基坑变形监测的自动化建设

张鸣宇 王绍君



基坑变形监测的自动化建设

张鸣宇 王绍君

（昆明市测绘研究院 云南昆明 650091）

监测自动化是集成了工程测量技术、计算机程序语言、数学、统计学、网络技术为一体的作业系统。目的是从外业监测数据采集到内业数据处理，再到输出监测成果，都能快速反应。能够通过分析监测数据的变化情况，建立起分析预测模型，从而输出较为合理的预测值，以此判断基坑变化情况的发展方向，作为应对各种突变情况时，进行决策的理论依据。

基坑 变形监测 自动化

1 引言

随着城市建设的速度和规模的继续扩张，城市监管部门势必要对建设工程开展过程中的各个环节加强监管力度，无论是从施工安全还是从规划核实等方面都需要各种测量数据成果用作监管依据。目前，城市建设工程中，各种建筑结构都包括必要的基坑工程，通过开挖深基坑来扎实建筑物基础和扩展地下利用空间。基坑变形监测工作，在各个层面来说都将是一项重要工作，其监测成果数据能作为基坑支护稳定情况的判断依据，以保障施工的安全，变形监测工作也将成为施工安全监管的重要手段。

基于基坑变形监测工作的继续发展，有必要将该工作更加详尽地细节化，之后流程化、最终自动化，从而可以快速地进行监测工作，将监测数据的采集工作、处理和分析工作整合起来，将成果准确高效的反馈出去，作为实时判断基坑是否处于安全状态的准确依据。

2 基坑变形监测自动化的意义

监测自动化是集成了工程测量技术、计算机程序语言、数学、统计学、网络技术为一体的作业系统，目的是从外业监测数据采集到内业数据处理，再到输出监测成果，都能快速反应。能够通过分析监测数据的变化情况，建立起分析预测模型，输出较为合理的预测值，从而判断基坑变化情况的发展方向，作为应对各种突变情况时，进行决策的理论依据。

自动化流程的建立，能够帮助我们将监测工作从外业测量到内业数据处理的整个过程清晰地梳理出来，通过必要的技术改进和规范流程，确定出其作业过程的必要性和可操作性，逐一完善每一个细节的工作，最终快速合理地从监测数据中提取出有价值的数据分析成果。

另外，变形监测的自动化可以体现出监测工作的科技含量，用计算机程序语言，开发出适合自己运用的应用程序；用数学的方法，建立起数据分析模型，用网络技术，整合实时的成果反馈给用户。这样可以减少人工处理数据的繁琐，避免失误和错误，提高监测数据的准确度，同时，将成果发布到专有的网络平台，不但可以降低普通监测快报的纸张成本、人工成本，还可以给用户以良好的用户体验，体现出监测工作的科技含量，传达给用户更多的可靠性和安全性，从而提升在市场的竞争力。

3 自动化操作流程

自动化操作流程，即是将从外业数据采集到内业数据处理再到成果反馈三大部分综合起来，以流水作业的方式，分别完成各项工作，实现最终输出的过程，如图1所示：

4 自动化数据采集及处理

4.1 监测点竖向位移的数据采集处理

竖向位移数据的采集按照监测等级划分为一级、二级和三级，通常均使用电子水准仪以邻近基准点为起点，按垂直位移监测三等的要求与各观测点及基准点形成闭合水准路线的方法来进行观测。观测点每站高差中误差≤0.3mm，闭合路线闭合差≤0. 6mm（n为测站数）。测量完成后通过水准平差软件进行测量精度评定后输出成果，输出字段名称、点号、本次测试值(m)、单次变化量(mm)、变化速率(mm/d)、累计变化量(mm)等字段成果，以供分析。

4.2 监测点水平位移的数据采集处理

水平位移数据的采集工作受到测量环境的限制，容易被遮挡，且测量外符合精度受影响因素较多，宜采用边角网测量交汇的方式，与固定的通视情况较好的基准点联系，建立独立坐标系后经过平差后得到任意设站工作点的平面坐标，再采用极坐标的方式，设置多测站进行观测后获取平面坐标位置的均值来进行成果比较，分析各监测点变化情况。

由于现场平差工作点坐标成果不利于提高工作效率和自动化进程，可采用例如TCA2003型号的全站仪进行观测，其优点是全站仪可以自动旋转照准目标进行观测和记录，可通过上载程序，交互式地完成基准点测量后对其余监测点进行多测回观测，测量速度快且精度高。缺点是需要对每一个设计好需要观测的监测点在开始进行测量前，放置好棱镜反射目标以等候观测。

另外监测点的设立及棱镜放置的位置为了确保固定，去除放置棱镜时的对中误差，理想的方式是将棱镜的连接杆直接预埋设于需要监测的边坡或冠梁当中，那么每次安装棱镜时将能确保位置的准确性。此方法虽然前期监测点预埋工作较为繁琐，且需要多个棱镜参与现场观测，但却能十分有效地提升测点精度及工作效率，保证了测量成果的准确性。

后期监测成果的变化情况，较为重要的信息是需要明确监测点位偏移的方向，即判断监测点位是向基坑内倾斜还是向基坑外倾斜。由于基坑边的不规则性限制，一般不能直接通过监测点坐标的变化来判断上述变形情况，所以可选用基坑各边的趋于一致的规则线性关系建立基坑各条边的线性函数，通过分析各监测点坐标成果相关于各函数边的向量关系来得出监测点各监测周期的偏移量和偏移方向。

综上所述，监测点位的外业监测可自动化快速测量，内业数据处理可根据建立好的数据计算和分析模型统计出各关键监测数据字段，字段包括：字段名称、点号、X测试值、Y测试值、单次变化量(mm)、变化速率(mm/d)、累计变化量(mm)。

4.3 其他监测装置的数据采集处理

1） 深层土体位移监测

深层土体的位移监测要通过预埋测斜管后使用专业测斜仪进行各层土体的水平位移量观测，且测斜仪的轨道槽需正对基坑开挖的方向，以确定测试值的向量偏移方向是与基坑边线垂直的，以分析开挖后深层土体的移动方向来判断基坑支护是否处于安全状态。内业使用配套软件计算分析测量数据，也可通过获取各层次的读数值、通过编写软件模块进行计算和数据管理，其字段包括：字段名称、孔号、(1)深度、(1)正、(1)负、……、(n)深度、(n)正、(n)负。

2） 水位变化监测

水位监测同样是需要预埋测水孔，其预埋深度和测斜孔的预埋深度基本一致，通过确定管口的高程基准，记录每监测周期地下水位的变化情况，判断土体保水情况，根据监测数据变化规范衡量基坑支护是否安全。内业数据处理和竖向位移监测关键字段相似，包括：字段名称、孔号、本次测试值(m)、单次变化量(mm)、累计变化量(mm)。

3） 应力监测

应力监测包括支护桩应力监测和锚索应力监测，需要预埋应力传感计，通过读数仪计算或直接读取每次应力变化进行数据分析。内业根据应力监测的值，分析其每次监测周期应力的变化情况，主要用于判断具体支护结构如冠梁、支护桩是否应力过于紧张或松弛，从而判断支护是否安全。其监测成果关键字段包括：字段名称、传感器编号、本次测试值(KN)、单次变化量(KN)、累计变化量(KN)。

4.4 整合监测软件系统的现实意义及一般需求分析

将上述各监测环节通过技术整合后，建立起监测数据基础数据库，存储各周期监测数据，制作专业监测软件系统，最终实现统筹全部监测环节，快速输出监测数据和分析成果、相关专业报表，网上发布成果报表等工作，从而可避免内业人工统计和处理数据出现的各种错误，提高解算效率，方便储存和管理各监测内容监测数据，能够及时反馈给用户监测情况，方便查询各监测周期监测情况，较容易制作阶段性的和总结性的报告。其显示意义不但可以提升自身监测工作的科学技术含量，也能方便地储存、管理、检查监测各个环节的监测数据，还可以给用户以良好的用户体验。

结合上述情况，需要建立适合于监测系统调用的数据库，以存储各阶段各监测点位的监测数据成果，综合数据处理的需求，开发一套监测数据软件系统，使技术人员可以方便的存储监测数据，快速地实现上述功能。

4.5 自动化分析预测模块

在数据库建立和监测软件系统制作完成后，为了满足市场需求，需要对成果数据建立适合实际情况的预测分析模型，制作预测分析函数模块，加载到监测软件系统当中，用于预测基坑变形量值以辅助用户做出应对决策。综合现在的研究方向来看，预测分析模型主要有灰色GM(1,1)模型、曲线拟合模型、BP网络模型，而BP网络神经元模型是较为理想的基坑变形预测模型，具备了预测和分析的能力，基坑的变形监测工作将更具有科学依据，同时，根据预测成果，能够更为有效地预测基坑的变化情况，确保安全预警和报警的可靠性，为支护安全提供保障，竖立起变形监测工作的必要性。

5 自动化成果

为了能给客户以良好的用户体验，能够为监测工作实施单位降低人力和办公资源成本，自动化的成果输出将会较为理想地解决上述问题，快捷高效的反馈给用户监测结果，能够方便地整理各项监测报表，可以输出电子报表发送给用户，让用户可以通过互联网实时的查询监测数据，打印监测快报，形成一套良好的作业流程系统，自动化成果的意义尤为可见。因此，基于互联网技术，在监测数据处理完成之后，通过专有互联网平台发布和更新监测成果，给出预测和评价，将是体现自动化成果价值的重要组成部分。自动化成果的作用原理如图2：

6 结束语

基坑变形监测的自动化，是对各监测项目统一管理，是集成了存储监测数据、处理分析监测数据，输出监测成果为一体的监测系统，是处理繁琐监测工作各环节的一套行之有效的解决方案，具备诸多优势。建立这样的系统，能够整合有限的资源，以高效的方式完成各种规模的基坑监测工作，能够将作业流程清晰化，系统化，易操作化，能够帮助拥有自动化监测系统的单位在基坑变形监测项目市场中具备有更大的优势，以达到较好的市场效益。

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