水帷幕。

現(xiàn)場(chǎng)共布置了5 只土壓力盒、16 只鋼筋計(jì)，其中的4 只鋼筋計(jì)組成一組，測(cè)一個(gè)點(diǎn)的支撐軸力。剩下的12 只鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)鋼筋所受的應(yīng)力。

3.2 應(yīng)變監(jiān)測(cè)

深基坑監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)好振弦傳感器之后，在軟件平臺(tái)上需要配置傳感器的類型、標(biāo)定系數(shù)參數(shù)(KR)、初始頻率值f、計(jì)算公式以及報(bào)警值等信息。支撐軸力計(jì)算公式參照式(5)。

圖3 是監(jiān)測(cè)點(diǎn)GN3 的鋼筋應(yīng)力變化曲線，采用周期是10 min，時(shí)間跨度是2014 年3 月10～2014 年4 月26 日。從圖上可以看出:該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力總的趨勢(shì)是呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，和現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)力的變化趨勢(shì)相一致。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)GN3 的鋼筋應(yīng)力變化曲線Fig 3 Reinforcement stress change curve of monitoring point GN3

表1 是2014 年3 月18 日10 點(diǎn)20 分15 秒12 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量和手動(dòng)測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比，從測(cè)量結(jié)果看，通過不同的測(cè)試方法，得到的誤差在0.5%以下，滿足測(cè)量對(duì)精度的要求。

表1 自動(dòng)測(cè)量和手工測(cè)量對(duì)比表Tab 1 Comparison table of automatic measurement and manual measurement

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的深基坑施工安全智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有傳感器配置、數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、編輯、顯示、權(quán)限管理、報(bào)警、報(bào)表輸出等功能，界面友好，易于更新維護(hù)。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)深基坑地下工程而開發(fā)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠顯示基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的原始資料信息，能夠監(jiān)控基坑施工的全過程，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全預(yù)警報(bào)警，為全面掌握基坑的工作狀態(tài)和性能提供科學(xué)依據(jù)。

［1］ 龔曉南.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

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