高開強(qiáng)

（上海米度測控科技有限公司，上海 201114）

0.引言

基坑作為城市地鐵、隧道及高層建筑的基礎(chǔ)性工程，其設(shè)計(jì)的合理性與施工的安全性，均會對整個工程建筑產(chǎn)生較大的影響?；庸こ叹哂休^強(qiáng)的綜合性，其涵蓋了地質(zhì)、巖土、環(huán)境、結(jié)構(gòu)等多個學(xué)科，且具有較高的風(fēng)險(xiǎn)性[1]，所以，在基坑施工過程中需嚴(yán)格監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及周邊環(huán)境的變形程度，以減少因基坑失穩(wěn)造成的人員財(cái)產(chǎn)損失。

隨著越來越多高層建筑及地下工程的涌現(xiàn)，基坑的開挖深度也隨之加深，其風(fēng)險(xiǎn)性也隨之加大[2,3]。深基坑施工監(jiān)測由于監(jiān)測點(diǎn)位多、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜和監(jiān)測頻率高等問題，使得傳統(tǒng)人工監(jiān)測工作量較大，監(jiān)測頻率較低，多為一天一測[4,5]，難以及時獲得基坑施工過程中的安全信息，因此，基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生?；幼詣踊O(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)工程需要設(shè)置監(jiān)測頻率，具有較高的時效性[6]；獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行檢校，由數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，最終由監(jiān)測云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，具有較高的準(zhǔn)確性、連續(xù)性及穩(wěn)定性。

本文闡述了基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)的組成架構(gòu)，并利用實(shí)際工程案例分析了基坑自動化監(jiān)測成果，綜合評定了自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)成果精度，最終驗(yàn)證基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性。

1.自動化監(jiān)測系統(tǒng)

基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要包含傳感端、采集端、平臺端、應(yīng)用端四大部分（如圖1所示）。前端傳感器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測工作，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線/無線通訊技術(shù)傳輸?shù)讲杉耍又刹杉诉M(jìn)行數(shù)據(jù)去噪、數(shù)據(jù)解算等工作。然后利用GPRS遠(yuǎn)端發(fā)送將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器，所有數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)檢校后，由云平臺對外進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，并開放多個云平臺賬號，供應(yīng)用者進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和數(shù)據(jù)分析等工作。

圖1 基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

在深基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感端主要包含全站儀、測斜儀、滲壓計(jì)、鋼筋計(jì)、反力計(jì)等一系列傳感器[7]。其中全站儀自成監(jiān)測系統(tǒng)，由伺服全站儀、數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)關(guān)、監(jiān)測棱鏡構(gòu)成，主要用來監(jiān)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平和豎向位移。測斜儀分為固定式測斜儀和機(jī)械驅(qū)動式測斜儀兩大類[8]，常規(guī)自動化手段采用固定式測斜儀，單測斜孔內(nèi)串聯(lián)多個固定式測斜儀，實(shí)現(xiàn)方式相對簡單，但成本較高且監(jiān)測數(shù)據(jù)相對偏?。粰C(jī)械驅(qū)動式測斜儀采用仿生手段，利用深度學(xué)習(xí)算法，模擬人工測量，單傳感器可完成單側(cè)斜孔的監(jiān)測工作，大大降低自動化測斜成本，數(shù)據(jù)成果較為可靠。滲壓計(jì)主要用來監(jiān)測坑外地下水位及孔隙水壓力的變化，搭配數(shù)據(jù)采集箱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的定時采集及觸發(fā)上報(bào)。鋼筋計(jì)、反力計(jì)等傳感器主要用來監(jiān)測支撐內(nèi)力的變化，鋼筋計(jì)需提前預(yù)埋至混凝土砼支撐內(nèi)，搭配低功耗數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器固定在鋼筋計(jì)安裝位置，可減少鋼筋計(jì)走線以防施工過程中破壞。

采集端即為低功耗智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，通過有線/無線方式采集傳感器獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，部分監(jiān)測項(xiàng)采用邊緣解算方式，即原始數(shù)據(jù)去噪后，由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，然后利用GPRS等無線通訊技術(shù)將解算后的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器，由監(jiān)測云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示；同時智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)采用低功耗設(shè)計(jì)，最大程度降低產(chǎn)品功耗，減少設(shè)備運(yùn)維工作。

平臺端即深基坑自動化監(jiān)測云平臺，包含數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、超限報(bào)警、成果導(dǎo)出等功能，針對不同監(jiān)測類型設(shè)置不同的數(shù)據(jù)圖表展示，用戶可利用電腦或手機(jī)App實(shí)時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)；云平臺具有多級預(yù)警，可添加多個報(bào)警聯(lián)系人，以短信或郵件的形式通知到第一責(zé)任人，真正實(shí)現(xiàn)深基坑監(jiān)測的實(shí)時預(yù)警。

2.工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某工程項(xiàng)目為隧道工程，采用盾構(gòu)非開挖技術(shù)進(jìn)行推進(jìn)，需對盾構(gòu)始發(fā)井基坑進(jìn)行自動化監(jiān)測。針對盾構(gòu)始發(fā)段基坑工程各施工段的不同條件，按工程施工特點(diǎn)及基坑和環(huán)境監(jiān)控要求，設(shè)置不同的監(jiān)測內(nèi)容。根據(jù)工程項(xiàng)目需要，本基坑工程自動化監(jiān)測內(nèi)容如下：支撐軸力、坑外地下水位、圍護(hù)墻深層水平位移、圍護(hù)墻頂水平和豎向位移，并定期對自動化監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行人工復(fù)核，對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行檢校。該項(xiàng)目自動化監(jiān)測點(diǎn)分布與自動化監(jiān)測系統(tǒng)界面（如圖2所示）：

圖2 基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 支撐軸力

基坑開挖過程中，圍護(hù)墻外側(cè)的側(cè)向土壓力主要由圍護(hù)墻和支撐體系共同承擔(dān)，當(dāng)實(shí)測出的支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應(yīng)能承擔(dān)的最大預(yù)警軸力不一致時[9]，將可能引起支撐體系失穩(wěn)。為了對基坑施工期間各道支撐的受力狀態(tài)進(jìn)行把控，需要在支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測支撐軸力的變化。本工程均為鋼筋混凝土支撐，在混凝土支撐澆筑前，在鋼筋籠主筋上焊接具備溫度補(bǔ)償?shù)恼裣沂戒摻钣?jì)，對支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正。

支撐軸力常規(guī)自動化監(jiān)測方法為在基坑周邊安置數(shù)據(jù)采集箱，將所有鋼筋計(jì)線纜上拉至采集箱內(nèi)，現(xiàn)場走線復(fù)雜且基本全為明線，在基坑開挖過程中極容易被破壞，故本項(xiàng)目設(shè)計(jì)分布式單點(diǎn)部署方案，在鋼筋計(jì)埋設(shè)位置安裝低功耗智能數(shù)據(jù)采集器，采用NB-lot/LoRa/GPRS組網(wǎng)技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)直接發(fā)送至云網(wǎng)關(guān)進(jìn)行檢校計(jì)算，由云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)展示，無需走線。本工程共設(shè)置7道混凝土支撐，每道支撐設(shè)置11個支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)，圖3為第一道支撐ZCZL-05（a幅）、ZCZL-06（b幅）監(jiān)測點(diǎn)原始監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中ZCZL-05監(jiān)測點(diǎn)所用鋼筋計(jì)具有溫度補(bǔ)償，ZCZL-06監(jiān)測點(diǎn)鋼筋計(jì)不具有溫度補(bǔ)償。

圖3 云平臺支撐軸力數(shù)據(jù)

由圖3可以看出，兩道支撐整體呈受壓狀態(tài)，在基坑未開挖狀態(tài)下，ZCZL-06監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)波動明顯高于ZCZL-05監(jiān)測點(diǎn)，且對比每日凌晨數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，未開挖時數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，由此表明：鋼筋計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)受溫度影響較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，所選用鋼筋計(jì)應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。

2.2.2 坑外地下水位

通過監(jiān)測基坑的坑外地下水位變化，可以有效監(jiān)控基坑工程施工降水對周圍地下水位的影響?？油獾叵滤蛔兞繛樗还軆?nèi)水面的絕對高程，計(jì)算公式如下：

式（1）中，H1為水位管管口高程；H2為管內(nèi)水面高程；h1為管口到管內(nèi)水面的距離；h2為滲壓計(jì)到水面的距離；L為滲壓計(jì)到管口的距離，滲壓計(jì)安裝完成后，L即為不變量。

本工程共布設(shè)2個自動化水位監(jiān)測點(diǎn)，圖4為SW1地下水位監(jiān)測點(diǎn)某段時間內(nèi)的每日監(jiān)測值，由于自動化監(jiān)測采集頻率較高，地下水位日監(jiān)測值取每日所有監(jiān)測結(jié)果的平均值。

圖4 云平臺坑外地下水位數(shù)據(jù)

2.2.3 圍護(hù)墻深層水平位移

基坑圍護(hù)墻深層水平位移監(jiān)測是指基坑開挖過程中，對基坑圍護(hù)墻內(nèi)部各個深度沿基坑開挖方向的水平位移進(jìn)行監(jiān)測。人工監(jiān)測存在工作量大且效率較低的缺點(diǎn)，而傳統(tǒng)的自動化監(jiān)測采用串聯(lián)固定式測斜儀，但由于串聯(lián)固定式測斜儀自重較大[10]，測斜數(shù)據(jù)相對偏小，故本工程采用機(jī)械驅(qū)動式深層水平位移測量機(jī)器人，利用深度學(xué)習(xí)算法模擬人工測量，單傳感器在單測斜孔內(nèi)上下滑動，每隔0.5m進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集工作，能夠在保證數(shù)據(jù)精度的情況下，大幅度減少工作量。本工程共布設(shè)4個自動化深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)，本文選取CX04監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并與人工數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比。

圍護(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測設(shè)備有效運(yùn)行天數(shù)為55天，其中5月5日-5月7日由于傳感器電壓低，造成了3天的數(shù)據(jù)異常（已剔除），其余時間基本保持每日18-19組測量數(shù)據(jù)，偶爾因工地臨時斷電出現(xiàn)過幾組數(shù)據(jù)的丟失。監(jiān)測期間，剔除異常數(shù)據(jù)后，總共獲取到1017組可用數(shù)據(jù)，其中噪點(diǎn)數(shù)據(jù)為2組，概率僅為0.19%；數(shù)據(jù)總量為83735條，丟包234條，概率僅為0.28%；由于數(shù)據(jù)在施工期間的波動量包含真實(shí)變形，因此，需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)的波動進(jìn)行分析。本文挑選開挖前和最后一層開挖完后幾天的數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)波動，剔除底層測斜管影響，由圖5可以看出，數(shù)據(jù)整體波動小于0.8mm，重復(fù)精度相對較高。

圖5 數(shù)據(jù)波動分析

由于基坑凌晨期間大多處于非開挖狀態(tài)，且凌晨溫度相對較為穩(wěn)定，故取CX4測點(diǎn)每日凌晨4時數(shù)據(jù)作為當(dāng)日監(jiān)測數(shù)據(jù)；深層水平位移自動化監(jiān)測設(shè)備安裝完成后無法采用常規(guī)人工監(jiān)測方法對該監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行人工測量，故在埋設(shè)測斜管時，在自動化監(jiān)測點(diǎn)旁增設(shè)人工監(jiān)測點(diǎn)，對自動化監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行校核。監(jiān)測數(shù)據(jù)（如圖6所示），a幅為自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)；b幅為人工校核點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖6 深層水平位移自動化（a）與人工（b）監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖6中可以明顯看出，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)相比人工監(jiān)測更為平滑，連續(xù)性更好；但自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)過一次數(shù)據(jù)突變，其原因是監(jiān)測期間更換傳感器電池，對傳感器的導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)造成了輕微改變，從而使得監(jiān)測數(shù)據(jù)與之前有些許偏差，但圍護(hù)墻整體變形趨勢基本一致。

為對自動化測斜數(shù)據(jù)的絕對精度進(jìn)行分析，取同天的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，人工監(jiān)測5月3日變形最大值為33.88mm，5月7日變形最大值為49.04mm，增長15.16mm；自動化監(jiān)測5月3日變形最大值為46.65mm，5月7日變形最大值為63.44mm，增長16.79mm；5日內(nèi)自動化監(jiān)測累計(jì)變化量較人工監(jiān)測相對，出現(xiàn)1.63mm的差值，但由于自動化監(jiān)測點(diǎn)和人工監(jiān)測點(diǎn)并非同一個測點(diǎn)，存在其他變量的干擾，同時誤差值相對較小，平均分配到日變化量中僅為0.326mm，能夠滿足圍護(hù)墻深層水平位移監(jiān)測的要求；故圍護(hù)墻深層水平位移自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的絕對精度較高，能夠?yàn)榛影踩┕ぬ峁?shù)據(jù)支撐。

2.2.4 圍護(hù)墻頂水平和豎向位移

在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，常采用高精度伺服全站儀對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平和豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，利用極坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的水平位移監(jiān)測，通過后視基準(zhǔn)點(diǎn)修正測站坐標(biāo)，通過溫度補(bǔ)償修正測距精度，監(jiān)測時采用雙盤位消除軸系誤差；采用三角高程測量方法監(jiān)測圍護(hù)墻頂部豎向位移。某監(jiān)測點(diǎn)本次測量值減前次測量值的差值為本次偏差值，本次測量值減初始測量值為累計(jì)偏差值。監(jiān)測數(shù)據(jù)由云平臺展示（如圖7所示）：

圖7 全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

該項(xiàng)目采用SOKKIANET05AⅡ全站儀，在混凝土觀測墩頂部預(yù)埋強(qiáng)制對中盤，將全站儀固定在強(qiáng)制對中盤上，采用極坐標(biāo)法中的全圓觀測法對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測[11]。影響全站儀監(jiān)測結(jié)果精度的誤差因素主要由三部分構(gòu)成，分別為對中誤差、整平誤差以及觀測誤差。由于自動化監(jiān)測過程中，全站儀固定在強(qiáng)制對中盤上，其對中誤差基本可忽略不計(jì)；由于伺服全站儀自帶雙軸傾角計(jì)，可在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償整平誤差，故主要對觀測誤差進(jìn)行分析。在工程坐標(biāo)系中，假設(shè)O點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)；P點(diǎn)為某一監(jiān)測點(diǎn)，利用全站儀對P點(diǎn)進(jìn)行觀測，取其水平角為ɑ；豎直角為β；斜距為S，故監(jiān)測點(diǎn)P的三維坐標(biāo)為：

取O點(diǎn)與P點(diǎn)間的斜距為S；平距為D，則D=S×cosβ，對式（2）中的各項(xiàng)觀測值水平角α、豎直角β、斜距S求全微分，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換為中誤差，如式（3）所示：

式（3）中，mx、my、mz分別為監(jiān)測點(diǎn)P坐標(biāo)x、y、z方向的中誤差，mS、mα、mβ分別為邊長中誤差、水平角和豎直角中誤差[12]，所以可得監(jiān)測點(diǎn)P的平面精度為：

由式（4）可知，監(jiān)測點(diǎn)平面坐標(biāo)精度主要和全站儀測角、測距精度有關(guān)，本項(xiàng)目采用的全站儀測角精度為±0.5″，測距精度為0.8mm±1 ppm，現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)最大距離不超過300m，豎直角最大不超過45°，代入式（4）計(jì)算可得，監(jiān)測點(diǎn)中誤差最大不超過±0.6472mm，滿足《建筑變形測量規(guī)范》JCJ8-2016二等位移監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)中誤差不大于±3mm的要求。

選取JC01點(diǎn)進(jìn)行分析，全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)對其連續(xù)觀測62天，數(shù)據(jù)采集間隔為2小時，由于在基坑開挖期間JC01監(jiān)測點(diǎn)存在被施工機(jī)械遮擋等問題，導(dǎo)致監(jiān)測點(diǎn)與全站儀之間不具備通視條件，故總數(shù)據(jù)量為656組，占理論數(shù)據(jù)總量的88.17%，表明全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；由于全站儀測量結(jié)果受溫度影響較大，故選取每日凌晨4點(diǎn)數(shù)據(jù)為當(dāng)日監(jiān)測數(shù)據(jù)；每隔5天采用人工監(jiān)測方法對自動化監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測，人工監(jiān)測同樣采用0.5″的高精度全站儀，監(jiān)測時間在早晨7時左右，以人工監(jiān)測結(jié)果為真值，對自動化監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析（如表1所示）：

表1 JC01監(jiān)測點(diǎn)自動化和人工監(jiān)測結(jié)果對比

圖8 JC01點(diǎn)人工與自動化監(jiān)測結(jié)果對比

從圖8中可以看出，JC01點(diǎn)X坐標(biāo)平均差值為-0.06mm，最大差值為-2.0mm；Y坐標(biāo)平均差值為0.45mm，最大差值為1.4mm；Z坐標(biāo)平均差值為-0.20mm，最大差值為-1.7mm；自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)果差值相對較小，吻合度較高，變化趨勢基本一致。由此表明：全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)可靠性較高，監(jiān)測結(jié)果能夠滿足基坑監(jiān)測規(guī)范要求，且由于自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率高，數(shù)據(jù)量較大，利用大量自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)建立變形監(jiān)測預(yù)測模型，能夠?qū)幼冃乌厔葸M(jìn)行更為準(zhǔn)確地預(yù)測。

3.結(jié)束語

基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)旨在通過傳感、機(jī)械自動化、信號處理、無線通信、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘等前沿技術(shù)，將傳統(tǒng)監(jiān)測通過新技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、通訊、處理、云端管理與分析挖掘，通過信息化手段及時獲取施工過程中的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中的不穩(wěn)定因素，減少人工干預(yù)過程；借助更為高頻的監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證反饋設(shè)計(jì)方案，對基坑施工進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)有效把控項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)源，確保工程順利進(jìn)行。通過對支撐軸力、坑外地下水位、圍護(hù)墻深層水平位移以及圍護(hù)墻頂部水平和豎向位移進(jìn)行綜合分析，并與人工監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證了基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)今后的發(fā)展應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，具有一定的實(shí)用價值。