《隧道及地下工程信息化技术与应用》课件 第五章 地下工程自动化监测技术及应用

第五章地下工程自动化监测技术及应用东南大学土木工程学院《隧道及地下工程信息化技术与应用》内容提纲自动化监测技术概述自动化监测的内涵2自动化监测的实施3基坑工程自动化监测技术应用案例415.1自动化监测技术概述5.1.1地下工程自动化监测技术基坑的围护体系是临时结构，安全储备较小，且基坑工程具有复杂性、非线性、不确定性和较强区域性等特点，因此基坑监测是预防安全事故的必要手段。传统的人工监测具有局限性，受施工环境和监测人员水平等因素影响，经常出现数据不及时、自动化程度不高、结果不直观、数据分析不足等问题，自动化监测则可避免这些问题。5.1自动化监测技术概述5.1.1地下工程自动化监测技术基坑自动化监测是指在基坑施工过程中，借助测量仪器和监测元件，利用计算机及现代化数据传输方式，实现对基坑及周围环境条件变化数据的自动化采集和分析处理，并根据分析结果预判施工对周围环境的影响程度。自动化监测一定程度上可以取代人工监测，是实现基坑施工监测数据自动化采集、传输、可视化、分析与安全预警的综合监测技术手段。5.1自动化监测技术概述5.1.2自动化监测的发展历程由于早期监测仪器和水平的限制，基坑监测主要依靠人工观测和测量，难以对工程安全进行相对准确的预判。20世纪70年代，在项目监测、仪器选择及布置与观测方法上逐步积累经验，研究工作逐步加深。20世纪80年代，监测设计、监测技术和监测理论方法得到发展和改善，监测项目逐步考虑布置和安全等因素。5.1自动化监测技术概述5.1.2自动化监测的发展历程20世纪90年代以来，随着监测方法和仪器的进步，数据处理、分析和预警系统不断完善，基坑自动化监测系统迅速发展，由单一的监测信息反馈到实现复杂的自动化分析、可视化，以及预测与预警功能。高精密的光学光电仪器和监测仪器的发展，使得GPS测量及摄影测量也应用到地下工程监测中。伴随着计算机技术的成熟，处理速度慢、反馈不及时、信息不直观、可视化程度差等问题逐步得到解决，远程网络监控也逐渐成为了未来地下工程自动化监测的发展方向。5.1自动化监测技术概述5.1.3自动化监测的现状国外在地下工程领域自动化监测的应用技术方面较为成熟，意大利GeoDATA公司针对地下工程提出GDMS（GeodataMasterSystem）信息化管理系统；英国隧道协会和保险业协会于2003年9月联合发布了《英国隧道工程建设风险管理联合规范》；国际隧道工程保险集团（ITIG）于2006年1月发布了《隧道工程风险管理实践规程》。5.1自动化监测技术概述5.1.3自动化监测的现状我国的基坑自动化监测技术起步较晚。胡友健、刘国彬等设计开发完整的自动监测系统，并成功应用于实际工程中。王国辉等使用普通照相机和计算机监测基坑支护结构位移。姚文俊和蔡宽余与法国SOLDATA公司合作，通过明珠线Ⅱ期南浦大桥站监测项目，论述上海基坑工程的自动化监测可行性及监测方法。李云海和朱合华利用GIS思想技术开发的岩土工程施工监测信息系统（GeoMIS），实现基坑施工监测数据的可视化及分析。5.1自动化监测技术概述5.1.3自动化监测的现状近年来，我国的自动化监测系统研究已逐步发展到实现预警预测等功能。徐杨青和程琳依托SQLServer2005数据库，开发了可实现数据输入、存储、查询、分析导出及预测预警功能的监测数据处理系统。吴战广等基于物联网三层架构技术，实现远程控制测量机器人进行自动化变形监测工作。周二众等利用LeicaTPS1200+测量机器人构建设计坑监测预警系统。中国台湾的亚新工程顾问股份有限公司开发IDEAL—监测资料处理系统，尽管监测信息可视化功能较弱，但该系统在监测数据有效性检查和处理方面考虑比较全面。内容提纲自动化监测技术概述1自动化监测的内涵自动化监测的实施3基坑工程自动化监测技术应用案例425.2自动化监测的内涵5.2.1自动化监测的对象自动化监测的内容与人工监测对象相近。依据GB50497-2019《建筑基坑工程监测技术规范》，基坑监测主要内容：周边环境监测墙（坡）顶水平位移监测墙（坡）顶竖向位移围护墙深层水平位移支撑内力坑底隆起土压力孔隙水压力地下水位土层分层竖向位移5.2自动化监测的内涵5.2.2自动化监测的目的地下工程易受不确定因素的影响，因此需要在施工过程中对其实行动态管理，根据具体情况确定预警值，实现信息化施工。地下工程监测不仅需重视监测仪器的埋设和信息采集，更重要的是利用数据分析功能对方案进行调整优化。5.2自动化监测的内涵5.2.2自动化监测的目的目前不乏先进的监测仪器，但缺乏有效的数据分析和预测软件，先前多利用人工对数据进行处理和分析，易出现预测误差问题。自动化监测技术的目的是实现信息化施工，践行“监测→反馈分析→预测或预警→调整优化→监测”理念，使监测成果的反馈深度达到更深的层次，及时、高效、准确地为施工提供和反馈信息，为方案优化提供依据，为工程安全提供保障。5.2自动化监测的内涵5.2.3基坑自动化监测的工程应用基坑工程是典型的地下工程，基坑自动化监测技术可在优化设计和施工方案、结构及周围环境保护、工程预警和优化监测信息查看等发挥作用。编号工程地点基坑类型监测内容监测仪器或系统项目特色1武汉建筑基坑支护桩轴力计自动化监控超大型基坑2/地铁车站基坑围护桩、地下水位、地表沉降经纬仪、测斜管、钢筋应力计、水位管和水准仪研究围护结构水平位移随时间随开挖深度规律3/建筑基坑墙体变形徕卡ScanstationC10、Geomagic软件论证三维激光扫描技术在基坑监测可行性4上海建筑基坑实时开挖深度和支撑位置网格相机图像监控，无线网络传输5武汉建筑基坑地面沉降及周围建筑物沉降监测数据处理系统利用卡尔曼滤波算法技术实现预测预警分析6北京建筑基坑土钉和锚索振弦式钢筋应力计和锚索轴力计自动分析数据以优化支护方案7济南建筑基坑基坑及周围建筑物

自动监测系统开发基坑在线监测系统，并发布Android版本8贵阳地铁车站基坑周围建筑物智能化斜测仪和静力水准仪对周围高层建筑物安全进行监控预警9青岛建筑基坑爆破震动触发式传感器/GeoMOS软件控制爆破施工技术及保护既有线安全近年国内具有不同侧重点的基坑自动化监测工程应用案例内容提纲自动化监测技术概述1自动化监测的内涵2自动化监测的实施基坑工程自动化监测技术应用案例435.3自动化监测的实施基坑自动化监测可分为如下几个部分：数据自动化采集、监测数据传输、监测数据可视化、数据分析和安全预警。自动化监测流程图5.3自动化监测的实施5.3.1数据自动化采集数据采集（DataAcquisition）以传感器、信号测量与微型计算机等技术为基础。根据基坑监测要求，需要实现支撑轴力、桩体应力、地下水位、地表沉降、桩顶位移（水平、竖向）、桩体深层位移及建筑物沉降等项目的监测，对应的传感器类型包括钢筋计、水位计、单点沉降计、全站仪、滑动式固定测斜仪及静力水准仪。5.3自动化监测的实施钻孔安装测斜仪示意图单点位移计示意图5.3自动化监测的实施BGK-4000应变计结构示意图数据采集箱基康BGK-8001数据采集仪5.3自动化监测的实施5.3.2监测数据传输根据施工现场的情况，可选择有线或无线的方式传输现场监测数据。传感器采用有线连接的方式与数据采集器连接。将传感器与数据采集箱内的采集器连接后，实时采集数据将被安全地储存在采集器内存中。可采用有线传输或无线传输的方式将数据从采集器传输至互联网。5.3自动化监测的实施5.3.2监测数据传输若传输距离过远或路径上存在障碍物，可能导致有线传输系统中采集器与收发器无法直接通讯，可采用中继器作为二者联系的桥梁，实现数据传输。无线远程传输系统由基站、远程无线传输装置和服务器组成，实现监测数据的远程自动传输、下载和存储。可采取WCDMA（宽带移动通信系统）和移动互联网支持等方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入系统服务器。5.3自动化监测的实施5.3.2监测数据传输无线传输有线传输传感器采集器中继器工控机互联网无线网关数据传输过程5.3自动化监测的实施5.3.3监测数据分析早在1976年，Kirstan在约翰内斯堡的岩土工程勘测研讨会上提出解决岩土工程逆问题的反分析方法，后经Sakurai等学者发展，已形成不同类别的多种研究方向。反分析法即是利用监测数据去求得难以直接测得的数据。勘察试验建设要求几何参数

介质参数

荷载参数正分析位移

应变

压力监测反分析1.反分析法反分析法基本过程5.3自动化监测的实施5.3.3监测数据分析2.贝叶斯反分析法贝叶斯方法是一种基于总体信息、样本信息和先验信息的推断方法。其基本观点是任何一个未知量θ均可以看做一个随机变量，使用概率分布描述θ。若此概率分布存在于抽样之前，则称之为先验分布。通过抽样的样本信息更新先验信息，推导出参数θ的概率分布即为后验分布。Θ——参数变量；

P(Θ)——参数的先验分布；

L(Θ

|

w)——由总体信息和抽样信息结合而得的似然函数；

κ——积分常量；

P(Θ

|

w)——参数的后验分布。5.3自动化监测的实施5.3.3监测数据分析若Θ是连续分布的变量，则有：贝叶斯反分析的主要过程可以表述为利用新数据构成的似然函数对参数先验分布进行更新，从而得到后验分布。在给定样本分布和先验分布后可用贝叶斯公式计算θ的后验分布。5.3自动化监测的实施5.3.4监测数据可视化与预警1.预警分级在基坑工程监测中，每一项监测项目都应根据相关规范、工程情况、周边环境与设计计算书，事先确定相应的监控报警值，用以判断支护结构受力、变形等是否超过允许范围，进而判断基坑的安全性，决定是否对设计方案和施工方法进行调整，并采取有效及时的处理措施。2.预警可视化监测数据可根据数据类型，灵活运用折线图、柱状图、扇形图、数据云图及其组合，定制专题图，综合表达信息。内容提纲自动化监测技术概述1自动化监测的内涵2自动化监测的实施3基坑工程自动化监测技术应用案例45.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.1工程概况位于浦东世博园区博成路、云台路、规划五路、高科西路合围区域内。二期项目占地面积48000m2，主要由1栋14层、1栋11层、2栋8层建筑及2-4层裙房组成。整个场地下设2-3层地下室，地下室埋深为14m。上海世博A片区绿谷基坑工程工程地理位置5.4基坑工程自动化监测技术应用案例监测基坑概况基坑现场平面示意图5.4.1工程概况5.4基坑工程自动化监测技术应用案例顺做法开挖深度：14m支撑设置情况：Ⅱ-1：3（钢混）Ⅱ-2：1（钢混）+3（双拼钢）基坑范围：Ⅱ-1：88.3（m）×38.7(m)Ⅱ-2：58.7（m）×23.1(m)基坑现场平面图监测基坑概况5.4.1工程概况5.4基坑工程自动化监测技术应用案例Ⅱ-2区基坑概况Ⅱ-2区基坑开挖前5.4.1工程概况5.4基坑工程自动化监测技术应用案例Ⅱ-2区基坑概况Ⅱ-2区基坑开挖后5.4.1工程概况5.4基坑工程自动化监测技术应用案例监测项目

基坑外侧土体水平位移周边地表竖向位移支撑轴力固定式测斜仪振弦式单点位移计振弦式表面式应变计施工期图像网络相机1.2.3.4.5.4.2自动化监测方案内容5.4基坑工程自动化监测技术应用案例Ⅱ-1区监测方案5.4.2自动化监测方案内容5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.2自动化监测方案内容Ⅱ-1区监测方案5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.2自动化监测方案内容Ⅱ-1区监测方案5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.2自动化监测方案内容Ⅱ-2区监测方案5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.2自动化监测方案内容网络相机布置方案两台相机均布置于Ⅱ-1区移动一台相机至Ⅱ-2区5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.3监测数据可视化自动化监测采用网络相机、无线路由器、通讯SIM卡构建视频无线传输系统，对世博绿谷Ⅱ-2区A、B基坑进行自动化监测。基坑f/mκsx/msy/mcxcyWIHIA0.03834419-140.5181961.0749×10-51.1×10-51234.0800925.171824322048B0.0263438-71.6440991.09731×10-51.1×10-51225.39441027.538724322048A、B基坑网络相机参数B基坑初始采集图像B基坑畸形矫正后图像5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.3监测数据可视化从图像中识别基坑开挖深度，需建立合适三维坐标系，而图像可以看作二维的像素点阵，故需要建立图像二维坐标和三维世界坐标系的转换关系。A基坑坐标系及特征点设置5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.3监测数据可视化根据数字图像的分析识别方法获取A、B基坑定期开挖深度及其相对误差日期识别点1深度/m识别点2深度/m识别点3深度/m记录深度/m平均相对误差9月11日4.894.954.934.981.14%9月22日8.798.988.678.810.038%10月7日13.2413.1013.1712.535.11%日期识别点1深度/m识别点2深度/m识别点3深度/m记录深度/m平均相对误差9月7日---5.39-9月15日9.539.599.468.986.09%10月5日12.6912.7112.7412.105.07%A基坑监测结果B基坑监测结果5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.3监测数据可视化A基坑不同天气下采集图像5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.4监测数据分析预警自动化获取数据筛选：岩土工程中常使用反分析法，即由于某些参数难以获取，故使用实测已知参数分析未知参数。根据贝叶斯反分析方法，需要提取的监测数据包括：基坑开挖深度、基坑最大测斜、基坑最大沉降。阶段日期开挖工况开挖深度/m最大地表沉降/mm最大测斜位移/mm12015年7月9日开始开挖，布监测点00022015年7月16日第一层土方开挖完成1.450.5940.92332015年7月20日第二层土方开挖完成5.651.5601.5642015年7月30日第三层土方开挖完成9.703.2353.21252015年8月5日地层土方开挖完成14.005.6954.069基坑开挖阶段选取5.4基坑工程自动化监测技术应用案例5.4.4监测数据分析预警开挖阶段实测值/mm预测值/mm误差20.594--31.563.49307123.91%43.2354.5576140.88%55.6955.367175.76%开挖阶段实测值/mm预测值