一种自研倾角仪在变形监测中的应用

■ 文/王耀鑫 魏澄澄 吴 刚 赵影妮

随着经济社会的发展及城市化进程的加快，城市建筑对地下空间的开发利用逐渐加强，越来越深的基坑工程在给城市带来宝贵建筑空间的同时，与基坑有关的安全事故也时有发生，因此对于基坑变形监测的实时性也有了更高的要求。另外一些城市建筑受限于场地条件，完工后留下的永久性挡土墙及边坡，其健康安全监测也愈发引起人们的重视。

现代科学技术飞速进步，极大地促进了变形监测技术手段的更新换代，以静力水准仪、倾角仪为代表的监测传感器的研发与迭代升级，从成本及现场实施方面，为基坑及永久性挡土墙的自动化监测带来了机遇。

1 工程背景

项目位于西安市雁塔区，项目建设完成后留下长约400m的永久性混凝土挡土墙，挡土墙内部为项目内部道路，挡墙外部为城市预留建设用地，挡墙高度3.5～15.2m。

考虑到挡土墙的结构安全，拟对挡土墙进行变形监测，受限于项目绿化及周边环境影响，传统人工监测手段实施难度较大且精度难以保证，经与建设方讨论，采用倾角仪对挡土墙进行自动化实时监测。

2 自研倾角仪原理

2.1 倾角仪原理

倾角仪一般安装在刚体建筑物的顶部，以建筑物底部为参考点，因此倾角是以参考点为支点的倾斜角度，再通过几何关系可知顶部水平位移量。原理如图1所示。

图1 倾角仪原理图解

计算方式：

X=tanθ×H

其中：X 为水平位移，mm；θ为倾斜角度，°；H 为监测物底部到倾角仪的高度，mm。

2.2 自研倾角仪

JK-QJ-01 有线倾角仪是基于RS485 传输技术的高性能倾角传感器（见图2），精度高、稳定性好，适用于工民用土建基坑、建筑、道路、桥梁、隧道、路基、等倾斜变化量的测量，及长期测量混凝土大坝、面板坝、土石坝等水工建筑物，便于实现测量数据的自动化采集。

图2 倾角仪照片

产品结构紧凑，体积小，安装维护简单，抗干扰能力强，有线传感器节点可以组成庞大的监测网络，支持上百个测点同时进行倾角监测，配套专业的电脑或手机软件，可实时数据测量和记录。

倾角仪采用航空插头连接，通过RS485 标准接口将多单元传感器串联，利用4G/5G 无线网络将数据传回云平台。通过云计算和大数据分析，对测量对象进行实时监控。功能及组网拓扑见图3和图4。

图3 倾角仪系统功能简介

图4 倾角仪组网拓扑图

3 测试及安装

倾角仪在现场安装之前该进行出厂前测试，主要测试其数据采集稳定性，数据传输稳定性等，测试合格后方可进场安装。为充分掌握挡墙变形规律，在挡土墙高度较高区域采用双排布点，在挡土墙较低区域采用单排布点，双排布点时同一断面上下两个点位一一对应，高差3m。安装时采用伸缩梯及高空悬掉相结合的方式，在挡土墙预定位置钻孔，固定倾角仪，连接线缆，安装完成并测试正常后将其接入控制箱，至此现场安装工作完成。

布点时应采取充足的安全措施保证人员安全，具体布点如图5所示。

图5 倾角仪布点示意图

4 数据传输与处理

安装完成后，量取各倾角仪距离地面高度，将其参数与倾角仪一一对应输入云平台。在后台设定数据采集间隔，之后倾角仪通过控制箱里面的DTU 将采集到的数据传输至云平台，通过计算得到各监测点的水平位移变化情况。

5 数据分析对比

为便于分析对比，选取同一时间段变形较明显区域的同一断面监测点进行变形情况分析，分析对比结果如图6和图7所示。

图6 P3、P18号点2021年10月1-31日累计位移量分析对比图

图7 P4、P19号点2021年10月1-31日累计位移量分析对比图

同一断面监测点累计位移量变化趋势基本一致，整体吻合性较高，数据较为稳定和平滑。其中P3、P18 号点同期累计位移量差值为2.50～5.23mm，P4、P19 号点同期累计位移量差值为2.31～4.79mm；由P3 点累计位移量推算得知挡墙倾斜率为0.72‰～1.12‰，由P18 点累计位移量推算得知挡墙倾斜率为0.62‰～1.00‰；由P4 点累计位移量推算得知挡墙倾斜率为0.86‰～1.22‰，由P19 点累计位移量推算得知挡墙倾斜率为0.84‰～1.12‰。

为验证倾角仪监测成果，在P3 点及P4 点对应挡土墙顶部布设了人工变形监测点进行对比验证，根据现场条件，采用极坐标法对人工变形监测点进行监测，同期人工监测成果与倾角仪监测成果对比如图8所示。

图8 倾角仪与人工监测点2021年10月1-31日累计位移量分析对比图

从图8可看出，人工监测成果与倾角仪监测成果基本一致，累计位移量互差均小于2mm，鉴于人工监测受时间频次等影响，其数据连续性劣于倾角仪监测。

6 完善措施

（1）项目实施过程中部分倾角仪发生故障导致设备更换，反映了倾角仪稳定性不足。目前通过改进生产工艺，严控生产流程等措施，已得到很好解决。

（2）在安装对象周边环境复杂时，线缆连接较为困难，人员安全风险较高，设备维护不便。目前通过研发新型无线式倾角仪，太阳能电池板及内置电源结合供电的方式得到解决。

（3）数据积累少，温度气压改正模型及改正参数有待进一步优化改进。目前通过已运营项目积累海量数据，对改正模型及改正参数进行进一步优化。

（4）受限于现场条件，人工监测的频次不高，精度有限，与倾角仪监测成果对比不够充分，后期应加强人工监测与倾角仪监测的系统化对比验证。

7 结语

通过此项目，积累了倾角仪应用于建筑变形监测的经验，验证了倾角仪应用于建筑变形监测的可行性，其监测实时性相较于传统人工监测有极大的优越性，能及时发现问题并及时预警。随着产品的迭代升级及技术进步，相信倾角仪在变形监测领域会有更广阔的应用前景。