基于智能傳感方法的建構筑物變形自動化監測技術

李世烜

(中核勘察設計研究有限公司,河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著信息化與網絡化的普及,建構筑施工監管人員對于數字化監測、智慧工地的需求逐漸增大。人工監測、人工數據處理模式已無法適應海量監測數據的管理要求,自動化變形監測在提高工程管理效率、動態監測和及時預警等任務中發揮著越來越大的作用。

而在建構筑物變形監測中,通常采用傳統人工測量,這種方法的優點在于技術可靠,精度高,但是由于這種方法的非連續性以及勞動強度等弊端,加重了監測難度。同時由于建筑施工現場環境條件復雜,變形測量作業時,需要按照建筑施工現場安全生產管理要求,采取必要的人身和儀器設備安全防護措施,避免人員和儀器設備受施工中的墜落物、危險物、障礙物以及出現異常情況等帶來的傷害,使得建構筑物自動化監測成為一種趨勢。

現階段,國內外在此問題的研究上雖成果不多,但在工程中的利用成效顯著。進入21世紀以來,運用監測理論及技術方法的領域越來越大,安全監測中數據處理、數據成果分析、安全預報系統不斷完善,成為優化設計、施工質量控制、可靠度評價不可或缺的技術手段。目前在建構筑物自動化監測領域,采用較為廣泛的監測儀器是靜力水準儀[2]。建構筑物自動化監測可采用的儀器有MAS-TUH02-100超聲波靜力水準儀、BK-J02系列磁致式靜力水準儀及BK-J03系列壓差式靜力水準儀。針對此,本文以磁致式靜力水準自動化監測系統為主要研究對象[3],同時對比傳統人工二等水準測量結果,多方面評價基于智能傳感方法自動化監測系統在建構筑物變形監測中的應用。

1 基于智能傳感方法的自動化監測系統

1.1 自動化監測系統原理及結構

(1)傳感器原理

磁致式靜力水準儀利用磁致伸縮液位計作為基本傳感器(圖1),其測量原理是通過測量電子倉內部發射部位到浮球的距離,從而計算出浮球所在液面的液位變化量。該液位傳感器是利用磁致伸縮原理研發出的一種新型的高精度液位傳感器,此傳感器是一種非接觸式液位傳感器,因此具有實時測量使用壽命長、穩定性好、精度高、重復性好等優點。

圖1 磁致式液位傳感器

(2)結構系統原理

系統依據連通器原理,將監測點及基準點用導壓水管串聯,并在水管內充入液體(二甲基硅油),通過測量各監測點與基準點之間的液面變化量,即可計算出各監測點的沉降量。本系統對各監測點的容器安裝高程有一定要求,各監測點容器高程差不應過大。監測點容器由上下端蓋及有機玻璃罩組成,上端蓋安裝一個磁致伸縮式液位傳感器。當監測點容器相對于基準點容器和基準傳感器或任意測點容器之間產生沉降或隆起變化時,整個系統水平面會有所變化,即可精確地計算出各個監測點傳感器內液位值相對于基準點儲液罐中的液面的高差[4]。系統連接如圖2所示。

圖2 系統連接圖

每套磁致式靜力水準儀都由磁致伸縮液位計、儲液罐、防凍液、通夜管、觀測電纜及安裝支架等部件組成。多只磁致式靜力水準儀和基準點連通,再與采集系統配合,就可組成一套完整的磁致式靜力水準監測系統。

1.2 安裝前準備工作

設備安裝前,需對監測點位的高程進行測量,以便使同一套系統的各個測點傳感器安裝在同一高度,各測點與儲液罐的高差應保持在傳感器的量程范圍內;管路中任何一段的高度均應低于蓄水罐底部,但不應低于 0.2 m。

(1)液體準備

為了防凍和降低液體揮發性,通液管內液體采用二甲基硅油。

(2)通液管充液

通液管充液前,先用同種液體預先浸潤管內壁。為了避免微小灰塵顆粒吸附氣泡,可采用水泵將液體從通液管一頭注入,從另一頭流出,循環3分鐘后,將出入口調換連接水泵再反向循環3分鐘,之后將管內液體排出。通液管正式充液采用自然流動方式,將盛放去氣液體儲液罐置于高于通液管位置,把通液管與儲液罐連通,通液管末端用另一容器接收液體,讓去氣液體通過自然流動充滿通液管。加液后要認真檢查,一般在間隔24小時后進行復查,查看是否有漏液及是否有氣泡滯留在液管內。確定加液工作無誤之后,方可進行下一步的初值采集等工作內容。

(3)靜力水準儀編號確認

根據編號將傳感器分類完成后,將傳感器連接采集儀,用USB線將采集儀與筆記本電腦連接,使用12VDC給傳感器供電,通過調試軟件采集各傳感器編號和測值,確定傳感器編號與線纜標簽是否一致,采集測值單位是否符合綜合管理軟件要求。

1.3 系統安裝及防護

(1)支架安裝

每個靜力水準儀都配備一塊安裝板,安裝板具有側面和水平安裝功能,根據現場需求,先將安裝板用螺栓固在靜力水準儀上,然后在測點安裝位置鉆孔布設。

(2)通訊線、線槽布設及安裝、通夜管連接。

(3)數據采集箱用膨脹螺栓固定在墻上。

(4)安裝在建構筑物上的磁致式靜力水準系統,應采取措施保證全部連通管管路溫度均勻,避免陽光直射,同時安裝防護罩,以免在監測過程中遭受破壞。

1.4 數據自動化采集與分析

在線監測管理系統采用瀏覽器(B)/服務器(S)軟件體系結構,用戶須在瀏覽器上進行工作,如圖3所示。

圖3 在線監測管理系統登錄

通過在線監測管理系統進行數據采集時,應注意以下要求:

①觀測時間宜選在氣溫比較穩定的時段,觀測應在液體完全呈靜態下進行。

②每次觀測宜讀數3次,讀數較差應小于 1 mm,取3次讀數的算數平均值作為觀測值。

③通過通信網絡連接至管理中心的監控計算機,實時監測數據的自動化采集、存儲、計算和圖表處理。

1.5 特殊情況處理

(1)設備異常處理

磁致式靜力水準測量系統在建構筑物施工及運行期間,會不可避免地發生液體蒸發引起的液面下降、個別傳感器損壞、局部管路滲漏等情況,應定期對其進行維護,發現性能異常時應及時修復或更換。當發生意外情況時為保證數據具有延續性,應與水準測量數據進行互校。

①人工測點布設位置應與自動化監測設備安裝位置上下保持一致。

②采用幾何水準測量方法,對監測點進行觀測。

③通過對同一位置監測點分析變化趨勢是否保持一致。

(2)預警處理

當監測數據變化異常并超過規范要求時,及時向業主提出預警,并會同業主、施工單位和設計單位,綜合地質勘測、建筑設計各方面因素,找出原因,避免發生事故。

2 監測數據處理

(1)通過人工監測得到各監測點的高程,再通過測得的高程計算各監測點沉降變化量。各監測點沉降變化量的計算公式如下:

△Hi=Hi-Hi+1

式中:△Hi為沉降變化量,Hi為第i次測量的高程,Hi+1為第i+1次的高程[5]。

(2)利用連通管原理,自動化監測系統搭建完成后各測點基本處于相同標高位置,當連通管一端(末端)密封后,整個通液管路中的液體是靜止的,當監測點隨結構變形(沉降或隆起)時,監測點相對于基準點儲液罐中的液面的相對高差產生變化,監測點數據則相應變化,此變化量即為該監測點的相對沉降量。

3 自動化監測儀器誤差源分析

(1)溫度的影響

在安裝靜力水準儀的同時配有液體溫度傳感器,并對儀器進行保溫及防曬處理,可利用下列算法對液位進行溫度修正:

△h溫度=h深×β×△T

用20℃時液體狀態作為參考時的修正公式為:

△h溫度=h深×β×(T-20)

若工作液體為水,線膨脹系數β=200μm/(mc),這個公式為△h溫度=200h深×(T-20),△h溫度的單位為μm。

經溫度修正后的垂直變形為:

△Y=(Y1-Y0)-(J1-J0)+△h溫度,上升為正。

(2)外界震動的影響

靜力水準儀主要是獲取監測點和基準點之間液體的高差,施工環境復雜多變,受震動影響較大。外部震動使得局部壓力增大,導致測點讀數不穩,測點液面趨于上升;震動減弱至消失,使得該測點液面趨于下降。外界震動會影響靜力水準儀的瞬間讀數的準確性,進而應盡量減少監測點附近的局部震動,或者避免在震動期間采集數據。

(3)延遲效應的影響

靜力水準儀液體變化相對于溫度變化趨勢相對之后。當溫度發生變化的時候,容器中所裝的二甲基硅油吸熱或者放熱需要一定的時間,容器內液體和外界溫度變化不同步,稱之為延遲效應,導致溫度改正模型中的溫度并非液體真實溫度,因此必須進行延遲效應改正。

(4)其他誤差來源

靜力水準儀液體還受壓力、液體材料、液體揮發等影響。如果監測點都比較近的話,在局部可認為壓力是一樣的;不同環境對液體材料要求也不一樣,液體的選擇是一個關鍵,經常使用的連通液體有水、玻璃水、防凍液等,本次案例在西北戈壁灘溫差較大,采用二甲基硅油作為液體材料,提高其監測穩定性。

4 實例分析

本次案例選取西北戈壁灘某建筑物,晝夜溫差大,環境因素惡劣復雜,具有一定的代表性。選取建筑物長 100 m,寬 25 m,上下共兩層,地基基礎設計等級為乙級。針對本建構筑物變形監測,布設一組磁致式靜力水準測量系統,包含10個監測點。

建筑物從施工期間開始監測,經歷施工、裝修、運營各個階段。施工期間周邊環境復雜多變,周邊有時常有鼓風機等振動源,監測期間溫差在-25℃～30℃之間,人工監測嚴格按照國家二等要求施測,最后進行數據對比分析研究。

在建構筑物施工及運行過程中,采用磁致式靜力水準測量系統對建構筑物變形情況和人工測量數據進行對比分析[6],選取具有代表性的兩個監測點C01和C05進行數據對比分析,變形數據結果如表1、表2所示,監測曲線如圖4、圖5所示。

表1 沉降C01監測數據對比表

表2 沉降C05監測數據對比表

圖4 沉降C01監測曲線圖

圖5 沉降C05測曲線圖

建構筑物變形監測采用自動化不間斷采集,數據量較多,需要對監測數據進行整理分析。

由圖4及圖5可見,在建構筑物施工及運行過程中沉降自動化監測數據和人工監測數據在10月31日前變化趨于一致,在10月31日及以后由于氣溫變化較大,前者沉降變化量明顯大于后者,但經過溫度修正后,自動化監測數據和人工監測數據變化趨勢基本保持一致。在建構筑物施工及運行期間,自動化監測過程中未出現報警情況,經過3個月的沉降固結期,建構筑物處于穩定狀態,上述數據同時也驗證了基于智能傳感方法自動化監測系統在建構筑物變形監測中的適用性,證明其具有良好的工程應用效果。

5 結 論

(1)基于智能傳感方法自動化監測技術在建構筑物變形監測中的應用采用得到了良好的實際效果,完成了建構筑物的自動化監測,具有一定的可行性。將該技術手段應用于建構筑物變形監測中,可以實時監測數據的自動化采集、存儲、計算和圖表處理。

(2)靜力水準儀精度主要受電子器件的穩定性、設備安裝、周邊外界環境、溫度氣壓、液體材料、延遲效應等的影響。

(3)溫度升高,監測值變大,溫度降低,監測值變小;監測值隨溫度變化呈現周期性,但在溫度突變,受延遲效應及壓力等其他因素的影響,觀測值與溫度變化呈非嚴格線性關系。

(4)靜力水準儀選型、液體材料應充分考慮監測環境;設備安裝應精細嚴格,盡量避免周邊振動源;數據采集時間按實際需要設置,數據處理應先剔除粗差后進行修正。

(5)今后也應該持續加強自動化監測技術的研究,切實保障建構筑物在施工和運行過程中的高質量可持續發展。