陸召春

摘 要：首先對自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測作業(yè)時的要素以及精度可靠性進行分析，之后介紹了整體監(jiān)測方案的構(gòu)成。在此基礎(chǔ)上，圍繞尺度變形、水平位移兩項深基坑監(jiān)測作業(yè)的可靠性進行了驗證分析，供參考。

關(guān)鍵詞：自動化監(jiān)測系統(tǒng);深基坑監(jiān)測;尺度變形;水平位移

中圖分類號：TU4333 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）05-0103-03

0 引言

深基坑是指開挖深度至少達到5 m，或者是深度未達到要求，但工程所在地的地質(zhì)條件以及周圍環(huán)境、地下管線構(gòu)成等均十分復(fù)雜的工程。深基坑監(jiān)測是深基坑工程施工中的一個重要環(huán)節(jié)，在基坑開挖、防護系統(tǒng)搭建的過程中，為盡量提高工程隊的安全程度，需要對基坑及鄰近區(qū)域黨的巖土形狀、支護結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變形、環(huán)境條件的變化情況等進行全方位的觀察以及分析。只有充分掌握相關(guān)信息，才能精確指導(dǎo)深基坑相關(guān)設(shè)計與施工。為達到上述目的，探索自動化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性甚為必要。

1 基于自動化監(jiān)測系統(tǒng)開展深基坑監(jiān)測工作的要素及精度可靠性分析

1.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成

在自動化監(jiān)測系統(tǒng)中，全站儀等測繪設(shè)備是最主要的功能性設(shè)備，可以測量水平角、垂直角、斜距、平距、高差，是一種集多種測繪功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)[1]。在應(yīng)用于深基坑監(jiān)測相關(guān)作業(yè)時，自動化監(jiān)測系統(tǒng)一般以全站儀作為核心設(shè)備，以光學(xué)/電子經(jīng)緯儀等設(shè)備為輔助。設(shè)備連接后，可將全站儀自帶的測量光學(xué)刻度盤替換為光電掃描刻度盤。以此為基礎(chǔ)，人工光學(xué)測微讀數(shù)的環(huán)節(jié)會被替換為自動記錄及讀數(shù)顯示，可大幅度降低包含深基坑角度測量在內(nèi)的監(jiān)測工作的復(fù)雜程度。此外，出現(xiàn)讀數(shù)誤差的幾率也較低。有研究顯示，在深基坑監(jiān)測作業(yè)期間，只需將全站儀等設(shè)備安裝在既定位置（測站）后，便可實現(xiàn)對整個深基坑的監(jiān)測。

除了核心設(shè)備之外，云計算、局域網(wǎng)/通訊網(wǎng)等多網(wǎng)無縫連接等技術(shù)的應(yīng)用，共同構(gòu)成一套完整的智能基坑在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)邮┕がF(xiàn)場進行實時監(jiān)測。根據(jù)組網(wǎng)規(guī)模的大小，最小可只圍繞一個基坑及附近一定范圍內(nèi)進行檢測;最大可同時容納數(shù)以萬計的橋梁、隧道、邊坡等結(jié)構(gòu)物進行監(jiān)測，形成大區(qū)域性結(jié)構(gòu)監(jiān)測平臺，并對所監(jiān)測的內(nèi)容進行統(tǒng)一管理。

1.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測時的精度控制

使用監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成的自動化監(jiān)測系統(tǒng)開展深基坑監(jiān)測作業(yè)時，必須提前設(shè)置好觀測站的位置，之后需要將監(jiān)測設(shè)備安裝在觀測站之上。但此時還不能立刻開展監(jiān)測作業(yè)，而是需要對自動化監(jiān)測系統(tǒng)的精度進行檢驗。如基于全站儀和經(jīng)緯儀的自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測深基坑時，采用的方法為“全圓單測站觀測”。

此種方法是劃屬“方向觀測法”，主要流程為：在監(jiān)測前需對儀器設(shè)備進行歸零處理，之后開展觀測。適用的環(huán)境為：測站待測方向數(shù)量超過3個但沒有超過6個。如果待測方向少于3個或多余6個，則應(yīng)該使用簡單方向觀測法以及分組方向觀測法）。具體的操作原理為：將2個或以上的方向設(shè)置為一組，之后從起始方向開始，沿著水平方向進行觀測。待到正鏡和（或）倒鏡處于半測回的狀態(tài)時，將儀器設(shè)備調(diào)整至照準方向并讀數(shù)[2]。

應(yīng)用自動監(jiān)測系統(tǒng)時，首先需要將儀器架放置于選定的觀測墩上。經(jīng)過多次預(yù)監(jiān)測比對，發(fā)現(xiàn)中誤差（測量中按照有限次觀測的偶然誤差，最終求得的標準差。）幾乎不存在，對監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生的干擾微乎其微，故無需納入分析。具體的中誤差排除過程為：在監(jiān)測工作開展之前，需在深基坑監(jiān)測工作區(qū)內(nèi)完成三維空間坐標監(jiān)測體系的設(shè)置。以監(jiān)測設(shè)備所處位置設(shè)置為原點，長度（X）、寬度（Y）、高度（Z）三項坐標值均為0，原點以O(shè)表示。隨機選擇深基坑內(nèi)一個點位，以P表示。通過監(jiān)測設(shè)備測量角度，得到的結(jié)果分別為：原點O與P點之間的水平角度為α，垂直角度為β，斜距為L。代入數(shù)學(xué)關(guān)系，求得P點的橫向（平面）、縱向（平面）、縱向（立體），即分別對應(yīng)X、Y、Z的具體坐標值分別為：Xp=L·cosα·cosβ，Yp=L·sinα·cosβ，Zp=S·sinβ。根據(jù)初中數(shù)學(xué)三角形邊角關(guān)系定理，根據(jù)上述已知條件，能夠推導(dǎo)出原點O與目標監(jiān)測點位P之間的水平距離T=S·cosβ。至此階段，根據(jù)上述所有條件，可以對α、β、L等數(shù)值進行全微分及轉(zhuǎn)換計算，最終求得P點的平面精度為：

m2=cos2β·mL2+（L/β）2·mα2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

公式（1）中的m便是側(cè)邊中誤差。根據(jù)（1）的顯示結(jié)果可知，角度測量精度、距離測量精度是決定目標監(jiān)測點點位中誤差的兩個重要原因?；诖?，只有將上述兩項內(nèi)容互相匹配，才能使測量精度有效提升。在此基礎(chǔ)上，可使用matlab軟件對測量系統(tǒng)的精度進行三維仿真評估，基于監(jiān)測設(shè)備觀測得出并進行計算的結(jié)果，即“中誤差”，與直接觀測值進行對比時，描述的內(nèi)容便是“觀測值質(zhì)量”，而這個比值可稱之為相對中誤差。結(jié)合上文所述可知，相對中誤差與實際誤差（真誤差）并不是一個概念，可視之為實際真誤差的一組代表值。中誤差越小，說明測量結(jié)果的精度越高。實際監(jiān)測出的結(jié)果進行計算之后，目標測量點P的平面鏡度最高值為±0.8245 mm，遠遠低于深基坑二級變形量位移監(jiān)測要求中有關(guān)中誤差的允許區(qū)間±3.0 mm這一標準。該結(jié)果說明，自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測工作時，精度高，誤差微乎其微，可保證監(jiān)測結(jié)果的準確性。

1.3 評估自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測穩(wěn)定性時的注意事項

評估自動監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測穩(wěn)定性時，一般采用的方法為：將自動監(jiān)測系統(tǒng)收集到的多組數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測收集到的多組數(shù)據(jù)分別進行平均值計算之后，加以比對，根據(jù)數(shù)據(jù)的趨勢變化情況，總結(jié)出規(guī)律，最終形成結(jié)論。這種評估方法應(yīng)用范圍較為廣泛，最終結(jié)果的可參考性較強。然而，如果監(jiān)測對象是深基坑，則采用上述方法進行評估時，還需注意下列事項：

其一，深基坑開挖作業(yè)一般不會選在凌晨，且凌晨的溫度處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，從理論上看，凌晨是自動監(jiān)測和人工監(jiān)測工作開展的好時機。但必須注意的一個問題是，專用于深層水平位移的自動化監(jiān)測設(shè)備在深基坑周圍合適位置完成布置安裝之后，對應(yīng)的監(jiān)測點很可能無法采用常規(guī)的人工監(jiān)測方法開展相應(yīng)的人工測量作業(yè)?；诖?，需要在埋設(shè)測斜管階段，便在自動化監(jiān)測點旁邊選擇合適位置，提前設(shè)置人工監(jiān)測點。

其二，自動化監(jiān)測過程的連續(xù)性是人工監(jiān)測不具備的優(yōu)勢。因此，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)相較于人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出的曲線更加平滑。但這并不代表自動化監(jiān)測結(jié)果不會出現(xiàn)任何偏差。如監(jiān)測期間如果發(fā)生傳感器電力不足的情況，監(jiān)測結(jié)果便有可能出現(xiàn)異常?；诖耍诜治鼋Y(jié)果時，首先應(yīng)該將偏差較大的結(jié)果予以排出，圍繞其余結(jié)果進行趨勢分析及比對。

2 整體監(jiān)測方案設(shè)計

整體監(jiān)測方案設(shè)計方面，選擇的深基坑工程項目的一般情況為：施工所在地位于城市中心區(qū)域，周圍建筑環(huán)境相對密集，可控程度較低，如果采用人工監(jiān)測方式，不僅難度較高，測量過程中發(fā)生意外的概率較大。因此，將監(jiān)測設(shè)備架設(shè)在位于基坑南側(cè)的某高層建筑樓頂，在此處設(shè)置觀測站。選擇該位置的原因在于，能夠有效降低施工場地內(nèi)各項設(shè)備對自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測視線造成的干擾。此外，在周邊臨近的3棟樓的合適位置設(shè)置3個固定的棱鏡，以此作為后視點，最后完成基準網(wǎng)的建設(shè)。上述準備工作全部完成后，還需沿著深基坑的邊坡頂端區(qū)域設(shè)置多個監(jiān)測點（具體達到18個），整體呈現(xiàn)出“L”形，彼此之間的距離統(tǒng)一調(diào)整為15 m。

在監(jiān)測工作開展期間，每一天都需要在相同時間對相同的監(jiān)測點進行監(jiān)測。自動監(jiān)測完成后的第一時間，立刻對剛剛結(jié)束自動測量的監(jiān)測點位進行人工測量。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測工作中的實測可靠性驗證

3.1 尺度變形監(jiān)測相關(guān)的可靠性分析

根據(jù)上文所述的監(jiān)測方案可知，由于設(shè)備自動化監(jiān)測以及人工監(jiān)測之間幾乎不存在時間差，故監(jiān)測點位周圍環(huán)境、深基坑內(nèi)的工程進展情況幾乎不會發(fā)生明顯變化。上述情況意味著自動化監(jiān)測及人工監(jiān)測的對象是完全相同的，所有測量點之間均處于穩(wěn)定狀態(tài)。以點帶面，深基坑邊坡頂處的所有監(jiān)測點位，相鄰兩點之間的距離會維持15 m的恒定狀態(tài)。隨機選取其中的兩個點位，圍繞自動測量長度、人工測量長度進行比對分析，并計算出每次的差值。10次監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1顯示的結(jié)果可知，在隨機所選擇編號為N1和N5兩個監(jiān)測點位后，共計10次基于監(jiān)測設(shè)備的自動測量絕對距離長度與人工測量絕對距離長度結(jié)果相比，差值均體現(xiàn)在小數(shù)點后四位。該結(jié)果表面看來，在絕對距離長度方面，自動測量與人工測量之間的差值微乎其微。深層分析結(jié)果顯示：由于兩種測量方式均為“等精度觀測”，故應(yīng)用邊長中誤差計算公式（下式中d為兩種測量方法獲得的絕對距離長度差值，n表示觀測次數(shù)）。

（2）

經(jīng)過計算后可知，自動化監(jiān)測系統(tǒng)在監(jiān)測深基坑作業(yè)時，在數(shù)據(jù)獲得方面與人工測量方式相比，二者之間的誤差極小，均處于中位差允許范圍之內(nèi)，故數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較強，意味著在尺度變形監(jiān)測相關(guān)的可靠性較高。

3.2 水平位移監(jiān)測相關(guān)的可靠性分析

在水平位移監(jiān)測方面，采用的方法為：在持續(xù)30 d時間內(nèi)，每天上午9：00開始，同時采用自動化監(jiān)測以及人工監(jiān)測方式，完成對某個監(jiān)測點位水平位移（坐標）的監(jiān)測。將相關(guān)結(jié)果導(dǎo)入matlab軟件，就坐標監(jiān)測變化情況生成對應(yīng)的曲線。具體如圖1所示。其中，細曲線及點位代表基于自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)據(jù);粗曲線及點位代表人工監(jiān)測方式獲取的數(shù)據(jù)。需要注意，一些離散程度較高的點位表明監(jiān)測誤差較大，故沒有選為曲線經(jīng)過區(qū)域。從圖中顯示的曲線來看，兩種方式最終呈現(xiàn)出的結(jié)果均表明：深基坑的側(cè)壁在水平方向朝著東北方移動。但細曲線的整體變化趨勢相對平緩，且點位分布情況的合理性更高。粗曲線及點位的分散程度較高，表明測量結(jié)果的精確程度遠遠不如細曲線。具體的數(shù)值為：自動測量結(jié)果中，相鄰觀測點位的位移量非常低，最大值并沒有超過1 mm，速率變化值在2 mm/d之下。該結(jié)果并沒有超過水平位移監(jiān)測規(guī)范報警臨界值[3]。而人工測量結(jié)果顯示，監(jiān)測點位水平位移差更改幅度較大，最大位移量已經(jīng)達到1.5 mm（與自動監(jiān)測相比，差值達到0.5 mm，這一數(shù)據(jù)表明差異極大）。總體而言，基于自動化測量系統(tǒng)在監(jiān)測深基坑目標點位水平位移（坐標變化情況）時，所獲得的數(shù)據(jù)之間差值較小，且整體變化趨勢較為平穩(wěn)，更加符合實際情況。而人工操作設(shè)備進行監(jiān)測時，獲得數(shù)據(jù)具有更大的“跳脫性”，在一定時間內(nèi)呈現(xiàn)出忽高忽低的變化情況，這并不符合實際情況。

4 結(jié)語

綜上所述，自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測工作時，如果在排除外界干擾的情況下，相鄰兩次監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)差值并不大。如果深基坑存在定向位移情況，則自動化監(jiān)測結(jié)果能夠如實呈現(xiàn)出這種位移的變化趨勢，監(jiān)測結(jié)果符合客觀規(guī)律。相較而言，人工測量方式在基坑情況發(fā)生變化時，所獲得的結(jié)果跳躍性較大，表明一些監(jiān)測結(jié)果的誤差較大。由此可見，自動化監(jiān)測方式的可靠性更強。

參考文獻

[1] 劉輝喜，張澤輝，史豪杰.基于GIS技術(shù)的城市明挖隧道深基坑支護施工安全監(jiān)測方法[J].粉煤灰綜合利用，2021，35（6）：58-63.

[2] 馬濤，趙彥軍，張偉.自動化監(jiān)測系統(tǒng)分析深基坑監(jiān)測的可靠性[J].北京測繪，2019，33（11）：1356-1359.

[3] 王宇，王鵬，李銘，等.自動化監(jiān)測系統(tǒng)在深基坑監(jiān)測中的可靠性分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（3）：222-224.