邵長庚

（濟(jì)寧市勘測院，山東 濟(jì)寧 272000）

0.引言

隨著我國城市化進(jìn)程的日益加快，土地資源的規(guī)劃利用已達(dá)到了瓶頸，地下空間的開發(fā)利用逐漸成為近年來我國主要發(fā)展方向[1]?；幼鳛槌鞘械罔F、隧道等重點(diǎn)交通樞紐的基礎(chǔ)工程，其安全性是整個(gè)工程項(xiàng)目的重中之重。隨著基坑開挖深度的不斷增加，對基坑安全監(jiān)測的要求也逐漸提升，圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為深基坑工程基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)，受基坑開挖的變形程度直接影響了基坑工程的安全性[2]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移（墻體測斜）能夠直觀反饋基坑的變形情況，在基坑施工期間持續(xù)對其進(jìn)行監(jiān)測，獲取圍護(hù)結(jié)構(gòu)變性信息，能夠指導(dǎo)基坑安全施工。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移普遍采用人工監(jiān)測方法，監(jiān)測人員采用測斜儀對每個(gè)測斜孔進(jìn)行正反向測量，然后利用測斜數(shù)據(jù)處理軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與初值對比獲取圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移變量?；娱_挖期間普遍為一日一測，工作量大，作業(yè)強(qiáng)度高，監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的滯后性[3]。為解決傳統(tǒng)人工測斜的弊端，越來越多的學(xué)者投入圍護(hù)墻深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測研究中去。在本次研究過程中，通過對傳統(tǒng)人工測斜原理進(jìn)行分析，以物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合邊緣解算、無線通訊、機(jī)械自動(dòng)化等技術(shù)，并采用低功耗設(shè)計(jì)，研發(fā)推出基坑維護(hù)結(jié)果深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，并與傳統(tǒng)人工測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對，對自動(dòng)化測斜技術(shù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測，為深基坑工程的安全施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

1.測斜原理

在基坑施工開挖或降水過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)容易受到側(cè)向土壓力的影響，從而產(chǎn)生一定位移變形，當(dāng)位移超過設(shè)計(jì)值或發(fā)生較大突變時(shí)，會(huì)造成一定的安全隱患，進(jìn)而造成安全事故，故需要對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行安全監(jiān)測[4]。傳統(tǒng)測斜方法采用滑動(dòng)測斜儀進(jìn)行監(jiān)測，測斜儀包括傳感探頭、讀數(shù)儀和線纜，如圖1所示。傳感探頭具有上下兩個(gè)導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，首先將高導(dǎo)輪朝向基坑，沿測斜管導(dǎo)槽下放至測斜管底，靜置10分鐘，待探頭適應(yīng)測斜管底溫度后再進(jìn)行上拉測量，每間隔0.5 m進(jìn)行一次讀數(shù)，直至測量到管口為止，然后低導(dǎo)輪朝向基坑再次進(jìn)行測量。測量完成后將測量數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，利用數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取所需監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖1 測斜儀

測斜儀的本質(zhì)是利用內(nèi)部的高精度應(yīng)變傳感器所測得的應(yīng)變差值轉(zhuǎn)換為角度差，然后換算為水平位移量，通過累加處理，從而得到測斜管管形[5]。由測斜儀測得第i測段的應(yīng)變差Δεi，換算得該段的測斜管傾角θi，則該測段的水平位移δi如式（1）和式（2）所示：

其中，δi為第i測段的水平位移（mm）；li為第i測段的管長，通常取為0.5 m；θi為第i測段的傾角值（°）；f為測斜儀率定常數(shù)；δi為測頭在第i測段正、反兩次測得的應(yīng)變讀數(shù)差之半Δεi=（εi+-εi-）/2。

測斜管管底存在一定量的位移時(shí)，可以管頂作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過墻頂水平位移實(shí)測值δ0，并由管底向上計(jì)算第n測段處的總水平位移，如式（3）所示：

由于測斜管在埋設(shè)時(shí)不可能使得其軸線為鉛垂線，測斜管埋設(shè)好后，總存在一定的傾斜或者撓曲，因此，各測段處的實(shí)際總水平位移Δi＇應(yīng)該是各次測得的水平位移與測斜管的初始水平位移之差，采用管口修正得到成果，如式（4）所示：

式（4）中，θ0i為第測段的初始傾角值（°）。

2.自動(dòng)化測斜

近年來，自動(dòng)化測斜技術(shù)的研究始終是基坑工程中的重要課題。較為常用的自動(dòng)化測斜技術(shù)為串聯(lián)固定式測斜儀，將固定式測斜儀通過剛性連接桿件進(jìn)行串聯(lián)，逐節(jié)逐段下放至測斜管內(nèi)，測深間隔為1m；管口采用固定裝置將測斜儀固定，并將所有線纜接入數(shù)據(jù)采集箱，接入電源，進(jìn)行測斜數(shù)據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測[6]。該方法實(shí)現(xiàn)較為簡單，但存有較多弊端。首先，固定式測斜儀自身較重，再加上剛性連接桿件，串聯(lián)較多測斜儀時(shí)，整體重量較大，需要多人操作，極為不便；且串聯(lián)后測斜儀自重較大，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果相對真實(shí)位移偏小，數(shù)據(jù)可靠性較差。

2.1 柔性測斜繩作業(yè)原理

為解決串聯(lián)固定式測斜儀現(xiàn)存問題，在本次研究過程中，采用柔性測斜繩對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測[7]。柔性測斜繩又被稱為陣列式柔性測斜儀，主要由MEMS加速度計(jì)、解析電路板、標(biāo)準(zhǔn)測量單元以及外保護(hù)裝置等構(gòu)成，如圖2所示。柔性測斜儀工作原理是通過MEMS微機(jī)電系統(tǒng)測量重力加速度在不同軸向上的數(shù)據(jù)來計(jì)算對應(yīng)軸與重力方向的角度，通過角度的變化計(jì)算對應(yīng)測量單元的位移量。

圖2 柔性測斜儀

每個(gè)測量單元安裝有三個(gè)加速度傳感器，通過測量傳感器的加速度值來計(jì)算對應(yīng)軸與重力方向的夾角θ，通過夾角θ來計(jì)算對應(yīng)測量單元的位移量，如圖3所示。每個(gè)測量單元長度為L，則第i個(gè)測量單元在重力方向的坐標(biāo)系中對應(yīng)的坐標(biāo)長度為d=L×Sinθi，對應(yīng)的第i個(gè)測量單元在整體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為第1個(gè)測量單元到第i個(gè)測量單元的累加值如式（5）所示：

圖3 柔性測斜儀作業(yè)原理

其中,d為三維軸線（X、Y、Z）中單個(gè)測量單元相對基準(zhǔn)的變形值；L為單個(gè)測量單元的長度0.3 m、0.5 m、1 m；θ為單個(gè)測量單元對應(yīng)軸與重力方向之間的夾角。

2.2 自動(dòng)化測斜優(yōu)勢

采用柔性測斜儀對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，僅需外部供電，即可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的高頻次自動(dòng)化監(jiān)測工作[8]。該系統(tǒng)集前端數(shù)據(jù)采集、邊緣解算、無線傳輸于一體，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過云端網(wǎng)關(guān)進(jìn)行檢校，由云平臺(tái)進(jìn)行可視化展示。相較于傳統(tǒng)人工測斜以及串聯(lián)固定式測斜儀，柔性測斜儀主要有以下優(yōu)勢：

（1）高頻次。傳統(tǒng)人工測斜多為一天一測，自動(dòng)化測斜可依據(jù)工程需求設(shè)置監(jiān)測頻率，默認(rèn)監(jiān)測頻率為1次/小時(shí)，可靈活調(diào)整，便于加密監(jiān)測。

（2）實(shí)時(shí)性。自動(dòng)化測斜不受工程施工和天氣環(huán)境的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可通過電腦、App等方式對監(jiān)測成果進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，可視化程度較高。

（3）可靠性。自動(dòng)化測斜從人工測斜原理出發(fā)，將數(shù)據(jù)采集、解算等過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[9]，可靠性較高；自動(dòng)化測斜設(shè)備一次性安裝，監(jiān)測過程無需人工干預(yù)，從而避免了人為誤差的影響，監(jiān)測成果準(zhǔn)確度較高。

（4）便捷性。相較于串聯(lián)固定式測斜儀，柔性測斜儀更為輕便，安裝較為簡捷，僅需一根RS485總線即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集全過程；且柔性測斜儀在測斜管內(nèi)緊密擠壓，自重相對較小，測量成果更為可靠。

（5）經(jīng)濟(jì)性。自動(dòng)化測斜技術(shù)能夠大幅度降低人工成本，降低人工監(jiān)測壓力，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目循環(huán)利用，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

3.實(shí)例探究

3.1 項(xiàng)目概況

本次研究以某地鐵車站深基坑為試驗(yàn)對象，基坑尺寸為362 m×22 m，開挖深度為21.5 m～25.0 m，由于車站位于市區(qū)，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，保護(hù)性建筑較多，故監(jiān)測意義重大。在本次試驗(yàn)過程中，針對重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目包含三維形變、圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、潛水水位、支撐軸力，本文重點(diǎn)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測成果的可靠性進(jìn)行分析研究。

3.2 數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目為基坑自動(dòng)化監(jiān)測試點(diǎn)項(xiàng)目，依據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況，對P34測斜監(jiān)測點(diǎn)采用自動(dòng)化監(jiān)測，在自動(dòng)化測斜設(shè)備安裝前，監(jiān)測人員采用美國新科測斜儀對該測斜孔進(jìn)行人工初值采集，便于后續(xù)與自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)對比；并將自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與兩側(cè)的P33和P35以及對面的P45人工監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行對比，分析自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2.1 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

自動(dòng)化測斜設(shè)備的安裝需要現(xiàn)場具備一定安裝條件，本工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場較為復(fù)雜，安裝自動(dòng)化測斜設(shè)備時(shí)，現(xiàn)場第3層土方已經(jīng)開挖完成，進(jìn)場時(shí)間較為滯后。測斜自動(dòng)化監(jiān)測周期共計(jì)2個(gè)月，共采集到935組數(shù)據(jù)，平均每天不低于15組數(shù)據(jù)，監(jiān)測頻率較高；自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)中不可避免地存在一些噪點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)去噪過濾算法，能夠?qū)︼@著異常數(shù)據(jù)進(jìn)行有效過濾，未成功過濾的噪點(diǎn)數(shù)據(jù)共有3組，噪點(diǎn)率為0.32%，故表明數(shù)據(jù)采集成果較為可靠。

穩(wěn)定條件下監(jiān)測數(shù)據(jù)自身會(huì)有一定波動(dòng)，但施工期間，數(shù)據(jù)波動(dòng)同樣會(huì)包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的真實(shí)形變量，故對自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，需選擇未施工期間的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。由于本次試驗(yàn)進(jìn)場時(shí)間較晚，沒有獲取到項(xiàng)目前期未施工期間的數(shù)據(jù)，故選取連續(xù)6天凌晨未施工期間的數(shù)據(jù)，分析自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)波動(dòng)分析

對圖4進(jìn)行分析可知:在未施工期間，自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)波動(dòng)大小隨測量深度的增加而加大，其原因?yàn)椴捎霉芸谄鹚阈问剑瑴y量誤差持續(xù)累加，致使管底數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，但最高不超過0.6 mm，故表明基于柔性測斜儀的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測，數(shù)據(jù)成果重復(fù)精度較好，有較高的穩(wěn)定性。

3.2.2 數(shù)據(jù)可靠性分析

柔性測斜儀安裝完成后，無法對該測斜孔進(jìn)行人工復(fù)測，故在安裝前采用人工測量方式對該測斜孔進(jìn)行初值采集，在自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備拆除后再進(jìn)行一次人工測量，與自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)成果進(jìn)行對比，分析自動(dòng)化測斜成果的準(zhǔn)確性，如圖5所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，基于柔性測斜儀的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)基本一致，曲線重合度較高，從而表明采用柔性測斜儀進(jìn)行單測斜孔的自動(dòng)化監(jiān)測，具有較高的可靠性。

圖5 自動(dòng)測斜與人工測斜數(shù)據(jù)對比

通過基坑工程開挖規(guī)律，并咨詢監(jiān)測領(lǐng)域?qū)＜业弥?，相鄰測斜孔以及對稱測斜孔的變形趨勢有一定的關(guān)聯(lián)性，故在本次研究中，將P34自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)與相鄰P33、P35以及對面P45測斜孔人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并與施工工況進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)一步研究自動(dòng)化測斜成果的可靠性，如圖6所示。

對圖6進(jìn)行分析可知：自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)累計(jì)變形量要小于鄰近監(jiān)測點(diǎn)人工測斜數(shù)據(jù)，其原因?yàn)樽詣?dòng)化監(jiān)測設(shè)備進(jìn)場時(shí)間較晚，在監(jiān)測前該監(jiān)測點(diǎn)已發(fā)生了輕微變形，故自動(dòng)化監(jiān)測累計(jì)變形量偏小，符合施工工況；自動(dòng)化測斜與人工測斜數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，隨基坑開挖深度的增加，最大變形位置也逐漸向深處變化；由于該項(xiàng)目在開挖深度不超過15 m的地方采用伺服鋼支撐系統(tǒng)，故前15 m圍護(hù)墻并沒有出現(xiàn)較大變形；在第7層土方開挖期間，由于現(xiàn)場施工影響，基坑開挖和出土速度相對較慢，從而導(dǎo)致圍護(hù)墻出現(xiàn)了較大位移變形，自動(dòng)化監(jiān)測和人工監(jiān)測均體現(xiàn)了該現(xiàn)象。由此表明，基于柔性測斜儀的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測，成果可靠性較高，在工程現(xiàn)場滿足安裝要求的條件下，完全能夠取代傳統(tǒng)人工測斜方式。

圖6 自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)分析

4.結(jié)束語

圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測是基坑工程安全施工的重要保障，常規(guī)人工監(jiān)測過程效率較低、作業(yè)強(qiáng)度高，故長期以來，自動(dòng)化測斜技術(shù)的研究始終是極為重要的課題?；诖?lián)固定式測斜儀的自動(dòng)化測斜技術(shù)，不論從安裝實(shí)施還是從數(shù)據(jù)成果來看，均存在較多弊端，因此本文基于柔性測斜儀作業(yè)原理，通過某地鐵深基坑項(xiàng)目對自動(dòng)化測斜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行綜合分析研究，驗(yàn)證了柔性測斜儀在深基坑測斜領(lǐng)域能夠取代常規(guī)人工測量方法，具有較高的適用性。