大型基坑自动变形监测系统设计与应用

卢松耀，丘志宇，何显锦

（1.广东有色工程勘察设计院，广东 广州 510080；2.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275）

大型基坑自动变形监测系统设计与应用

卢松耀1，丘志宇1，何显锦2

（1.广东有色工程勘察设计院，广东 广州 510080；2.中山大学 地理科学与规划学院，广东 广州 510275）

基于测量机器人的变形监测逐渐成为行业应用的新趋势。针对大型基坑固有的特点，采用常规观测方法费时费力，难以保障监测精度。在采用混合基准点网布设的基础上，设计了基于测量机器人的大型基坑自动变形监测系统。应用结果表明，该系统实现了自动化、高精度变形监测，实时提交变形监测数据，极大地提高了工作效率，对于类似监测项目具有积极的参考应用价值。

大型基坑；测量机器人；混合基点网；自动变形监测；系统设计与应用

目前，大型城市地铁站、超高层建筑的建设中，基坑开挖深度超过 5 m 的深基坑已成为普遍现象，有些基坑甚至深达20 m[1]。为了保证这些工程建设的质量及施工设施的安全，需对工程建设的施工设施进行变形监测。然而大型基坑由于开挖深度及范围较大、监测点多，采用常规人工观测方法进行支护结构顶部变形监测费时费力，难以保障监测精度，急需一种强有力的测量手段来支持其业务的高效率开展。

测量机器人具有自动寻找、识别和精确照准目标等功能，可在短时间内对多个目标点作持续和重复观测，在结构物外部变形监测方面拥有极大的优势和应用前景[2]，越来越多的学者对其系统设计与应用开展了研究。本世纪初便有学者对测量机器人进行了介绍[3]，随后的研究主要集中在其自动化监测系统的开发设计上及如何与其他监测设备进行联合监测等[4-5]。研究应用领域包括隧道、基坑、大坝等大型工程变形监测[6-8]。然而在环境复杂的大型工程变形监测中，为保证监测精度和工作效率，监测基准点网设计、基准点稳定性检验是2个关键性技术难题。本文针对传统布网的缺陷及测量机器人在监测方面的优势，在采用混合基准点网布设的基础上，设计了基于测量机器人的大型基坑变形监测系统，并用于大型基坑支护结构水平位移、沉降监测，取得了显著效果。

1 关键技术与方法

1.1 基准网的布设

常规基准点网将基准网布设成导线网、边角网、GPS网，定期对基准网进行复测、平差计算，在基准点上设置仪器对邻近基准点作稳定性检查并测量工作基点坐标。由于大型基坑施工围蔽作业及周边环境的限制，常规方法难以实现。利用多点强制自由设站边角交会法建立了混合基准点网[9]，该基准网由基准点和工作基点构成，如图1所示，基准点不设站，工作基准点任意选取，一旦选取，安置强制对中装置（图1中JZ01-JZ06）。混合基点网法布设简单方便快捷，解决了大型基坑复杂环境下基准网建设困难的问题，同时适用于自动化变形监测。

图1 基准点和工作基点布置示意图

1.2 基准点稳定性检验

在变形监测过程中必须保证基准点的稳定性，以确保工作基点和监测点不歪曲。采用组合后验方差检验法[10]对基准点进行稳定性检验。该方法就是通过基准点的各种组合，用后验单位权方差构成统计量进行检验，当统计量大于给定的分位值时，零假设（基准点未显著变动）不成立，可得到显著变动的基准点。需要进行迭代计算，直到检验通过。

1.3 移动式周期监测技术

一般的工程变形监测都是在施工中进行的，常将仪器架设于施工区域，不利于仪器保护，而且当工作基点较多时，采用固定周期监测将投入较多仪器。在符合工程变形监测要求下，为了保护监测仪器与减少仪器投入，选择移动式周期监测。

2 自动化监测系统设计

2.1 监测系统组成

基于自动全站仪的自动变形监测系统，以自动搜索目标的全站仪为测量工具，并配备L型单棱镜，采用自由设站、极坐标测量和边角交会技术，测定各变形点的三维坐标。系统的主要硬件构成如图2所示。

图2 监测系统组成框架图

2.2 自动监测系统软件功能模块设计

GeoBasic集成开发环境是开发TCA全站仪机载软件的二次开发平台，利用此平台开发的自动监测程序可直接在全站仪上运行。文章利用该平台开发了自动变形监测系统，其主要功能如图3所示，有参数设置、仪器初始化、学习测量、自动观测、数据处理和结果输出等功能模块。

图3 自动变形监测系统功能模块

3 自动化监测过程

3.1 外业监测

采用所建立的自动化变形监测系统对基坑支护结构顶部监测点的水平位移量及沉降量进行测量，具体作业步骤如下：

1）连接电脑与自动全站仪，启动自动监测系统软件，在工作基点（如GZ01）上，瞄准基准点JZ01定向，测量JZ02，进行基准点稳定性观测，然后对监测点进行学习测量，并把学习测量结果保存到一个库文件中。以首期得到的基准点坐标为已知值，进行基准点稳定性检验和基准点网平差，在已知点中去除有显著变动的基准点，确定工作基点的坐标。

2）以每期工作基点的实时坐标计算各期监测点的坐标。学习测量只需在第一期监测时进行，以后各期可根据监测点的坐标自动按顺序进行观测。

3）基准点网观测4个测回，监测点观测2个测回。使用自动监测系统软件，每期观测时，只需事先设定好观测时间段、观测周期和监测点组，安置仪器，点击自动测量，即可进行自动观测。

3.2 内业数据处理

利用“科傻”系统[11]及测量机器人变形监测内业软件系统进行内业数据处理，可方便地得到基准网点的平差结果及监测点的三维坐标。进行叠置分析，得出各期变形量和累计变形量，还可以得到每个点上直观的二维或三维图。根据各点的周期监测成果，可以进行建模分析和变形预报，通过变形过程曲线就能清楚地看出变形情况和趋势，并根据设计的警告值，进行模型分析和变形预报。监测单位每天均用电子邮件向建设单位提供每天各点的变形量、累计变形量和简单的分析报告。

3.3 系统应用

1）变形监测结果分析。利用该监测系统对广州某项目基坑进行水平位移和沉降量监测，图4 为WY43～WY46监测点的水平位移曲线图。

从第1期到第40期其变形都很小，由于该部位支护结构渗水、涌沙等原因，附近路面产生塌陷，锚索拉力减弱，地下水位下降过快。在40期以后，累计位移量增大，累计位移量最大值为10 mm，有一种趋势性的变形。第80期采取喷浆、封堵、回填及加固措施后，变形缓慢，变形量在可控范围。随着时间的推进，变形逐渐放慢，对支护结构安全不造成影响。同样，可绘制沉降变形过程曲线图。由各监测点的沉降变形过程曲线看，支护结构顶部随基坑开挖，开始时沉降量较小，随着开挖深度的增加沉降量增大，开挖完成进入地下室施工后，沉降变化量越来越小，从而累计沉降量趋于稳定，所有支护结构顶部监测点累计沉降量最大值为9.2 mm（WY43点）。

图4 WY43～WY46水平位移的变形过程曲线

表1 自动化监测系统监测精度统计表

注：基坑X方向为垂直于基坑长边向北方向，Y方向为平行于基坑长边方向，Z方向是竖直向下方向。

监测精度计算公式为：

式中，v为与均值的差值。

4 结 语

采用了混合基点网布设方法、基准点稳定性的组合后验方差检验法、移动式周期监测技术，设计了基

2）监测效率与精度分析。通过与传统的监测方法对比，采用该系统的监测时间约为人工监测的1/4。相关的研究也表明[7]，基于测量机器人的变形监测系统能显著地提高工作效率。在监测精度上，水平方向变形量X、Y及垂直方向变形量Z分别为±0.66 mm、±0.56 mm、±0.66 mm（见表1），均达到设计要求（1 mm）。于测量机器人的大型基坑变形监测系统，并将该变形监测系统应用于广州某大型基坑支护水平位移、沉降的变形监测。监测过程及结果表明，该系统实现了自动化、高精度变形监测，实时提交变形监测数据，极大地提高了工作效率，对类似监测对象有较高的参考应用价值。

[1] 姚黔贵.城市深基坑变形监测的实施[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2005,34(2)：96-99

[2] 卫建东.基于测量机器人的自动变形监测系统[J].测绘通报,2006(12)：41-44

[3] 张正禄.测量机器人[J].测绘通报,200l(5)：17

[4] 梅文胜,张正禄,郭际明,等.测量机器人变形监测系统软件研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2002,27(2)：165-171

[5] 梅文胜,刘涛.TS30/TM30测量机器人变形监测系统研究[J].测绘地理信息,2014,39(2)：45-48

[6] 梅文胜,陈雪丰,周小波,等.盾构下穿既有隧道实时监测及其风险控制研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2011,36(8)：293-297

[7] 庞红军,卫建东,黄威然.基于测量机器人的深基坑围护结构变形监测技术探讨[J].隧道建设,2012,32(4)：552-556

[8] 陈雪丰,陈卉君,刘旭辉.地铁车站基坑信息化施工监测体系的研究[J].测绘地理信息,2013,38(2)：35-45

[9] 梁龙昌,卢松耀,卢凌燕.典型工程变形监测的一种新方法及应用研究[J].测绘科学技术,2014,2(3)：31-33

[10] 张正禄,沈飞飞.地铁隧道变形监测基准网点确定的一种方法[J].测绘科学,2011(4)：98-99

[11] 张正禄,罗年学.CoSA_CoDAPS及在精密控制测量数据处理中的应用[J].测绘信息与工程,2010(2)：52-54

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1672-4623（2016）08-0081-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.027

卢松耀，高级工程师，主要从事变形测量、控制测量、地形测量等工作。

2015-02-28。