深基坑自動化監測系統優化研究

李福星，鄭玉平，高 升

（1.廣東省測繪工程有限公司，廣東 廣州 510700；2.中國冶金地質總局山東正元地質勘查院，山東 濟南 250014）

基坑作為地面建筑及地下空間建設的基礎工程，涵蓋了地質、巖土、環境、結構等多個學科，具有較強的綜合性和風險性[1]，需要采取一定的技術方法進行安全監測。傳統監測方法多為人工手持全站儀、水準儀、測斜儀等監測設備逐點監測，效率較低，工作量較大。自動化監測技術的出現大大提升了基坑監測效率，以物聯網傳感、邊緣解算、計算機軟件等技術為基礎[2]，采用智能采集器對監測點傳感器數據進行采集解算，并發送至云端，由云平臺進行數據成果展示。但現階段自動化監測系統普遍多為通用版，并未針對基坑工程進行專業設計[3]，如深基坑數據傳輸困難、設備較大影響施工、基準網不穩定等問題，均是通用版自動化監測系統現存的弊端。

本次研究基于通用版自動化監測系統難以滿足基坑監測真實需求的現狀，對其在基坑工程自動化監測中的不足點進行詳細分析，設計可行性技術方案進行優化改進，使自動化監測系統更加滿足基坑工程監測需求，并通過某項目進行應用測試，驗證優化后深基坑自動化監測系統的可行性及可靠性。

1 通用版自動化監測系統不足點分析

現代化測量儀器設備以及計算機技術的發展進步，為建筑物自動化監測系統的發展提供了基礎條件。但現有自動化監測系統多為通用版，面向對象有建筑工程、水利大壩、國土地災等，綜合性較強[4]，但專業性較差，尤其是基坑工程自身復雜性較強，通用版自動化監測系統難以滿足施工監測及數據展示要求。本文結合基坑工程實際特點，對通用版自動化監測系統的不足進行分析。

1.1 未考慮基準網變形影響

三維形變作為變形監測中的核心內容，普遍采用全站儀、GNSS 等技術手段進行自動化監測，由于基坑監測精度要求較高，多采用測量機器人“自由設站+極坐標”測量原理構建自動化監測系統，利用多個后視點對設站點坐標進行交會檢校，確保設站點的準確性。但由于基坑施工場地普遍較小，設站點和后視基準點均存在變形可能，通用版自動化監測系統普遍未考慮后視點的穩定性[5]，若后視點發生變形，會影響監測成果的可靠性。

1.2 未考慮數據傳輸信號較差影響

現有自動化監測系統多采用3G、4G 無線通信技術進行數據傳輸，但由于基坑開挖較深且鋼支撐和砼支撐數量較多，大大影響了基坑內部通信信號強度，導致監測數據傳輸困難甚至無法傳輸，普遍利用加長水工線纜將傳感器接入地面多通道采集器中，該方案線纜布設較為復雜，容易被破壞，同時會影響工程施工。

1.3 監測站集中部署

自動化監測系統需要外部持續供電，多采用市電或太陽能供電方式進行集中供電，數據集中處理并遠端發送，實施過程較為復雜，布線繁瑣易被破壞。并且基坑施工現場電壓穩定性相對較差，頻繁斷電會對自動化監測系統造成較大損壞。同時集中部署方式對于故障排查極為不便，當單一鏈路故障時，容易造成整個監測系統癱瘓。

1.4 數據展示缺乏專業性

基坑監測的核心在于輸出真實可靠的監測數據，通用版自動化監測系統雖然能夠獲得滿足監測要求的成果數據，但數據展示缺乏專業性，沒有針對基坑工程實際需求進行可視化圖表設計[6]。部分數據僅為原始觀測數據，未進行專業性處理，如基坑圍護結構頂部水平位移監測重點關注向基坑開挖側的位移變形，而通用版自動化監測系統普遍展示X、Y 方向位移數據，直觀性和專業性較差。

2 針對性優化設計

本次研究從基坑監測的實際應用出發，對通用版自動化監測系統進行優化設計，改變通用版自動化監測系統算法邏輯、硬件系統等，打造基坑工程專業自動化監測系統，實現基坑監測成果的可視化、信息化及規范化管理。

2.1 基準網穩定性檢驗

基坑工程施工場地往往相對較小，測量機器人自動化監測系統多位于基坑施工影響范圍內，監測基準網穩定性相對較差。本次研究在現有基坑三維形變自動化監測系統的基礎上，增加基準網穩定性檢驗流程，提高監測成果的可靠性。

如圖1所示，P為測量機器人設站點，K1、K2為后視基準點，自動化監測系統采用“自由設站+極坐標”測量原理，測站點平差是基于間接平差原理，測站點P對基準點K1、K2的觀測角度和邊長的誤差方程的矩陣形式如式（1）所示。

圖1 基坑變形監測基準網示意圖

式中，

分別為P 點測量機器人對基準點K1、K2觀測的邊長、方位角的近似值。

在進行定權時，將單位權中誤差σ0作為測量機器人方向觀測值中誤差，即測量機器人所標稱的測角精度；測量機器人邊長觀測值的權a、b 分別為測量機器人所標稱的測距精度中的加常數和乘常數。

列出法方程，如式（2）所示。

由誤差方程和法方程可知，單位權中誤差估值表達式如式（3）所示。

式中，f為自由度，即多余觀測數。

本次研究采用后驗單位權方差χ2檢驗方法對監測基準網穩定性進行檢驗，首先對自由設站法所解算的測站坐標進行間接平差處理，獲取監測基準網后驗單位權中誤差，然后將其與先驗單位權方差σ0進行對比，進行統計量的構建，從而進行χ2假設檢驗；原假設為備擇假設為時，表明拒絕原假設，備擇假設成立，即監測基準網中有不穩定的基準點存在。

在基于后驗單位權方差χ2檢驗過程中，一般情況下多采用測量機器人所標稱的測角精度來對先驗單位權方差σ0進行賦值，f表示自由度，顯著水平α的取值為0.05。當監測基準網中存在動點時，則逐個減少基準點數量，以剩余基準點為新的基準網[7]，再次對測量機器人測站坐標進行間接平差計算，然后構建所對應的統計量，再次進行χ2假設檢驗流程，直至監測基準網中的所有基準點均為穩定點為止?；诤篁瀱挝粰喾讲瞀?檢驗的技術路線如圖2所示。

圖2 基準網穩定性檢驗流程

基準網中包含儀器設站點和后視基準點，當所發現的動點為儀器設站點時，利用穩定的后視基準點采用間接平差方法對設站點進行更新求解；當動點為后視基準點時，將發生顯著位移的后視基準點從基準網中剔除，作為待觀測的點進行多次重復觀測，并進行平差處理，直至該基準點穩定后更新其三維坐標。

2.2 多方式組網

基坑開挖深度的加深，以及鋼支撐和砼支撐數量的增加，大大影響了基坑內部無線信號強度。本次研究針對通用版支撐軸力自動化監測系統線纜布設困難、容易影響施工等問題，從低功耗廣域網技術思路出發，構建基于LoRa通信的“網關+終端”分布式監測系統，解決現有自動化監測系統集中部署及通信困難的弊端。

基于LoRa通信的“網關+終端”監測系統充分發揮了LoRa 信號的強穿透能力，實現基坑內部多節點通信。終端作為數據采集裝置，能夠在短時間對監測點傳感器進行多次數據采集，剔除異常噪點后取均值作為最終數據進行本地存儲并發送至網關；終端采用鋰電池供電，體積較小可直接部署在支撐上；同時采用低功耗設計，單塊鋰電池可滿足終端設備連續工作2 a，足以覆蓋基坑施工監測需求。為解決深基坑內部信號較差問題，采用終端亦為雙向中繼的組網方式，每個終端均可作為同鏈路下的中繼設備，進行雙向通信，解決深基坑內部通信困難問題[8]。網關作為終端數據匯聚中心，最大可支持128 個終端接入，接收終端數據并進行過濾解析，實時上發至云端；網關與終端通信距離可達1～2 km，便于靈活選取安裝位置，降低對基坑施工的影響。

2.3 專業圖表設計

自動化監測數據普遍通過云平臺進行展示，通用版云平臺沒有結合基坑工程實際數據展示需求，往往需要監測人員對監測數據進行線下處理。本文依據基坑工程數據需求，設計專業數據圖表進行可視化展示[9-10]。

2.3.1 基坑圍護結構頂部水平位移

基坑圍護結構頂部水平位移能夠直觀呈現圍護結構頂部向基坑開挖面發生的位移變形，因此應在云平臺展示監測點向基坑開挖方向的位移變形，而非X、Y 方向的變形數據。針對此問題，本文基于點到線最短距離原理，預先設置一條與基坑圍護邊平行的基準線，計算監測點到基準線距離變化，反演監測點向基坑開挖面的水平位移變形數據。

如圖3 所示，A、B、C、D 為基坑的4 個角點，QD1～QD3為基坑圍護結構頂水平位移監測點，M、N為基準線的起點和終點，d1～d3為監測點到基準線的初始距離。在基準線設置時，應盡可能使得MN 與監測點所在的基坑邊線平行，由于未考慮監測點與基準線的空間方位，因此還應確保監測點與基準線不相交，即監測點始終位于基準線的同一側。以QD1監測點為例，假設M、N 已知平面坐標分別為（xM，yM）、（xN，yN），QD1初始坐標為（x0，y0），則初始狀態下，監測點QD1至參考基準線MN 的初始距離為d1：

圖3 圍護結構頂部基坑方向水平位移示意圖

式中，k為基準線MN 的斜率；b 為常數。

因此，基坑施工監測過程中，監測點QD1向基坑開挖方向的累計變化量Δd為：

式中，（xi，yi）為第i次監測過程中監測點QD1的平面坐標；di為第i次監測過程中監測點QD1至參考基準線MN 的距離。

2.3.2 基坑外地下水水位

基坑外地下水水位的變化有助于對基坑降水及基坑圍護結構是否發生滲漏進行分析判斷，常采用投入式滲壓計進行自動化監測，利用不同水深的水壓力不同，反演地下水位變化。通用版云平臺普遍只展示地下水位變化量，但基坑監測相關規范要求展示地下水位變化量和水位絕對高程。為滿足規范及用戶需求，本文設計基坑外地下水水位專業數據展示圖，并以不同顏色區分水位上升和水位下降，如圖4所示。

圖4 基坑外地下水水位數據展示

2.3.3 特殊場景下數據展示

基坑施工過程中同樣需要對周邊環境進行變形監測，如周邊重要建筑物、地下管線等。周邊環境變形監測普遍在基坑開挖前，基坑打樁、鉆孔等初期施工同樣會對周邊環境產生影響，因此變形過程分為基坑開挖前和開挖后2 個階段，但基坑監測重點關注開挖后周邊環境的變形情況。本次研究在監測云平臺中增加“開挖后累計位移”字段，設定開挖日期，對周邊環境受基坑開挖影響產生的位移變形進行直觀展示。

自動化監測頻率較快，1 d 可監測8～12 組。通用版云平臺普遍1 d 所有監測數據的平均值作為當日數據，但由于基坑白天處于施工狀態，機械設備運轉會對自動化監測設備產生影響，監測數據存有誤差，可靠性相對較差。本次研究在監測云平臺中增加“時間篩選”功能，通過設置時間區間，選擇固定時間點的數據進行展示。該功能支持篩選某一段監測日期內同一時間點的數據進行對比分析，基坑凌晨時間段普遍不進行施工，對比不同監測日期凌晨時間的數據，更能直觀準確地呈現監測點的真實變形特征。

3 項目應用效果分析

3.1 項目概況

本文以某深基坑自動化監測項目為研究對象，該項目為商業建筑基坑工程，圍護結構采用寬度為1 000 mm 的地下連續墻，基坑開挖深度在15 m 左右，設置三層混凝土砼支撐。項目采用本文優化設計后的深基坑自動化監測系統進行全天候監測作業，監測對象包括圍護墻頂部水平和豎向位移、立柱豎向位移、圍護墻深層水平位移、支撐軸力、基坑外地下水水位。

3.2 自動化監測系統應用研究

本項目于2022 年3 月完成自動化監測設備安裝，于2022 年9 月完成監測，設備拆除。自動化監測期間，除施工現場供電系統維護導致自動化監測設備斷電外，其他時間自動化監測設備均正常運轉，每個監測點平均每天監測數據在8～12組，系統穩定性和適應性相對較好。

本次研究對通用版自動化監測系統的優化包含測量機器人基準點穩定性檢校、支撐軸力監測站LoRa通信、監測平臺數據展示方式調整三大方面，其中本項目基坑共設置三層支撐，第三層支撐監測站信號較差，數據基本無法直傳地表網關，普遍采用第二層支撐的監測站作為中繼，將數據轉發至網關，應用效果較好，避免了第三層傳感器線纜延長布設。監測平臺數據展示方面新增圍護結構頂部向基坑開挖方向位移、基坑外地下水水位絕對高程、基坑開挖后累計位移等數據展示圖表，使得既有自動化監測系統更加滿足基坑監測業務需求。

本項目在基坑開挖影響范圍外布設了6個后視基準點，為驗證基于后驗單位權方差χ2的基準網穩定性檢驗應用效果，研究選擇某輪次原始觀測數據進行分析計算，結果為：后驗單位權中誤差σ∧0=0.701″，前驗單位權中誤差即測量機器人標稱測角精度σ0=0.5″，故統計量；假定顯著水平和自由度的取值分別為α=0.05，自由度f=10，查表可知檢驗未通過，即基準網存在動點。依次剔除一個基準點，重新構建基準網，再次進行后驗單位權方差χ2檢驗，結果如表1所示。

表1 重構基準網檢驗結果

由表1可知，剔除1個基準點后的6種基準網組合中，含有JZ6 基準點的基準網均未通過穩定性檢驗，而唯一一組不含有JZ6 基準點的基準網通過了穩定性檢驗，因此可表明JZ6 基準點發生了顯著位移，為基準網中的動點，其他基準點均為穩定點。為進一步驗證本項目中基于后驗單位權方差χ2檢驗方法的基準網穩定性分析成果的準確性，本次研究繼續剔除1 個基準點，采用剩余的4 個基準點構建基準網再次進行后驗單位權方差χ2檢驗，結果包含JZ6基準點的組合均未通過檢驗，故表明JZ6 基準點為本次監測中的動點，需將其視為監測點進行多次測量，直至穩定后更新JZ6 基準點坐標數據。從測量機器人自動化監測系統中調取該監測輪次下解算數據發現，JZ6 基準點在本輪次下已被視為監測點，連續觀測24輪次后取穩定數據更新JZ6 基準點坐標。故表明：基于后驗單位權方差χ2的基準網穩定性檢驗在本項目中應用效果較好，能夠準確識別基準網中的動點，并對其進行更新，降低了人工復核基準網頻次，在保證監測數據準確性的同時提高了監測效率。

4 結 語

基坑開挖深度的增加和基坑規模的擴大對基坑安全監測提出了新的要求，以物聯網為基礎的自動化監測技術方法逐漸成為基坑監測的主流，但通用版自動化監測系統無法滿足基坑監測業務場景真實需求。本次研究從基坑監測行業需求出發，對通用版自動化監測系統進行優化設計，并通過某建筑深基坑項目對優化效果進行分析研究，驗證了自動化監測系統優化設計的可靠性。