盧松耀，丘志宇，何顯錦

（1.廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275）

大型基坑自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

盧松耀1，丘志宇1，何顯錦2

（1.廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510080；2.中山大學(xué) 地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275）

基于測(cè)量機(jī)器人的變形監(jiān)測(cè)逐漸成為行業(yè)應(yīng)用的新趨勢(shì)。針對(duì)大型基坑固有的特點(diǎn)，采用常規(guī)觀測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以保障監(jiān)測(cè)精度。在采用混合基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)布設(shè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于測(cè)量機(jī)器人的大型基坑自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、高精度變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提交變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，極大地提高了工作效率，對(duì)于類似監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具有積極的參考應(yīng)用價(jià)值。

大型基坑；測(cè)量機(jī)器人；混合基點(diǎn)網(wǎng)；自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

目前，大型城市地鐵站、超高層建筑的建設(shè)中，基坑開挖深度超過 5 m 的深基坑已成為普遍現(xiàn)象，有些基坑甚至深達(dá)20 m[1]。為了保證這些工程建設(shè)的質(zhì)量及施工設(shè)施的安全，需對(duì)工程建設(shè)的施工設(shè)施進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。然而大型基坑由于開挖深度及范圍較大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，采用常規(guī)人工觀測(cè)方法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部變形監(jiān)測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以保障監(jiān)測(cè)精度，急需一種強(qiáng)有力的測(cè)量手段來(lái)支持其業(yè)務(wù)的高效率開展。

測(cè)量機(jī)器人具有自動(dòng)尋找、識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)等功能，可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)作持續(xù)和重復(fù)觀測(cè)，在結(jié)構(gòu)物外部變形監(jiān)測(cè)方面擁有極大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[2]，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開展了研究。本世紀(jì)初便有學(xué)者對(duì)測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行了介紹[3]，隨后的研究主要集中在其自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)上及如何與其他監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測(cè)等[4-5]。研究應(yīng)用領(lǐng)域包括隧道、基坑、大壩等大型工程變形監(jiān)測(cè)[6-8]。然而在環(huán)境復(fù)雜的大型工程變形監(jiān)測(cè)中，為保證監(jiān)測(cè)精度和工作效率，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)是2個(gè)關(guān)鍵性技術(shù)難題。本文針對(duì)傳統(tǒng)布網(wǎng)的缺陷及測(cè)量機(jī)器人在監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，在采用混合基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)布設(shè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于測(cè)量機(jī)器人的大型基坑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并用于大型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、沉降監(jiān)測(cè)，取得了顯著效果。

1 關(guān)鍵技術(shù)與方法

1.1 基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)

常規(guī)基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)將基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)成導(dǎo)線網(wǎng)、邊角網(wǎng)、GPS網(wǎng)，定期對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)、平差計(jì)算，在基準(zhǔn)點(diǎn)上設(shè)置儀器對(duì)鄰近基準(zhǔn)點(diǎn)作穩(wěn)定性檢查并測(cè)量工作基點(diǎn)坐標(biāo)。由于大型基坑施工圍蔽作業(yè)及周邊環(huán)境的限制，常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)。利用多點(diǎn)強(qiáng)制自由設(shè)站邊角交會(huì)法建立了混合基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)[9]，該基準(zhǔn)網(wǎng)由基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)構(gòu)成，如圖1所示，基準(zhǔn)點(diǎn)不設(shè)站，工作基準(zhǔn)點(diǎn)任意選取，一旦選取，安置強(qiáng)制對(duì)中裝置（圖1中JZ01-JZ06）。混合基點(diǎn)網(wǎng)法布設(shè)簡(jiǎn)單方便快捷，解決了大型基坑復(fù)雜環(huán)境下基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)困難的問題，同時(shí)適用于自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)。

圖1 基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)布置示意圖

1.2 基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)

在變形監(jiān)測(cè)過程中必須保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，以確保工作基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)不歪曲。采用組合后驗(yàn)方差檢驗(yàn)法[10]對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。該方法就是通過基準(zhǔn)點(diǎn)的各種組合，用后驗(yàn)單位權(quán)方差構(gòu)成統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量大于給定的分位值時(shí)，零假設(shè)（基準(zhǔn)點(diǎn)未顯著變動(dòng)）不成立，可得到顯著變動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)。需要進(jìn)行迭代計(jì)算，直到檢驗(yàn)通過。

1.3 移動(dòng)式周期監(jiān)測(cè)技術(shù)

一般的工程變形監(jiān)測(cè)都是在施工中進(jìn)行的，常將儀器架設(shè)于施工區(qū)域，不利于儀器保護(hù)，而且當(dāng)工作基點(diǎn)較多時(shí)，采用固定周期監(jiān)測(cè)將投入較多儀器。在符合工程變形監(jiān)測(cè)要求下，為了保護(hù)監(jiān)測(cè)儀器與減少儀器投入，選擇移動(dòng)式周期監(jiān)測(cè)。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

基于自動(dòng)全站儀的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以自動(dòng)搜索目標(biāo)的全站儀為測(cè)量工具，并配備L型單棱鏡，采用自由設(shè)站、極坐標(biāo)測(cè)量和邊角交會(huì)技術(shù)，測(cè)定各變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)。系統(tǒng)的主要硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框架圖

2.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件功能模塊設(shè)計(jì)

GeoBasic集成開發(fā)環(huán)境是開發(fā)TCA全站儀機(jī)載軟件的二次開發(fā)平臺(tái)，利用此平臺(tái)開發(fā)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)程序可直接在全站儀上運(yùn)行。文章利用該平臺(tái)開發(fā)了自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其主要功能如圖3所示，有參數(shù)設(shè)置、儀器初始化、學(xué)習(xí)測(cè)量、自動(dòng)觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等功能模塊。

圖3 自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)過程

3.1 外業(yè)監(jiān)測(cè)

采用所建立的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量及沉降量進(jìn)行測(cè)量，具體作業(yè)步驟如下：

1）連接電腦與自動(dòng)全站儀，啟動(dòng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，在工作基點(diǎn)（如GZ01）上，瞄準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)JZ01定向，測(cè)量JZ02，進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性觀測(cè)，然后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)量，并把學(xué)習(xí)測(cè)量結(jié)果保存到一個(gè)庫(kù)文件中。以首期得到的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)為已知值，進(jìn)行基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性檢驗(yàn)和基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)平差，在已知點(diǎn)中去除有顯著變動(dòng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，確定工作基點(diǎn)的坐標(biāo)。

2）以每期工作基點(diǎn)的實(shí)時(shí)坐標(biāo)計(jì)算各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。學(xué)習(xí)測(cè)量只需在第一期監(jiān)測(cè)時(shí)進(jìn)行，以后各期可根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)自動(dòng)按順序進(jìn)行觀測(cè)。

3）基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)觀測(cè)4個(gè)測(cè)回，監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)2個(gè)測(cè)回。使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，每期觀測(cè)時(shí)，只需事先設(shè)定好觀測(cè)時(shí)間段、觀測(cè)周期和監(jiān)測(cè)點(diǎn)組，安置儀器，點(diǎn)擊自動(dòng)測(cè)量，即可進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)。

3.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

利用“科傻”系統(tǒng)[11]及測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)內(nèi)業(yè)軟件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，可方便地得到基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)的平差結(jié)果及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。進(jìn)行疊置分析，得出各期變形量和累計(jì)變形量，還可以得到每個(gè)點(diǎn)上直觀的二維或三維圖。根據(jù)各點(diǎn)的周期監(jiān)測(cè)成果，可以進(jìn)行建模分析和變形預(yù)報(bào)，通過變形過程曲線就能清楚地看出變形情況和趨勢(shì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的警告值，進(jìn)行模型分析和變形預(yù)報(bào)。監(jiān)測(cè)單位每天均用電子郵件向建設(shè)單位提供每天各點(diǎn)的變形量、累計(jì)變形量和簡(jiǎn)單的分析報(bào)告。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

1）變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析。利用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)廣州某項(xiàng)目基坑進(jìn)行水平位移和沉降量監(jiān)測(cè)，圖4 為WY43～WY46監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移曲線圖。

從第1期到第40期其變形都很小，由于該部位支護(hù)結(jié)構(gòu)滲水、涌沙等原因，附近路面產(chǎn)生塌陷，錨索拉力減弱，地下水位下降過快。在40期以后，累計(jì)位移量增大，累計(jì)位移量最大值為10 mm，有一種趨勢(shì)性的變形。第80期采取噴漿、封堵、回填及加固措施后，變形緩慢，變形量在可控范圍。隨著時(shí)間的推進(jìn)，變形逐漸放慢，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全不造成影響。同樣，可繪制沉降變形過程曲線圖。由各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形過程曲線看，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部隨基坑開挖，開始時(shí)沉降量較小，隨著開挖深度的增加沉降量增大，開挖完成進(jìn)入地下室施工后，沉降變化量越來(lái)越小，從而累計(jì)沉降量趨于穩(wěn)定，所有支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量最大值為9.2 mm（WY43點(diǎn)）。

圖4 WY43～WY46水平位移的變形過程曲線

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度統(tǒng)計(jì)表

注：基坑X方向?yàn)榇怪庇诨娱L(zhǎng)邊向北方向，Y方向?yàn)槠叫杏诨娱L(zhǎng)邊方向，Z方向是豎直向下方向。

監(jiān)測(cè)精度計(jì)算公式為：

式中，v為與均值的差值。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用了混合基點(diǎn)網(wǎng)布設(shè)方法、基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性的組合后驗(yàn)方差檢驗(yàn)法、移動(dòng)式周期監(jiān)測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了基

2）監(jiān)測(cè)效率與精度分析。通過與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法對(duì)比，采用該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間約為人工監(jiān)測(cè)的1/4。相關(guān)的研究也表明[7]，基于測(cè)量機(jī)器人的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能顯著地提高工作效率。在監(jiān)測(cè)精度上，水平方向變形量X、Y及垂直方向變形量Z分別為±0.66 mm、±0.56 mm、±0.66 mm（見表1），均達(dá)到設(shè)計(jì)要求（1 mm）。于測(cè)量機(jī)器人的大型基坑變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將該變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于廣州某大型基坑支護(hù)水平位移、沉降的變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)過程及結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、高精度變形監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)提交變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，極大地提高了工作效率，對(duì)類似監(jiān)測(cè)對(duì)象有較高的參考應(yīng)用價(jià)值。

[1] 姚黔貴.城市深基坑變形監(jiān)測(cè)的實(shí)施[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,34(2)：96-99

[2] 衛(wèi)建東.基于測(cè)量機(jī)器人的自動(dòng)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào),2006(12)：41-44

[3] 張正祿.測(cè)量機(jī)器人[J].測(cè)繪通報(bào),200l(5)：17

[4] 梅文勝,張正祿,郭際明,等.測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2002,27(2)：165-171

[5] 梅文勝,劉濤.TS30/TM30測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].測(cè)繪地理信息,2014,39(2)：45-48

[6] 梅文勝,陳雪豐,周小波,等.盾構(gòu)下穿既有隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及其風(fēng)險(xiǎn)控制研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2011,36(8)：293-297

[7] 龐紅軍,衛(wèi)建東,黃威然.基于測(cè)量機(jī)器人的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)探討[J].隧道建設(shè),2012,32(4)：552-556

[8] 陳雪豐,陳卉君,劉旭輝.地鐵車站基坑信息化施工監(jiān)測(cè)體系的研究[J].測(cè)繪地理信息,2013,38(2)：35-45

[9] 梁龍昌,盧松耀,盧凌燕.典型工程變形監(jiān)測(cè)的一種新方法及應(yīng)用研究[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù),2014,2(3)：31-33

[10] 張正祿,沈飛飛.地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)確定的一種方法[J].測(cè)繪科學(xué),2011(4)：98-99

[11] 張正祿,羅年學(xué).CoSA_CoDAPS及在精密控制測(cè)量數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].測(cè)繪信息與工程,2010(2)：52-54

P258

B

1672-4623（2016）08-0081-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.027

盧松耀，高級(jí)工程師，主要從事變形測(cè)量、控制測(cè)量、地形測(cè)量等工作。

2015-02-28。