自動化測斜技術在深層土體水平位移監測中的應用

【摘 要】基坑開挖后的深層土體水平位移監測是保證正?；邮┕さ闹匾獢祿仞?，然而常規的人工基坑水平位移監測手段在監測頻率和人工投入上存在著很大的問題，因此為保證監測水平和監測質量，文章采取了當前國外較為流行的自動化測斜技術，該技術利用無線數據傳輸信息技術進行數據的傳輸，監測人員即可利用數據終端接收數據后進行分析，得到準確的基坑傾斜信息。

【關鍵詞】自動化測斜技術；土體水平位移；無線傳輸

我國當前絕大多數的土體測斜監測都采用人工監測方式進行，但是人工監測由于監測的頻率低、人員投入大、設備周轉問題、工作效率問題、天氣原因等多種因素的影響而導致監測工作會受到很多影響。筆者認為通過自動化傾斜技術來進行基坑深層土體水平位移監測是一種較為合理的解決方案，文中將對方案進行介紹。

一、自動化監測系統基本構成

本次研究選取的自動化監測結構基本上可以分為四個組成部分。第一部分為測斜儀。本次研究選用了固定式測斜儀，固定式測斜儀能夠實現全天候的時時土體水平位移監測，并且在能夠避免雨水天氣和大風天氣對儀器的影響，也能夠保證監測數據的準確性。第二部分為數據采集結構。數據采集結構利用傳感器和保護結構構成，傳感器利用重力加速度計作為基本測量原理來實現土體位移測量。第三部分是數據傳輸結構。本系統利用無線傳輸作為數據傳輸通道，無線傳輸相較于有線傳輸能夠節省資源投入并且能夠提升數據傳輸通道的抗外界影響能力，無線傳輸系統為ZigBee協議系統，ZigBee協議是一種低功耗的局域網數據傳輸協議，雖然數據傳輸速度較慢，但是能夠滿足自動化監測系統數據傳輸的要求。第四部分為數據接收終端。本次接收終端采用計算機作為數據接受終端，并且能夠實現數據的接收、存儲、處理等操作。（如圖1所示。）

二、自動化監測系統優勢及不足

雖然自動化檢測技術相較于傳統的人工測斜技術存在著一些優點，但是仍然避免不了自身系統存在著一定的缺點。自動化監測系統的優勢表現在：（1）能夠實現基坑水平位移的實時監控，保證監測數據的連續性，能夠更好的分析出基坑土體的運動趨勢。（2）減少了人力投入。自動化監測系統布設過程、日常維護、終端監測工作都需要人力投入，但是在人員投入上仍遠遠小于人工測斜技術。（3）保證了數據準確性。人工測斜技術在數據的采集、處理和存儲過程中都會由于人員問題導致數據的精確程度不高，但是自動化檢測技術利用計算機終端來實現數據的接收和處理工作，能夠有效的避免這一問題。（4）能夠實現自動預警。正是因為數據的接收終端使用了計算機終端，可以在終端制定一定的數據預警方案，在接收數據達到預警閾值時即可實現報警功能，避免基坑坍塌事故。（5）天氣適應性更強。傳統的人工測斜技術在光線不好、惡劣天氣中都會對設備或人員造成影響，進而導致測量工作的中斷或數據出現誤差。但是自動化檢測系統能夠較好的實現惡劣天氣的數據測量工作，同時無線傳輸數據通道在惡劣天氣的數據傳輸表現上也值得稱道。

自動化監測系統的缺陷表現在：

（1）前期投入較高。目前國內市場的固定式測斜儀價格參差不齊，但是常用的測斜儀價格普遍為5000-8000元之間，在實際工程使用當中，一個測孔的測斜儀布設量為10-20個，因此一個測孔前期投入則需要5-15萬左右，成本過高。但是部分公司加大了測斜儀使用的保養力度，讓測斜儀重復使用次數更多，在多次使用后即可獲得一定的利潤。

（2）現場施工埋設要求較高。自動化測斜需要測斜管在基坑測量的時間內保證長時間的相對固定，如果發生了測斜管的移動，則會產生較大的誤差。另外，在測斜儀埋設過程中還要做好電子元件防水工作，避免測斜儀受損。

（3）對人員素質要求較高。傳統的人工測斜工作只需要測量人員懂得相關測量知識即可，但是自動化測斜技術需要測量人員具備一定的計算機知識、局域網數據傳輸知識和電子設備知識等，才能夠更好的完成系統布設和日常保養工作。

三、工程實例探討

（一）工程概況

本次研究選取深圳市龍崗區某深基坑工程，基坑位于城區中心地帶，東西長度約為200m南北寬度約為130m，基坑周長約672.3m，占地面積約為25340m2，基坑深度最大值為35m?；庸こ虨榻ㄔO2棟高層建筑而設計，樓高260m，2棟樓之間設有4層總高度32m左右的商業樓建筑。地下室設計為4層，總建筑面積為2615200m2?；訃o采用地下連續墻結構，墻體厚度1.0m，深度55m?；臃謪^施工，明挖順做，共設置6道混凝土支撐。

本次研究選取的工程案例因為地處市中心，基坑施工過程中周邊環境復雜，基坑北側靠近地鐵車站（正在運營中），東北側有既有結構物，南側和西側有水管、煤氣管道、排水管道、地下電纜等多種管線，復雜程度較高。因為此處基坑施工難度較大，并且如果發生基坑坍塌會造成整體城市運轉的中斷，后果不堪設想，故此選擇了自動化測斜技術作為深基坑水平位移監測手段。

（二）監測項目和布設

根據基坑周邊的實際情況和自動化監測設備運行需要的環境來分析，自動化監測系統在保留并且不影響原有的人工檢測情況下，在基坑的東部、北部、南部三側布設測斜孔，每側測控數量1-2個，共布設5個測孔，測控深度65m，大于圍護墻深度10m。布設方式采用鉆孔式布設，即基坑開挖之前利用小型鉆孔機在基坑圍護墻外側進行鉆孔操作，鉆孔孔徑比測斜管直徑大10cm，鉆孔過程采用泥漿護壁，孔深度滿足后即可放入測斜管。

自動化測斜技術的硬件薄弱點就是傳感器與電纜線之間的連接，在固定式測斜儀埋設過程中應當利用防水電工膠帶將傳感器與電纜線連接好，并且與測斜儀連桿固定，然后塞入測斜管內部，按照設計要求逐個將傳感器與連桿固定并且放入測斜管內部。電纜線連接過程中要注意正負向統一，如果發生混結可能導致傳感器損壞。另外注意測斜儀的導輪需要放置在同一個平面上，利用螺母固定。

全部測斜儀放入測斜管之后需要將測斜管與鉆孔之間的縫隙進行填滿壓實，填充材料可以選擇西沙或者原土層中小粒徑的土體（在此過程中注意一定要將縫隙壓實，如果壓實工作做的不好可能導致測量結果出現較大的誤差）。等測斜管的底部沉降穩定后即可進行第一次讀數，并檢測數據傳輸的順暢性。

本次研究每個測斜空放置20個測斜儀，測斜儀間距采用平均間距，保證在3m左右，根據工程實際情況，自動化監測頻率設置為1次/h。因為本次研究地處市區，信號干擾源較多，如果采用直接進行無線數據傳輸很有可能造成數據丟失或者數據不準，故此在固定式測斜儀和數據采集箱進行有線連接，數據采集箱中設置預存儲設備，將采集信號進行第一步存儲，然后利用數據采集箱中的無線通訊模塊進行無線數據傳輸，數據接收終端采用計算機進行數據儲存和分析工作。

（三）檢測結果及數據處理

本次檢測頻率為1次/h，整個工程施工持續6個月，導致自動檢測結果所獲得數據較多，數據采集過程中由于工人施工時施工機械操作不當導致測孔3處的數據采集箱的無線傳輸功能模塊受損，但是由于數據采集箱中預先放置了數據儲存設備，在修理后獲得了相關的測量數據。數據獲得后利用人工判讀的方式來進行數據篩選，甄選出正確數據20萬條左右，將數據編制入軟件后進行分析和處理，得到土體水平位移曲線，其中測孔1與測孔3、4曲線及數據極為相似，測孔2與測孔5數據相似，故此本次研究以測孔1與測孔2的土體水平位移曲線作為研究對象（曲線情況如圖2所示）。

本次研究過程還出現由于現場斷電而造成的設備信息采集工作中斷和計算機終端的關機。但是數據保存情況良好，出現斷電情況后立即接入備用電源讓系統重新工作，斷電時間持續15分鐘，對系統未造成影響。

通過測孔1和測孔2土體水平位移曲線的觀察我們發現，在特定時間內出現了幾次土體位移偏大的情況。筆者在工程進行過程中一一進行了排查，主要的原因如下：一、當地雨水導致地下水含量增加，土體含水量上升導致土體水平位移增大。二、基坑南側排水管道施工過程中發生了破裂，導致土體的含水量增加，土體從固態變為可塑態，導致測斜管松動出現數據異常。三、施工剛開始時基坑北側的小路并沒有限制通行車輛的數量與重量，在測量過程中發生了水平位移過大后筆者立即決定對此處的交通進行限制，避免過重的車輛通行給土體帶來較大的影響，交通限行后土體水平位移恢復正常。

四、結語和討論

通過本次的研究筆者發現，自動化測斜技術在實際的工程使用中會由于很多細微的因素影響而導致測量數據出現波動或者異常，可以認為這種技術的外界因素敏感度較大，然而在實際的應用過程中技術人員應當加大監測數據的處理頻率，隨時處理隨時觀察，對出現異常的數據要進行及時現場考察后做出處理。筆者認為自動化測斜技術在工程實際應用中應當注意如下幾個問題：第一，注意測斜管的回填壓實度，保證在工程持續時間內不發生松動或者位移。第二，在施工過程中盡量避免外力或者機械的擾動或者機械干擾。第三，使用自動化測斜技術要注意土質，對地下水影響較大的土質要及時進行地下水位的監測工作。第四，深層土體水平位移監測過程應當設置備用電源，因為自動化測斜系統在斷電情況下會造成數據接收終端和傳輸通道的工作中斷，有可能造成數據丟失情況，即便數據不丟失，也會增加工作人員的工作量。最后，避免基坑周邊的重物堆疊或者增加地表荷載的干擾。

通過本次研究我們發現，自動化深層土體水平位移監測系統在實際工程使用中也能獲取很好的效果，本次研究共投入人員7人次，相較于傳統的人工水平位移監測節約了大量的人力資源，另外也在深基坑土體發生水平位移異常時及時發出了預警，通過技術人員的排查和分析，避免了深基坑的塌陷事故。本次研究的數據采集、傳輸、接收、處理等環節均為出現異常，獲得數據基本為準確數據，證明ZigBee協議在數據傳輸過程中具備良好的表現，適合自動化監測系統的使用。

另外，筆者認為未來自動化監測系統在城市和野外都能夠勝任，當然未來的自動化監測系統應當將更多的功能進行集成，例如測孔數量精簡、數據采集與存儲一體化、數據傳輸速度和范圍擴大、數據分析系統誤差消除、數據分析系統預警功能完善等，這些都是未來自動化測斜技術的發展方向，因為自動化測斜技術在大型城市特殊基坑上有一定的優勢，這類基坑周邊的建筑數目較多、地表荷載較大、地下管線眾多，這些特點都要求深基坑土體水平位移監測工作要做到更大的監測頻率，相對來說對人工測斜技術影響較大。然而我國當前利用自動化測斜技術進行深基坑土體水平位移監測工作的案例相對較少，經驗尚不足，所以筆者認為可以在大范圍進行技術推廣和試點工程，通過積累大量的經驗來加快自動化測斜技術的推廣和使用。

參考文獻

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[2] 焦倉文，陸士立，鄧明等.基于磁阻和重力加速度傳感器的數字連續測斜儀[J].自動化與儀器儀表，2014（10）：65-67.

作者簡介：陳昊（1980.04- ），本科，中級職稱，研究方向：工程測繪。