李偉強(qiáng)

(上海申元巖土工程有限公司，上海 200011)

1 引 言

隨著我國各地城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用也進(jìn)入了快速發(fā)展期，地下空間項(xiàng)目規(guī)模以及施工難度也越來越大，基坑施工周邊環(huán)境也越來越復(fù)雜，各種大型基坑工程也不斷涌現(xiàn)，工程實(shí)施過程中受到基坑開挖、大氣降水以及施工動(dòng)載等許多不確定因素的影響，尤其在高地下水位的軟土地基中開挖基坑工程更是存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)性，而基坑的周邊環(huán)境在開挖影響范圍內(nèi)又分布著各種市政管線，建筑物等，若因施工控制措施不當(dāng)便會(huì)導(dǎo)致管線和構(gòu)筑物變形過大而破壞甚至不能正常使用，造成很嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，但是在目前的計(jì)算理論框架內(nèi)，對基坑工程及周邊環(huán)境的各種復(fù)雜影響還不能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，因此在基坑施工過程中，用精密儀器和科學(xué)的方法對支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測就變得至關(guān)重要。通過監(jiān)測來及時(shí)發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境變化發(fā)展趨勢，及時(shí)反饋信息，才能指導(dǎo)施工達(dá)到有效確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全的目的。

與此同時(shí)，基坑監(jiān)測的手段也在不斷更新中，在如此重要的環(huán)節(jié)中，為及時(shí)掌握變形情況，越來越多的項(xiàng)目對動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)愈發(fā)重視，因此，各種自動(dòng)化測量的新技術(shù)、新方法被應(yīng)用到實(shí)際工程中，在基坑監(jiān)測的各種物理量諸如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等的監(jiān)測上，通常采用可靠的傳感器，測量頻率等變化等來計(jì)算變化量，并且通過線纜連接數(shù)據(jù)采集箱比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量，但是在各種幾何量比如垂直及水平位移、傾斜、深層位移量的測量上，受制于精度要求，測量條件、技術(shù)方法上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的要求要高得多。本文參考工程實(shí)例來重點(diǎn)比較分析在目前工程應(yīng)用上常見的三種幾何量自動(dòng)化測量方法即：電水平尺、靜力水準(zhǔn)，全站儀自動(dòng)化測量，并采用傳統(tǒng)精密水準(zhǔn)測量方式加以校核比對。

2 電水平尺自動(dòng)化測量

2.1 測量原理

電水平尺的核心部分是一個(gè)電解質(zhì)傾斜傳感器，其測量傾斜角的靈敏度高達(dá)1秒(相當(dāng)于在 1 m的直尺上由于兩端有5微米高差形成的傾角)。將上述電解質(zhì)傾斜傳感器安裝在一支空心的直尺內(nèi)，就構(gòu)成了電水平尺(EL Beam Sensor)。尺身一般長 2 m～4 m，用錨栓安裝在隧道道床(結(jié)構(gòu)物)上。接著將傾角傳感器調(diào)零，并鎖定在該位置。道床(結(jié)構(gòu)物)的沉降會(huì)改變梁的傾角，沉降量(d)可按公式“L(sin1-sin0)”算出。此處，L是梁的長度；1是現(xiàn)時(shí)傾角值；0是初始傾角值。若將一系列電水平尺首尾相接地安裝在隧道縱向上的隧道結(jié)構(gòu)上，形成上述的所謂“尺鏈”，就可得出“尺鏈”范圍內(nèi)的豎向位移曲線。其原理如圖1所示。

圖1 電水平尺監(jiān)測豎向位移原理示意圖

2.2 項(xiàng)目案例

上海地鐵某車站基坑為三層島式車站，開挖深度為 23.4 m～25.4 m，車站總長 191 m，外包寬度 20.87 m。車站附屬結(jié)構(gòu)包括有2個(gè)出入口和3個(gè)風(fēng)亭。電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在基坑南側(cè)在運(yùn)營中的另一條地鐵站臺(tái)軌道內(nèi)，測試元件采用美國Sinco公司的EL電解質(zhì)式梁式傳感器，該傳感器通常用于監(jiān)測建筑物的不均勻沉降，標(biāo)準(zhǔn)量程為±40′，分辨率為1″(±0.005 mm/m)，靈敏度為±3″(±0.015 mm/m)。每個(gè)電水平尺傳感器旁邊布設(shè)一個(gè)人工沉降測量點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行施測，電水平尺線路初始端進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，點(diǎn)位略圖如圖2所示。

圖2 電水平監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

整個(gè)線路累計(jì)沉降量及特征點(diǎn)的不同歷時(shí)的沉降量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1、表2所示，變化曲線圖如圖3、圖4所示。

電水平線路數(shù)據(jù)匯總(單位/mm) 表1

電水平特征點(diǎn)DS5歷時(shí)數(shù)據(jù)(單位/mm) 表2

圖3 電水平線路沉降曲線圖

圖4 電水平特征點(diǎn)DS5歷時(shí)沉降曲線圖

3 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化測量

3.1 測量原理

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)連通管原理的方法，測量每個(gè)測點(diǎn)容器內(nèi)容器底面安裝高程與液面的相對變化。再通過計(jì)算求得各點(diǎn)相對于基點(diǎn)的相對沉降量。儀器由主體容器、連通管、電容傳感器等部分組成。當(dāng)儀器主體安裝墩發(fā)生高程變化時(shí)，主體容體相對于位置產(chǎn)生液面變化，引起裝有中間極的浮子與固定在容器頂?shù)囊唤M電容極板間的相對位置發(fā)生變化，通過測量裝置測出電容比的變化即可計(jì)算得測點(diǎn)的相對變化，如圖5所示。

圖5 靜力水準(zhǔn)測量原理示意圖

3.2 項(xiàng)目案例

該項(xiàng)目位于上海世博會(huì)片區(qū)，基坑開挖面積約 38 000 m2，基坑延長米約為 791 m，開挖深度在 11.40 mm～18.60 mm之間。采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，支撐形式為三道鋼筋混凝土水平支撐，環(huán)境保護(hù)等級為一級。靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在基坑?xùn)|側(cè)的共同管溝內(nèi)。靜力水準(zhǔn)傳感器采用美國基康振弦式傳感器，標(biāo)準(zhǔn)量程 150 mm，傳感器精度±0.1%F·S，傳感器靈敏度0.025%F·S。每個(gè)靜力水準(zhǔn)傳感器旁邊布設(shè)一個(gè)人工沉降測量點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行施測，靜力水準(zhǔn)線路初始端進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，點(diǎn)位略圖如圖6所示。

圖6 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)位布置示意圖

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

整個(gè)線路累計(jì)沉降量及特征點(diǎn)的不同歷時(shí)的沉降量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3、表4所示，變化曲線圖如圖7、圖8所示。

靜力水準(zhǔn)線路數(shù)據(jù)匯總(單位/mm) 表3

靜力水準(zhǔn)特征點(diǎn)JS5歷時(shí)數(shù)據(jù)(單位/mm) 表4

圖7 靜力水準(zhǔn)線路沉降曲線圖

圖8 靜力水準(zhǔn)特征點(diǎn)JS5歷時(shí)沉降曲線圖

4 全站儀自動(dòng)化測量

4.1 測量原理

測量機(jī)器人是一種能代替人進(jìn)行自動(dòng)搜索、跟蹤、識(shí)別和精確照準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀，它是在全站儀基礎(chǔ)上集成步進(jìn)馬達(dá)、CCD影像傳感器構(gòu)成的視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件發(fā)展而成。系統(tǒng)主要工作方式是在容易發(fā)生形變的部位安裝棱鏡，通過軟件驅(qū)動(dòng)全站儀按照預(yù)定的方式自動(dòng)定期測量這些棱鏡所在部位的三維坐標(biāo)，對多次測量的坐標(biāo)進(jìn)行變形位移量的計(jì)算，以達(dá)到監(jiān)測預(yù)防事故的發(fā)生目的。測量時(shí)用全站儀按照極坐標(biāo)測量原理進(jìn)行觀測，測量各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。對于多余觀測采用最小二乘原理求得最佳值，對于一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，采用中值計(jì)算技術(shù)。如圖9所示，全站儀的設(shè)站點(diǎn)0為原點(diǎn)，測站的鉛垂線為Z軸，以定向方向?yàn)閄軸，建立坐標(biāo)系0-XYZ，則全站儀測量P點(diǎn)的觀測值為水平角、豎直角，斜距S，則計(jì)算出P點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

圖9 全站儀極坐標(biāo)測量原理

4.2 項(xiàng)目案例

該項(xiàng)目主要為試驗(yàn)段，在上海某高架路下進(jìn)行管幕法鋼管頂進(jìn)施工，在工作井、接收井開挖施工、鋼管幕頂進(jìn)施工及矩形箱涵頂進(jìn)施工過程中須對重點(diǎn)路面全面實(shí)施監(jiān)測，本次測量采用TCA2003全站儀觀測，測角精度為0.5″，100 m的監(jiān)測范圍內(nèi)由測角所引起的最大誤差為 ±0.12 mm；儀器的測距精度為 1 mm ±1 ppm，100 m的距離由測距所引起的誤差為±0.1 mm，距離測量采用四測回觀測儀器引起的誤差為 ±0.5 mm。由于本項(xiàng)目主要針對垂直方向的變化所以在每個(gè)測點(diǎn)棱鏡旁邊布設(shè)一個(gè)人工沉降測量點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀按二等水準(zhǔn)測量要求進(jìn)行施測，全站儀設(shè)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，點(diǎn)位略圖如圖10所示。

圖10全站儀自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

4.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

整個(gè)測量斷面的累計(jì)沉降量及特征點(diǎn)的不同歷時(shí)的沉降量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表5、表6所示，變化曲線圖如圖11、圖12所示。

全站儀測量斷面數(shù)據(jù)匯總(單位/mm) 表5

全站儀測量特征點(diǎn)L2-2歷時(shí)數(shù)據(jù)(單位/mm) 表6

圖11 全站儀測量橫斷面沉降曲線圖

圖12 全站儀測量特征點(diǎn)L2-2歷時(shí)沉降曲線圖

5 分析與總結(jié)

本文采用的數(shù)據(jù)在三個(gè)工程實(shí)例中變化量均在 10 mm左右，在變形監(jiān)測中對數(shù)據(jù)精度要求較高的情況下，有利于分析比對三種手段的數(shù)據(jù)分布情況，電水平尺及靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化測量的起始點(diǎn)以及全站儀自動(dòng)化的設(shè)站點(diǎn)均采用人工測量數(shù)據(jù)進(jìn)行校核修正，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，三個(gè)工程實(shí)例數(shù)據(jù)的誤差對比如表7所示。

三種測量方法誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 表7

電水平尺測量方法的平均誤差和相對誤差較小，精度比較高，全站儀機(jī)器人方法的誤差的方差及標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值較小，說明誤差的離散度比較低，通過其歷時(shí)曲線可以看出，全站儀測量方法在線路的平差計(jì)算上以及對測站點(diǎn)改正上還可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。在變形量增大后，靜力水準(zhǔn)與電水平尺由于線路優(yōu)勢自動(dòng)化數(shù)據(jù)與人工數(shù)據(jù)擬合度更好，全站儀測量每個(gè)測點(diǎn)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)質(zhì)量能保持較高的穩(wěn)定性。

在三種自動(dòng)化測量的使用方面包括從安裝到運(yùn)行都具有各自不同的特點(diǎn)、難點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)項(xiàng)目本身的特點(diǎn)來匹配最合適的應(yīng)用方式。

靜力水準(zhǔn)的使用特點(diǎn)是安裝時(shí)高差不能太大，安裝難度較大，靜力水準(zhǔn)共有三根管線需與相鄰儀器連接組成系統(tǒng)，從上至下依次為液體管、通氣管和通訊線纜，正確安裝并需保證各自安裝質(zhì)量是系統(tǒng)運(yùn)行的重點(diǎn)。電水平尺的安裝特點(diǎn)與靜力水準(zhǔn)相似，但安裝調(diào)平難度較大。在這兩種自動(dòng)化方式中如果線路上有傳感器故障或者傳感器數(shù)據(jù)異常則會(huì)系統(tǒng)性影響整條后續(xù)線路的沉降量，因此對于查找問題比較困難，因此在關(guān)鍵接點(diǎn)加入人工檢核修正就變得非常重要。

全站儀測量機(jī)器人的使用特點(diǎn)是監(jiān)測點(diǎn)安裝方便可以散點(diǎn)布設(shè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，三維數(shù)據(jù)的參考性比較大，平面數(shù)據(jù)精度較高，垂直方向數(shù)據(jù)精度相對較差，監(jiān)測點(diǎn)之間相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)不會(huì)相互影響，查找問題相對容易，但實(shí)施過程中須考慮溫度和氣壓的改正值，由于測點(diǎn)與設(shè)站點(diǎn)要相互通視，所以對于曲線形線路需要采用多機(jī)系統(tǒng)，鏈接點(diǎn)一般采用360°棱鏡，多機(jī)系統(tǒng)下測量單位必須具有強(qiáng)有力的控制網(wǎng)圖形設(shè)計(jì)和計(jì)算能力才能保證達(dá)到很高的精度要求。

通過這些工程實(shí)例應(yīng)用不難發(fā)現(xiàn)這些自動(dòng)化手段的共同優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)測量高差變化值，數(shù)據(jù)采集頻率靈活而且精度高，數(shù)據(jù)的變化趨勢與實(shí)際情形吻合，滿足工程需求，相對于人工測量有著明顯的優(yōu)勢。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)工程，針對不同的項(xiàng)目需求采用不同的應(yīng)對手段，自動(dòng)化變形監(jiān)測的實(shí)施和時(shí)代新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

[1] GB12897-2006. 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S].

[2] GB50026-2007. 工程測量規(guī)范.

[3] GB50911-20. 城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范.

[4] 潘國兵，曾廣燃，吳森陽. 基于GPS與GIS的土石壩自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 長江科學(xué)院院報(bào)，2013(9)：110-113.

[5] 包歡，徐忠陽，張良琚. 自動(dòng)變形監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 測繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2003(2)：76-79.

[6] 高愛林，張健全，張建旭. 基于無線傳輸?shù)淖詣?dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用[J]. 城市快軌交通究，2011(4)：35-38.

[7] 戴加?xùn)|，王艷玲，褚偉洪. 靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在某工程中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，2009：20-23.

[8] 田林亞，夏開旺，李鵬. 高程數(shù)字模型三角高程測量在堤防施工沉降監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 測繪通報(bào)，2004(11)36-39.

[9] 張正碌．工程測量學(xué)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2005.

[10] 黃聲享，尹暉，蔣征. 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2003.