自动监测系统在基坑工程周围环境监测中的应用研究.pdf

1 6 0 四川建筑科学研究 S ich u a n B u il d in g S cie n ce 第 4 0卷第 5期 2 0 1 4年 1 0月 自动监测系统在基坑工程周围环境监测中 的应用研究 桂芳茹 四川建筑职业技术学院 四川 德阳6 1 8 0 0 0 摘要 以某地铁基坑施工对周围建筑物影响的监测为例 分析了自动监测系统的特点 研究了自动监测系统在基 坑施工过程对周围环境产生的影响及在监测中的应用 为同类工程提供了参考的依据 关键词 自动监测 数据 沉降 建筑物 基坑 中图分类号 T U 9 4 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 4 0 5 1 6 0 0 4 0 引 言 随着现代城市的快速发展 为解决城市交通 的 拥堵问题 地铁工程及类似的地下工程 日益增多 这 些大型的基坑工程往往集 中在市区 在施 工过程对 地层产生扰动 可能引起地表及周边建筑 物变形或 沉降 需要通过对建筑物沉降的观测取得的数据 分 析和监测建筑物的沉降情况 当发现有异常沉降时 可及时分析原因 采取措施 不仅保证 围护结构本身 的安全 而且也保证工程周 围的建筑的安全 和正常 使用 1 工程概况 某市国家级文物纪念塔距离地铁 1号线车站基 坑 2 3 6 m 距离 3号线盾构隧道 中心 1 0 7 IT I 为使 基坑和盾构工程施工能顺利进行 又 同时使纪念塔 处于绝对安全的状态 必须在基坑和盾构施工过程 中 对纪念塔主体结构与周边环境 的稳定 性进行监 测 以监测所得的数据指导施 工和开展对纪念塔 的 特别维护 传统监测技术在高密度的车流 人流 问 内无法实施 且不能满足对大量数据采集 及时准确 地反馈 因此 需要建立和完善地下工程远程 自动 连续监测系统 对纪念塔既有结构 的安全和工程风 险进行实时监测和反馈 从 而有效地控制工程事故 的发生 为保证施工安全提供科学依据 2 自动监测 系统特点 传统的读数设备 功能单一 只能每天对被测对 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 1 3 作者简 介 桂芳茹 1 9 7 3一 女 硕士 副 教授 主要从事工程测 量研 究 E ma il l 1 6 2 1 1 7 4 7 q q c o m 象进行有限次数 一般一天数次 的读 数 所得 的 数据是 断续 的 只表示 监测 对象 在该读 数 时刻 的 状态 对一些变化较快或险情发生时刻无法掌控 的监测对象进行监测难免会有失误 从而失去了宝 贵的抢险时机以致造成 巨大损失 故对 于特殊 的 有相当难度的工程及要求数据连续的项 目 最好采 用全 自动监测系统以提供连续的监测数据 自动监测系统有操作安全 可远离施工现场及 传感器安装点 工作效率高 可 分 秒级采集 数据准确 采集瞬时无人为误差 的显著优点 已在 国内外 的许多岩土工程和结构工程 中得到了广泛而 成功的应用 自动监测系统为集 自动监测数据的采集 分析 查询于一体的信息管理系统 通过 自动监测系统可 以实现 自动监测仪器数据 的采集 数据传输汇总以 及数据 的查询 连续地记录监测项 目完整 的变化过 程 实时得到监测数据 借助计算机 网络传输系统 及现代通讯技术 还可以将数据传送到网络覆盖范 围内任何需要这些数 据 的部 门和地 点 特别 在大 雨 大风等恶劣气象条件下 自动监测系统所取得的 数据是尤其宝贵的 3 自动监测系统组成 3 1 自动数据采集设备 自动数据采集设备选用美 国 S L O P E公司生产 的 C R 1 0 0 0系列数据采 集器 和澳大 利亚 D a t a T a k e r 公司生产的 D T 8 0 G D T 8 5 G型岩土智能可编程数据 采集 器 及 其扩 展 模 块 C E M2 0 动 态 采 集 可 使 用 D T 8 0 0数据采集器 D T 8 0 G D T 8 5 G具有如下特点 支持振弦式及其 他岩土型传感器 独立工作或使用强大的内置通讯 选项组网 以各种期望的方式及地点访问数据 数据 桂芳茹 自动监测系统在基坑工程周围环境监测中的应用研究 1 6 1 存储和恢复可 以通过 u盘 F T P 手机 适合于 S C A D A的 M o d b u s 以太网或网页实现 D T 8 0 G 8 5 G可以连接 到大部 分 的传感 器和数 据测量设备 包括智能传感器 S D I 一1 2传感器组成 的网络 G P S P L C和其他智能设备 测量结果可 以 被 比例缩放 存储 以及返 回工程单位或者进行统计 报表 所有通道都可以进行报警设置 支持 Wi n d o w s 版软件 D T C L G P R S C D MA D T U可 为用 户提 供 高速 永远在线 透明数据传输的虚拟专用数据通信网络 利用手机 G P R S网络或 C D M A网络平台实现数据信 息的透明传输 支持根据域名和 I P地址访 问中心 多种工作模式选择 支持 串口软件升级和远程维护 使用方便 灵活 G P R S C D MA可 以利用现 有 G S M C D M A 网进 行实时数据传输 实现无线上 网 无线接人 提供 真 正的广域无线数据网 G P R S C D MA允许用户在端 到端分组转移模式下发送和接收数据 而不需 要利 用 电路交换模式 的网络资源 G P R S C D M A可以在 高速运动时保证最低 l 3 4 k B P S的传输速度 峰值 可以高达 5 3 6 k B P S 一般能够 稳定在 2 3 k B P S左 右 特别适用于间断的 突发性的和频繁的 点多分 散 中小流量的数据传输 也适用于偶尔的大数据量 传输 3 2监测 系统布置 在埋设上述电测传感器就近处安设数据采集监 测单元 数据采集器外用金属箱加以保 护 所有电 测传感器的信号线都汇接入该保护箱 内 接人数据 采集器 数据采集器将接 预设的程序 自动 定 时 定点 对所有 的 电测传感器进行 采样监测 并 自动 记录数据 3 3数据管理 3 3 1 硬件 数据管理 由设在现场办公室中的监测主控计算 机完成 考虑到项 目的独立性 单设计算机 不与办 公室其他用途 的计算机共用 主控计算机硬件配置 应有 标 准 的 R S 2 3 2接 口 系 统操 作 软 件 为 WI N D O WS X P 以及必要 的彩色显示器 彩色打 印机等 外设 3 3 2软件 可实时监测各测点测量参数 并 以数字或 曲线 图形式实时显示 记录和打印 可根据需要设定测点 数据 对原始数据不仅可进行滤波 计算等处理 1 监测 数据能够 以多种数 据库形式保存并 可 进行历史数据查询 还可以直接生成 E XC E L或其他 形式报表 2 操作界面清晰直观 工具条与按钮操作 显 示界面可分为主界 面和各子界面 各界面间切换灵 活 界面图案可按客户要求绘制改动 3 数据 的 图形方 式显示 包 括 时问历 程 曲线 图 X Y坐标 图 模拟图 直方图等形式 4 具有数据越 限报警功能 现 场即时上传报警 信息时 主机会出现明显的报警画面和报警信息 同 时还可提供各种声光报警等多媒体提示 5 能对系统 中的每一用 户进行 口令和操 作权 限的管理 能对不 同的用户分配不同的系统访 问 操 作权 限级别 保障运行系统的安全性 6 实现对系统信息打印的管理功能 支持对 图 形 报表 曲线 报警信息 各种统计计算结果等的打 印 7 在线编辑 维护 修改 扩展功能 系统软件 满足开放性标准的要求 并满足数据库容量扩充 系 统软件功能增强等方面的要求 8 可利用 P D A手机安装数据监测软件 进行实 时移动查询 4监测 的 目的 对基坑和盾构施工期间引起土体变形而影响范 围被保护对象纪念塔的变形的量值进行 自动以及人 工测量 以及时和全面地反映它们 的变化情况 是本 工程实现信息化施工的主要手段 是判断纪念塔安 全的重要依据 为修正设计和施工参数 预估发展趋势 确保纪 念塔安全提供实测数据 是设计和施工的重要补 充 手段 同时 为优化施工方案提供依据 为理论验 证提供对比数据 积累区域性设计 施工 监测的经 验 5 监测 内容及测点设置 5 1 监测的内容 主体结构监测包括主体结构垂直位移监测和主 体结构倾斜监测 采用 自动监测系统进行全 自动监 测 周边环境监测中的周边地表沉降监测 地下水位 监测采用常规人工监测 隔离桩深层水平位移监测 采用 自动监测系统进行全 自动监测 l 6 2 叫川建筑科学研 究 第 4 0卷 5 2监测 测点 设置 监测测点布置如图 1 所示 J L 薹 j 蜚 F 喜 说明 0表示桩体 深层水 平位移 c 监测测点 自动测斜 共 计2 个孔 表示地 下水位监测 测点 共计2 个孔 表 示 周 边 地 表 沉 降 监 测 测 点 共 计21 个 测 点 表 示 体结构垂 直位移和倾斜 监测测点 自动沉 降 倾 斜 各8 个挺计l 6 个测 点 图 1 监测测点布置 6监测 的实施 6 1 主体结构监测 6 1 1主 体 结构垂 直位 移监 测 自动 垂直位移监测采用美 国 G e o k o n生产 的 B G K一 6 8 8 0型 C C D静力水准系统完成 按 照监测点布置 图 首先对各测点位置进行抄平 各测点的高程误差 必须小于 1 cm 确保仪 器安装在 同一高程便 于调 试 支架全部安装到位 图 2 即可安装储液罐 位 置应保持一致 把通液管连接到测点 并充入液体 应防止通液管中出现气泡 安装传感器完毕后 静 止一段时间 使得各测点液面达到平衡 将仪器通电 进行测试并读数 测试数据稳定后安装通气管 做 好防止液体蒸发的措施 图 2 支 架安装示意 计算公式如下 E R 一 R 0 一 R 一 R G 式中 澳 电 i 的当前读数 单位 m A R 测点 i的初始读数 单位 mA 尺 基准点的当前读数 单位 mA R 基准点的初始读数 单位 mA G 标准电流系数 G 3 1 2 5 m m mA 脱 沉降 抬升 量 m l 1 6 1 2 主体 结构 倾斜监 测 自动 倾斜 监测 采用 美 国 S L O P E I N D I C A T O R公 司 E L单点双轴倾斜仪 澳大利亚 D A T A T A K E R数据采 集系统完成 将锚头与倾斜仪相连接的末端用胶带 缠绕以保持末端清洁 然后按照 监测点位置在结构 物上钻孔 并将孑 L 内清理 干净 用泥浆将钻孔部分 填充 插入锚头 适 当填充泥浆 移除末端上 的胶 带 并将倾斜仪安装到锚头上 使用顶端水平气泡调 零 也可用调零器和读数仪调零 用扳 手拧 紧同定 螺栓安装完成 通过澳大利亚 D A T A T A K E R数据采 集系统进行数据观测 6 2周边 环境 监测 6 2 1 隔 离桩 深层 水平位 移监 测 自动 隔离桩深层水平位移监测采用美 国 S L O P E I N D I C A T O R公 司双 向 1 P I固 定 式 测 斜 仪 图 3 C R 1 0 0 0数据采集系统完成 水平位移观测点有两 个见 图 1标为 的位置 每个观测孔 灌注 桩 长 3 5 m 3 m一个实施时将若干个传感器组合 f 下成串 地安装在 同一个测孔中 各 自布置在适当深度处 各 测斜仪连续工作 不断将测得的数据通过 电缆传到 测孔外 这 就组 成 固定 式 测斜 仪 然 后 利用 美 国 S L O P E I N D I C A T O R公 司 C R1 0 0 0数据 采集 系统 及 软件进行采集 存贮 分析 并与计算机联机 实现对 地层 的 2 4小时连续监控 底轮 接杆1 探头1 导轮1 接杆2 探头2 导轮2 图 3 固定测斜仪结构简 图 上图 传感器 下左 安装 下中 下右 照片 6 2 2 周边地表沉降监测 人 工 在垂直纪念塔方 向布设监测 截面 截 面布设 3 2 0 1 4 N o 5 桂芳茹 自动监测系统在基坑工程周围环境监测中的应用研究 1 6 3 点 向外延伸 5 m 以监测沉降的影响范 围 从结构 外轮廓测起算各点相距 为 1 m 2 m 2 m 用取芯 钻机打破路面硬层 将钢筋埋人原状土 3 0 e m以上 用黄砂 回填至地表 6 8 e m 下放套管使钢筋顶部 低于地面 3 5 e m 将保护盖放人套 管 内 布设测 点时如有障碍物则测点应避让 利用水准仪通过后 视水准基准点观测周边地表沉降测点的高程 然后 计算出变化量 6 2 3周边 地 下水位 监测 人 工 在测点位置 图 1中标 的位 置 利用地质钻 机成孔 孔深打穿潜水含水层 但不得穿透下部隔水 层 孔 内埋入滤水 P V C管 管直径约 5 0 m m 孔壁 与 P V C管 问用 细砂 填 实 然后 用 清水 冲洗孔 底 P V C测管高出地面约 2 0 e m 在管四周用砖砌起 以 防破坏 然后在 P V C测管中缓慢下放水位计测头 当测头接触到水面时 启动峰鸣器 此时读取测量钢 尺在管顶位置的读数 每次读取管顶读数对应 的管 顶位置应一致 并 固定人员 然后利用水准仪测量 出管顶高程 根据管顶高程 管顶与地面的高差 计 算出地下水位的高程 7 观测频率及报警值 7 1 观测 频 率 监测频率布置的基本原则是必须在确保纪念塔 安全 的前提下 从实际出发 根据业 主的要求 结合 本工程的特点 综合基坑开挖顺序 自始至终要与施 工的进度相结合 在 全面 准确 及时 的原则下安 排频率以及监测进程 尽可能建立起一个完整的监 测预警系统 1 在 隔离桩施工前 所有测点和传感器必须完 成安装及调试 2 由于项 目特殊性 基坑在施工期间的监测频 率需 由有关各方 文物保护部 门 建设方 设计 监 理 施工 共同研究后决定 3 当监测数据达到报警范围 或若遇到特殊情 况 如暴雨 台风或大潮汛等恶劣天气 以及其他意外 工程事件 应适 当加密观测 直至 2 4小时不问断的 跟踪监测 7 2 报警值 本工程基坑开挖 的安全等级基坑为一级 周边 环境保护等级为一级 因此监控