CN106638728A - 一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法，包括：将多个第一光纤传感器设置于深基坑周边地表上的测点处，以对基坑周边地表的沉降进行实时的感知，将多个第二光纤传感器以水平贯穿且成对的方式设置在深基坑内混凝土支撑内部的上方和下方，以获取混凝土支撑上下表面的应力和应变，将多个第三光纤传感器沿深基坑的深度方向设置于地下连续墙的内部，以获取地下连续墙的应力和应变，并将获取的数据发送到数据分析与指令发布装置，数据分析与指令发布装置判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态，如果是则向无人机发送病害检查指令。本发明能够保证深基坑监测的实时性与全面性，以及病害检查的及时性、精准性与安全性。

Description

一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法

技术领域

本发明属于基坑工程领域，更具体地，涉及一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法。

背景技术

随着城市化的进程不断推进，我国的地上土地资源越来越少，于是纷纷将目光转向了地下空间。近年来，城市轨道交通的大力发展，城市出现了越来越多深度很深、跨度很大以及开挖速度很快的深基坑工程，城市内深基坑工程施工阶段除了受其“深、大、快”的自身特点影响外，由于临近高大建筑物、深基坑挖出的土体未及时运走堆在深基坑周边以及自身施工质量不过关等各因素影响，深基坑工程施工的安全事故频频发生，其导致的人员死伤、直接经济损失以及社会负面影响均是十分巨大。因此，对于深基坑工程施工阶段进行实时的预警感知与病害及时检查，实现安全风险扼杀在摇篮之中具有很重要意义。

目前，对于深基坑工程施工阶段，主要通过对深基坑周边地表沉降、地下连续墙变形以及支撑构件的应力等进行监测来掌握深基坑的安全状态，监测方式多为人工利用传统仪器设备进行定期的数据采集(通常为1到两天一次)。例如：地表沉降通过水准仪进行测量，地下连续墙变形通过测斜仪进行数据采集，而混凝土支撑则是通过事先在钢筋处预埋应力计，然后定期用频率仪连接裸露在混凝土外的线头进行数据的获取。采集的数据经监测人员上传至预警平台后，现场巡视人员查看数据，若发现数据异常的情况则前往现场对深基坑进行全方面的排查工作，找到数据异常的原因。

然而，现有的数据监测与病害检查方法存在一些问题：1、由于其采用人工数据采集，从数据获取到数据被传至预警平台，再到现场巡视人员查看数据发现问题，整个过程耗费的时间较长，而在这段时间结构的变形可能进一步加大，会与现场巡视人员手中的监测数据不匹配，存在严重的监测滞后性，影响深基坑安全风险的判断；2、由于深基坑很深，跨度很大，现有方法单纯是凭借现场巡视人员的肉眼进行病害检查，容易出现无法近距离观察到的位置，这些位置若出现安全隐患，则很容易被忽略；3、传统的监测手段仅能获取关键点的监测数据，存在感知的盲区，不利于深基坑监测的完整性；若加大测点的布置数量，又会导致监测成本大幅增加；4、现场巡视人员对存在安全隐患的位置无法快速精准地定位，导致分析判断存在误差；5、若存在的安全隐患过大，指派现场巡视人员下深基坑进行检查无法保证其人身安全；6、随着深基坑开挖的越来越深，地下连续墙的深度也会随之增加，当出现局部地下连续墙变形过大，测斜仪则会难以下放或难以上提，这不仅会导致设立的测点失效，监测设备本身也可能报废。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法，其目的在于，解决现有方法中存在的严重滞后性、某些位置无法被近距离观察引起的不准确性、存在感知盲区引起的不完整性、无法快速精确定位安全隐患的位置、无法保证现场巡视人员人身安全的技术问题，本发明的方法能够保证深基坑监测的实时性与全面性，以及病害检查的及时性、精准性与安全性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法，包括以下步骤：

(1)将多个第一光纤传感器设置于深基坑周边地表上的测点处，以对基坑周边地表的沉降进行实时的感知，将多个第二光纤传感器以水平贯穿且成对的方式设置在深基坑内混凝土支撑内部的上方和下方，以获取混凝土支撑上下表面的应力和应变，将多个第三光纤传感器沿深基坑的深度方向设置于地下连续墙的内部，以获取地下连续墙的应力和应变，并将第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器获取的数据发送到数据分析与指令发布装置；

(2)数据分析与指令发布装置根据来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态，如果是，则向无人机发送病害检查指令，然后转入步骤(3)，否则继续接收随后的数据，并持续执行本步骤；

(3)智能巡视飞行器根据来自于数据分析与指令发布装置的病害检查指令中传感器编号查询其自身三维坐标库，以通过传感器编号确定危险状态发生的具体三维坐标；

(4)智能巡视飞行器到达该三维坐标所在的位置并获取该位置处的图像，对获取到的图像进行清晰化处理，将清晰化处理后的图像与智能巡视飞行器预先采集并存储于其图像数据库中的该位置处的原始图像数据进行比对，并将比对结果提供给深基坑项目的管理者。

优选地，该方法还包括在步骤(1)之后、步骤(2)之前，将来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据转换为电信号，并经由服务器将该电信号以无线的形式传递到深基坑项目的各参与方。

优选地，第一光纤传感器是光纤布拉格光栅沉降位移计，第二光纤传感器是分布式光纤应变传感器，第三光纤传感器是分布式光纤应变传感器。

优选地，针对来自第一光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第一阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第二阈值，则表明第一光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第一光纤传感器所在位置处于安全状态，其中p是自然数。

优选地，针对来自第二光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第三阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第四阈值，则表明该第二光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第二光纤传感器所在位置处于安全状态。

优选地，针对来自第三光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第五阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第六阈值，则表明该第三光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第三光纤传感器所在位置处于安全状态。

优选地，步骤(4)具体是，智能巡视飞行器根据来自于数据分析与指令发布装置的病害检查指令中指示的对应传感器的编号查询其自身的三维坐标库，以确定危险状态发生的具体三维坐标。

优选地，清晰化处理的过程依次包括：畸变修复、降噪增强、阈值分割、以及线性识别，其中降噪增强采用的是小波去噪技术以及CIELab技术，线性识别采用的是霍夫变换方法。

优选地，若判断到第一光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是测点位置在垂直方向的下沉或隆起、地表出现裂缝、地表出现塌陷，若判断到第二光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是混凝土支撑的局部位置出现的下挠、上拱或裂缝，若判断到第三光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是地下连续墙的局部位置出现的凸起、凹陷、裂缝、水平位移、或整幅地下连续墙出现的倾斜。

优选地，多个第一光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接，多个第二光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接，多个第三光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接，智能巡视飞行器设置于深基坑的上方，并与数据分析与指令发布装置通过无线方式连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)由于本发明采用光纤传感体系对深基坑进行实时的安全感知，并直接通过无线通信的方式实现病害检查指令向智能巡视飞行器6的发布，使其对处于危险状态中的位置进行图像识别和判断，整个过程无须人工的介入，确保了深基坑监测和病害检查的及时性；

(2)由于本发明采用智能巡视飞行器6代替人工进行病害检查，可以对深基坑现场的任何位置进行近距离的图像识别，从而确保了病害检查的准确性；

(3)本发明通过有效集成三种不同类型的光纤传感器，实现了整个深基坑的全面感知，从而避免了深基坑监测的感知盲区。

(4)本发明的智能巡视飞行器6存储有整个基坑所有位置(包括所有传感器)的三维坐标，各类传感器编号与其三维坐标一一对应，从而能够确保智能巡视飞行器6能够根据来自数据分析与指令发布装置4的病害检查指令中传感器的编号快速获取对应的三维坐标，并前往该三维坐标对应的位置进行图像识别，从而实现了快速而精准的定位；

(5)由于本发明使用智能巡视飞行器6代替人工进行病害检查，因此在深基坑出现严重险情时，能够避免人工检查导致的人身安全隐患。

(6)由于所有光纤传感器均预埋在混凝土内，避免了设备出现人为或机械损坏。

附图说明

图1是本发明用于深基坑实时感知与病害检查的方法的流程图。

图2是本发明用于深基坑实时感知与病害检查的装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的主要目的在于，克服现有的深基坑监测与病害检查方法的缺陷，提供一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法(在本发明中，以大于等于5米的基坑为深基坑)。

如图1所示，本发明用于深基坑实时感知与病害检查的方法包括以下步骤：

(1)将多个第一光纤传感器设置于深基坑周边地表上的测点处，以对基坑周边地表的沉降进行实时的感知，将多个第二光纤传感器以水平贯穿且成对的方式设置在深基坑内混凝土支撑内部的上方和下方，以获取混凝土支撑上下表面的应力和应变，将多个第三光纤传感器沿深基坑的深度方向设置于地下连续墙的内部，以获取地下连续墙的应力和应变，并将第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器获取的数据发送到数据分析与指令发布装置；

(2)数据分析与指令发布装置根据来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态，如果是，则向无人机发送病害检查指令，然后转入步骤(3)，否则继续接收随后的数据，并持续执行本步骤；

作为优选的，本方法还可包括在步骤(1)之后、步骤(2)之前，将来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据转换为电信号，并经由服务器将该电信号以无线的形式传递到深基坑项目的各参与方。

(3)智能巡视飞行器根据来自于数据分析与指令发布装置的病害检查指令中传感器编号查询其自身三维坐标库，以通过传感器编号确定危险状态发生的具体三维坐标；

(4)智能巡视飞行器到达该三维坐标所在的位置并获取该位置处的图像，对获取到的图像进行清晰化处理，将清晰化处理后的图像与智能巡视飞行器预先采集并存储于其图像数据库中的该位置处的原始图像数据进行比对，并将比对结果(比对结果包括该位置当前的图像、原始图像以及比对的文字说明)提供给深基坑项目的管理者。

如图2所示，本发明方法对应的装置包括多个第一光纤传感器1、多个第二光纤传感器2、多个第三光纤传感器3、数据分析与指令发布装置4、服务器5、以及智能巡视飞行器6。

多个第一光纤传感器1彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置4光连接。在本实施方式中，第一光纤传感器1是光纤布拉格(Bragg)光栅沉降位移计。在本发明中，光连接指的是通过光纤光缆实现彼此的连接。

第一光纤传感器1设置于深基坑周边地表上的测点处，用于对基坑周边地表的沉降进行实时的感知(其中在基坑开挖阶段进行感知的频率为1至2小时，具体视开挖情况而定；在基坑底板浇筑阶段进行感知的频率为4到5小时，具体视开挖情况而定)，并将感知到的基坑周边地表的沉降值以光信号的形式传送到数据分析与指令发布装置4；具体而言，基坑周边地表上的测点是由工程设计单位在工程设计阶段预先设定的。

多个第二光纤传感器2彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置4光连接。在本实施方式中，第二光纤传感器2是分布式光纤应变传感器。

第二光纤传感器2是以水平贯穿且成对的方式设置在深基坑内混凝土支撑内部的上方和下方，用于分别获取混凝土支撑上下表面的应力和应变(其中在基坑开挖阶段获取的频率为1至2小时，具体视开挖情况而定；在基坑底板浇筑阶段获取的频率为4到5小时，具体视开挖情况而定)，并将获取到的混凝土支撑上下表面的应力值和应变值以光信号的形式传送到数据分析与指令发布装置4；

多个第三光纤传感器3彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置4光连接。在本实施方式中，第三光纤传感器3是分布式光纤应变传感器。

第三光纤传感器3沿深基坑的深度方向设置于地下连续墙的内部，用于获取地下连续墙的应力和应变(其中在基坑开挖阶段获取的频率为1至2小时，具体视开挖情况而定；在基坑底板浇筑阶段获取的频率为4到5小时，具体视开挖情况而定)，并将获取到的地下连续墙的应力值和应变值以光信号的形式传送到数据分析与指令发布装置4。

数据分析与指令发布装置4与服务器5电连接，用于将来自于第一光纤传感器1、第二光纤传感器2和第三光纤传感器3的光信号转换为电信号，并经由服务器5将该无线信号传递到深基坑项目的各参与方。

此外，数据分析与指令发布装置4还用于根据来自于第一光纤传感器1、第二光纤传感器2和第三光纤传感器3的数据判断对应光纤传感器所在位置的安全状态，并在危险状态时向无人机发送病害检查指令；具体而言，如果来自第一光纤传感器1的数据，从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第一阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第二阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，则表明第一光纤传感器1所在位置处于危险状态，否则表示第一光纤传感器1所在位置处于安全状态，其中p是自然数，其取值范围是2至5；

如果来自第二光纤传感器2的数据，从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第三阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第四阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，则表明该第二光纤传感器2所在位置处于危险状态，否则表示第二光纤传感器2所在位置处于安全状态；

如果来自第三光纤传感器3的数据，从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第五阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第六阈值(其取值是由由工程设计单位提供，并在数据分析与指令发布装置4初次工作前设置完成)，则表明该第三光纤传感器3所在位置处于危险状态，否则表示第三光纤传感器2所在位置处于安全状态。

服务器5用于实时存储数据分析与指令发布装置4从第一、第二、第三光纤传感器3接收到的数据。

智能巡视飞行器6设置于深基坑的上方，并与数据分析与指令发布装置4通过无线方式连接，用于根据来自于数据分析与指令发布装置4的病害检查指令中指示的对应传感器的编号(该编号与光纤传感器的三维坐标一一对应)查询其自身三维坐标库，以确定危险状态发生的具体三维坐标，到达该三维坐标所在的位置并获取该位置处的图像，对获取到的图像进行清晰化处理(在本发明中，清晰化处理的过程依次包括：畸变修复、降噪增强、阈值分割、以及线性识别，其中降噪增强采用的是小波去噪技术以及CIELab技术，线性识别采用的是霍夫变换方法)，将清晰化处理后图像的特征与智能巡视飞行器6预先采集并存储于其图像数据库中的该位置处原始图像数据的特征进行比对，并将比对结果提供给深基坑项目的管理者。

具体而言，如果数据分析与指令发布装置4判断到第一光纤传感器1所在位置处于危险状态，智能巡视飞行器6拍摄该位置的照片，并对其进行上述图像处理后，将其与图像数据库中的原始图像数据进行比对，以发现存在于拍摄到的图像中的形变特征(例如测点位置在垂直方向的下沉或隆起、地表出现裂缝、地表出现塌陷等)，并将发现的形变特征以文字说明的形式(例如“xx测点处地表出现5毫米宽的裂缝”)连同两幅对比图像一起发送到深基坑项目的管理者。

如果数据分析与指令发布装置4判断到第二光纤传感器2所在位置处于危险状态，智能巡视飞行器6拍摄该位置的照片，并对其进行上述图像处理后，将其与图像数据库中的原始图像数据进行比对，以发现存在于拍摄到的图像中的形变特征(例如混凝土支撑的局部位置出现下挠、上拱或裂缝)，并将发现的形变特征以文字说明的形式(例如“第5号混凝土支撑的中部出现5毫米的裂缝，且存在6毫米的上拱”)连同两幅对比图像一起发送到深基坑项目的管理者。

如果数据分析与指令发布装置4判断到第三光纤传感器3所在位置处于危险状态，智能巡视飞行器6拍摄该位置的照片，并对其进行上述图像处理后，将其与图像数据库中的原始图像数据进行比对，以发现存在于拍摄到的图像中的形变特征(例如地下连续墙的局部位置出现凸起、凹陷、裂缝、水平位移、或整幅地下连续墙出现一定角度的倾斜)，并将发现的形变特征以文字说明的形式(例如“第3幅地下连续墙在深度方向上同一Z轴上的水平位移自上往下呈递减状态，该地下连续墙存在相对于深基坑内部的倾斜角度10°”)连同两幅对比图像一起发送到深基坑项目的管理者。

此外，智能巡视飞行器6还用于为深基坑项目的管理者远程指挥深基坑项目提供语音控制功能，包括实时语音通信和指挥调度等。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于深基坑实时感知与病害检查的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将多个第一光纤传感器设置于深基坑周边地表上的测点处，以对基坑周边地表的沉降进行实时的感知，将多个第二光纤传感器以水平贯穿且成对的方式设置在深基坑内混凝土支撑内部的上方和下方，以获取混凝土支撑上下表面的应力和应变，将多个第三光纤传感器沿深基坑的深度方向设置于地下连续墙的内部，以获取地下连续墙的应力和应变，并将第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器获取的数据发送到数据分析与指令发布装置；

(2)数据分析与指令发布装置根据来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态，如果是，则向无人机发送病害检查指令，然后转入步骤(3)，否则继续接收随后的数据，并持续执行本步骤；

(3)智能巡视飞行器根据来自于数据分析与指令发布装置的病害检查指令中传感器编号查询其自身三维坐标库，以通过传感器编号确定危险状态发生的具体三维坐标；

(4)智能巡视飞行器到达该三维坐标所在的位置并获取该位置处的图像，对获取到的图像进行清晰化处理，将清晰化处理后的图像与智能巡视飞行器预先采集并存储于其图像数据库中的该位置处的原始图像数据进行比对，并将比对结果提供给深基坑项目的管理者。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在步骤(1)之后、步骤(2)之前，将来自于第一光纤传感器、第二光纤传感器和第三光纤传感器的数据转换为电信号，并经由服务器将该电信号以无线的形式传递到深基坑项目的各参与方。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

第一光纤传感器是光纤布拉格光栅沉降位移计；

第二光纤传感器是分布式光纤应变传感器；

第三光纤传感器是分布式光纤应变传感器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对来自第一光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第一阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第二阈值，则表明第一光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第一光纤传感器所在位置处于安全状态，其中p是自然数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，针对来自第二光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第三阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第四阈值，则表明该第二光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第二光纤传感器所在位置处于安全状态。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，针对来自第三光纤传感器的数据，判断对应光纤传感器所在位置是否处于危险状态具体是：从初次获得的时刻到当前时刻的累加值大于或等于一个第五阈值，或者最近p次获得的数据的累加值大于或等于一个第六阈值，则表明该第三光纤传感器所在位置处于危险状态，否则表示第三光纤传感器所在位置处于安全状态。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)具体是，智能巡视飞行器根据来自于数据分析与指令发布装置的病害检查指令中指示的对应传感器的编号查询其自身的三维坐标库，以确定危险状态发生的具体三维坐标。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，清晰化处理的过程依次包括：畸变修复、降噪增强、阈值分割、以及线性识别，其中降噪增强采用的是小波去噪技术以及CIELab技术，线性识别采用的是霍夫变换方法。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

若判断到第一光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是测点位置在垂直方向的下沉或隆起、地表出现裂缝、地表出现塌陷；

若判断到第二光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是混凝土支撑的局部位置出现的下挠、上拱或裂缝；

若判断到第三光纤传感器所在位置处于危险状态，则比对结果是地下连续墙的局部位置出现的凸起、凹陷、裂缝、水平位移或整幅地下连续墙出现的倾斜。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

多个第一光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接；

多个第二光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接；

多个第三光纤传感器彼此光连接，并与数据分析与指令发布装置光连接；

智能巡视飞行器设置于深基坑的上方，并与数据分析与指令发布装置通过无线方式连接。