高秀娟

(安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥 230088)

基坑施工工程的地質(zhì)條件具有一定的復(fù)雜性與不確定性，如果不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，會(huì)造成施工數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，影響基坑施工安全。因此，基坑工程施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)保證基坑穩(wěn)定，以及周?chē)馏w和建筑物的安全具有重要意義。

文獻(xiàn)[1]利用傳感器采集施工數(shù)據(jù)，與中央處理器建立數(shù)據(jù)交換關(guān)系，安全預(yù)警基坑施工的超警戒參數(shù)，將預(yù)警信息回傳到施工現(xiàn)場(chǎng)安裝的聲光報(bào)警器，對(duì)基坑進(jìn)行三維可視化聲、光預(yù)警，在內(nèi)力較大的支撐上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其傳感器通信傳輸時(shí)延和通信最高頻率分別為0.6 s和1.5 s/次，但該方法數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)布信息的字?jǐn)?shù)較少，施工監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差較大。文獻(xiàn)[2]埋設(shè)與支護(hù)樁同長(zhǎng)的測(cè)斜管，保證鋼支撐心軸線與安裝中心點(diǎn)對(duì)齊，螺絲刀固定監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，測(cè)讀標(biāo)志始端的傳感數(shù)據(jù)，但該方法的測(cè)量數(shù)據(jù)精度較差，即施工監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差較大。

針對(duì)上述問(wèn)題，為了提升基坑工程施工監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低監(jiān)測(cè)結(jié)果偏差，本文設(shè)計(jì)基于Revit二次開(kāi)發(fā)的基坑工程施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：首先，設(shè)計(jì)出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整個(gè)硬件架構(gòu)，采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器進(jìn)行北斗信息標(biāo)記，再存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)以分析基坑施工情況；然后，采用由整體到局部的原則布設(shè)基坑工程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，優(yōu)化Revit基坑開(kāi)挖模型的流程；最后，根據(jù)Revit基坑開(kāi)挖模型生成空間效應(yīng)曲線和時(shí)空效應(yīng)曲線，模擬基坑工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化，實(shí)現(xiàn)施工監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

選取監(jiān)測(cè)設(shè)備儀器，設(shè)計(jì)基坑工程施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基坑工程施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

安裝北斗衛(wèi)星接收機(jī)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊和視頻數(shù)據(jù)采集模塊，提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移信息，利用北斗短報(bào)文通信技術(shù)，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至中央處理器，北斗短報(bào)文通信可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶(hù)、用戶(hù)與用戶(hù)之間的雙向報(bào)文通信[3]。采集模塊選取的儀器設(shè)備如表1所示。

表1 采集模塊選取儀器設(shè)備

選取GU739FR中央處理器，對(duì)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行北斗信息標(biāo)記，并發(fā)送數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析基坑工程施工情況[4]。轉(zhuǎn)換標(biāo)記信息數(shù)據(jù)格式，令Revit模型讀取數(shù)據(jù)，傳輸控制指令，導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，將分析結(jié)果傳輸至移動(dòng)終端的顯示屏[5]。令虛擬動(dòng)作器與Revit模型的各元素建立關(guān)聯(lián)，把模型載荷、特性、單元作為參數(shù)，在指定范圍內(nèi)變動(dòng)參數(shù)，改變模型節(jié)點(diǎn)的位置和方向，對(duì)Revit模型進(jìn)行縮小、分解、放大、切割，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)顯示[6]。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 優(yōu)化基坑工程施工監(jiān)測(cè)流程

優(yōu)化Revit基坑開(kāi)挖模型的開(kāi)發(fā)流程，即簡(jiǎn)化工程施工監(jiān)測(cè)步驟。采用由整體到局部的原則[7]，基坑工程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和監(jiān)測(cè)方式如下：1)監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移時(shí)，沿基坑冠梁方向，依照20 m的測(cè)點(diǎn)間距布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)[8]，選取視準(zhǔn)線小角度、幾何水準(zhǔn)2種方式，分別用于水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)；2)調(diào)整測(cè)斜儀孔號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)斜孔一致，將探頭緩慢放至管內(nèi)的最深處，當(dāng)讀數(shù)儀顯示數(shù)值穩(wěn)定后，測(cè)量深層位移，然后調(diào)整探頭方向進(jìn)行反測(cè)，在相同的深度標(biāo)志處，測(cè)量對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)[9]；3)監(jiān)測(cè)支撐軸力時(shí)，對(duì)軸力計(jì)安裝架進(jìn)行焊接，把軸力計(jì)放在安裝架的鋼筒內(nèi)，布設(shè)多個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)[10-11]，通過(guò)振弦頻率讀數(shù)儀，讀取鋼支撐軸力的頻率值；4)針對(duì)基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)，鉆孔地面至指定深度，在孔內(nèi)填入鋼筋，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)在鉆孔四周[12]；5)針對(duì)地下水位監(jiān)測(cè)，埋設(shè)鋼尺水位儀，通過(guò)土工布對(duì)水位管進(jìn)行無(wú)縫包扎，通過(guò)清水洗孔，讀取水位儀刻度在管口處的數(shù)值[13]。

在開(kāi)發(fā)環(huán)境下二次開(kāi)發(fā)Revit程序，將基坑工程項(xiàng)目信息都放在Revit族群中，Revit基坑開(kāi)挖模型選取基礎(chǔ)梁族和承臺(tái)族[14]，其中基礎(chǔ)梁族采用Revit自帶的族文件，承臺(tái)族則運(yùn)用族樣板文件進(jìn)行創(chuàng)建。

首先編寫(xiě)承臺(tái)族創(chuàng)建代碼，依照承臺(tái)族輪廓，定義不同參考面的點(diǎn)和視圖，然后創(chuàng)建拉伸體的二維輪廓，定義拉伸長(zhǎng)度、輪廓、工作平面，修改尺寸，對(duì)齊拉伸體各個(gè)參考面，為承臺(tái)族添加參數(shù)，在參考面的固定端點(diǎn)處，對(duì)兩端點(diǎn)進(jìn)行連接，構(gòu)成尺寸線，確定尺寸線所在的位置，獲得與尺寸標(biāo)注綁定在一起的參考面，為承臺(tái)族添加族類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)Revit基坑開(kāi)挖模型的構(gòu)建[15]。把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入Revit基坑開(kāi)挖模型，生成空間效應(yīng)曲線和時(shí)空效應(yīng)曲線，分別表示監(jiān)測(cè)數(shù)值推進(jìn)變化和時(shí)間變化，將實(shí)測(cè)曲線與繪制曲線進(jìn)行對(duì)比[16]。至此完成基坑工程施工監(jiān)測(cè)流程的優(yōu)化。

1.2.2 模擬基坑工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化

根據(jù)Revit基坑開(kāi)挖模型的生成曲線，模擬基坑工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值ΔF為：

ΔF=F1-F2。

(1)

式中：F1、F2分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)高程和初始高程[17]。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移X、豎直位移Y為：

(2)

式中：Δx、Δy分別為X方向和Y方向的位移量；A、B分別為X方向和Y方向的累積量[18]。

計(jì)算X方向和Y方向的測(cè)點(diǎn)i，應(yīng)變讀數(shù)正測(cè)和反測(cè)的差值ζi、Ii為：

(3)

基坑圍護(hù)樁體的軸線測(cè)點(diǎn)平面坐標(biāo)(X1、Y1)為：

(4)

式中：(X0、Y0)為基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)；L為軸線測(cè)點(diǎn)總數(shù)；U為測(cè)斜儀標(biāo)距[19]。

水位高程S為：

S=S1-S2。

(5)

式中：S1、S2分別為水位工程、管口高程[20]。

支撐軸力G為：

G=Di(C2-E2)。

(6)

式中：Di為測(cè)點(diǎn)i的軸力標(biāo)定常數(shù)；C為軸力自振頻率；E為軸力初始自振頻率。統(tǒng)計(jì)各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成基坑工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化的模擬。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

將本系統(tǒng)與2組常用基坑工程施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以比較基坑工程施工的監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值偏差大小。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

工程為某市區(qū)的下穿道基坑工程，施工方式為明坑順做，所在場(chǎng)地土層從上至下依次為路基墊層、黏土、粉質(zhì)黏土、卵石、黏土，基坑沿線地貌單一且地勢(shì)平坦，周邊28 m范圍內(nèi)，地表存在集中分布的構(gòu)筑物，引道兩端為開(kāi)口引道，排樁支護(hù)采用旋挖灌注樁。基坑樁號(hào)范圍為CK0+462.937～CK0+598.528，總長(zhǎng)為362.482 m，凈寬為14.928 m，下穿涵洞開(kāi)挖深度為12.930 m，部分基坑深度為17.920 m，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.700 m，排樁擋墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，共分為8段，長(zhǎng)度為238.400 m，鋼管內(nèi)支撐水平間距為7.500 m，軌排井段基坑的最大寬度為25.930 m，樁長(zhǎng)為13.000 m，基坑鉆孔嵌固深度為9.000 m，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的總測(cè)點(diǎn)數(shù)量為183個(gè)，樁間距和樁徑分別為130 cm和100 cm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)偏差

當(dāng)基坑支護(hù)頂板澆筑完成后，在每個(gè)支護(hù)段取典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)不同深度下的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差，測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移最大，水平位移量隨著深度的增加而減小，本系統(tǒng)、文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的水平位移平均監(jiān)測(cè)偏差分別為0.07，0.69，0.68 mm。相比2組常用系統(tǒng)，本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)偏差分別減小了0.62，0.61 mm。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

豎向位移測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知，本系統(tǒng)、文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的豎向位移平均監(jiān)測(cè)偏差分別為0.10，0.57，0.66 mm。相比2組常用系統(tǒng)，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)偏差分別減小了0.47，0.56 mm。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2.2 鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)偏差

基坑工程施工過(guò)程中，在鋼支撐拆除前，3組系統(tǒng)分別監(jiān)測(cè)鋼支撐軸力，分析支撐軸力隨時(shí)間的變化規(guī)律，不同監(jiān)測(cè)周期下的軸力數(shù)據(jù)如圖2所示，其監(jiān)測(cè)周期為3 d。

圖2 鋼支撐軸力時(shí)間變化曲線

由圖2可知，在第1～5周期，基坑開(kāi)挖速度快，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不斷增加，鋼支撐軸力也隨之增加，達(dá)到最大值，第5周期后，基坑開(kāi)挖結(jié)束，鋼支撐軸力有所下降。

鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)偏差如表4所示。

由表4可知，本系統(tǒng)鋼支撐軸力平均監(jiān)測(cè)偏差為5.64 kN，文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)監(jiān)測(cè)值整體偏大，鋼支撐軸力平均監(jiān)測(cè)偏差分別為16.75 kN和16.47 kN，相比2組常用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)偏差分別減小了11.11，10.83 kN。

表4 鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.2.3 基坑地表沉降監(jiān)測(cè)偏差

當(dāng)基坑工程第1層開(kāi)挖完畢后，3組系統(tǒng)分別對(duì)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)不同距坑邊距離下的地表沉降值，地表沉降與坑邊距的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 地表沉降坑邊距變化曲線

由圖3可知，距離基坑邊緣外5 m處左右，地表沉降達(dá)到最大，沿這一位置向兩邊遞減。

地表沉降監(jiān)測(cè)偏差如表5所示。

表5 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表5可知，本系統(tǒng)、文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的地表沉降平均監(jiān)測(cè)偏差分別為0.09，0.88，0.64 mm。相比2組常用系統(tǒng)，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)偏差分別減小了0.79，0.55 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了Revit二次開(kāi)發(fā)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，減小了基坑工程施工監(jiān)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的偏差，提高了監(jiān)測(cè)精度。但此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍存在一定不足，在今后的研究中，會(huì)將基坑土體流變性、動(dòng)態(tài)載荷等因素考慮在內(nèi)，進(jìn)一步保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的規(guī)律統(tǒng)一性。