CN115142484A - 一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统及监测方法 - Google Patents
一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统及监测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统及监测方法,属于基坑监测技术领域。本发明的监测系统包括采集模块、传输模块和数据处理模块,还包括观测点、观测后视点、坡顶位移监测点和深层水平位移监测点,其中:所述采集模块包括全站仪和辅助全站仪使用的L型棱镜和测量十字反光贴,全站仪通过传输模块与数据处理模块相连,用于将采集到的基坑监测数据传输至数据处理模块中进行处理,得出基坑侧壁形变模拟图。本发明的监测方法,通过智能化监测系统自主完成基坑坡顶位移与深层水平位移数据的采集和处理,优化数据记录与存储结构,减少数据冗余度,提高数据处理效率。
Description
技术领域
本发明属于基坑监测技术领域,更具体地说,涉及一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统及监测方法。
背景技术
基坑工程是施工作业不可缺少的组成部分,是影响工程质量及工期进度的重要环节。基坑坡顶位移和深层水平位移是基坑监测必测项,其中深层水平位移监测需要通过在墙(桩)体或土体中预埋测斜管。测斜管可随钢筋笼一起下方至桩孔后浇筑混凝土与维护结构形成整体结构,这种埋设方法工程量巨大,且在浇筑混凝土或破桩头时易造成测斜管断裂和堵管的问题;测斜管也可在基坑边直接钻孔埋放,测斜管与钻孔之间的缝隙用砂砾或石硝填充,该方法较前者工作量较小,但测斜管和钻孔之间的空隙存在未填满的风险,将会导致测斜管变形数据与基坑边坡实际变形不一致。上述两种方法都存在极大的弊端,当现场条件苛刻时,如基坑放坡较陡,作业面狭窄时就无法埋设测斜管,导致深层水平位移测量项目就无法进行。
同时深层水平位移数据需要用测斜仪进行采集,用配套软件进行处理。当测斜管布设较多时,数据采集及处理工作量巨大,数据记录及存储模式杂乱,导致基坑深层水平位移现有测量方法效率低,影响工作进度。
经检索,中国专利申请号为:201610237217.3。申请日为:2016年4月14日,发明创造名称为:一种基坑深层水平位移和竖向沉降的监测装置及方法。该申请案中的监测装置包括变形测量系统、测距系统、基准点和数据处理系统;所述变形测量系统,包括预埋在基坑侧壁内的若干变形检测器,用于测量基坑侧壁土体沿深度方向的水平挠曲变形;所述测距系统,用于测量所述变形测量系统顶点与测距系统的距离;所述基准点设置在远离基坑侧壁的一侧;所述数据处理系统,用于接收所述变形测量系统和所述测距系统监测到的数据,并处理接收到的数据,将基坑深层水平位移和竖向沉降传递至用户终端。该申请案需要将变形检测器预埋在基坑侧壁内,依然需要钻孔埋设,工程量大;且其在每处深层水平位移检测点都要安装传感器等电子设备,成本较高,且设备在现场生产施工中易造成污染及破坏,造成数据监测不够准确,影响监测精度。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术不足,本发明设计一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统及监测方法,无需钻孔埋设测斜管,智能化监测系统自主完成基坑坡顶位移与深层水平位移数据的采集和处理,优化数据记录与存储结构,减少数据冗余度,提高数据处理效率。
2.技术方案
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,包括采集模块、传输模块和数据处理模块,还包括观测点、观测后视点、坡顶位移监测点和深层水平位移监测点,其中:所述采集模块包括全站仪和辅助全站仪使用的L型棱镜和测量十字反光贴,全站仪通过传输模块与数据处理模块相连,用于自动采集基坑监测数据,并将采集到的基坑监测数据传输至数据处理模块中进行处理,得出基坑侧壁形变模拟图。
所述观测点处安装有全站仪;所述观测后视点至少包括3个,每个观测后视点处安装有L型棱镜,用于定向测量。本发明中使用的全站仪采用现有的具有类似功能的测量设备均可,本发明中使用的全站仪设备型号为徕卡TM50,其通过DTO和智能云平台系统对全站仪进行设置,自动获取L型棱镜和测量十字反光贴三维坐标数据。值得说明的是,本发明中设置的L型棱镜和测量十字反光贴数量也较多,测量工程量相对较大,但通过利用全站仪的自动监测功能,可以快速进行测量,有效地减少了人工工作量,从而实现数据的智能化采集,提高了数据采集效率。
所述坡顶位移监测点沿基坑坡顶或冠梁顶部等间隔设置,每个坡顶位移监测点处安装有所述L型棱镜。所述深层水平位移监测点包括多列,多列述深层水平位移监测点之间沿基坑内侧壁环向等间隔分布,且每列深层水平位移监测点对应设于坡顶位移监测点正下方。每列深层水平位移监测点均沿竖直方向从基坑坡顶至基坑底部等间隔分布,每个深层水平位移监测点上安装有L型棱镜和/或测量十字反光贴。
更进一步的,所述观测点距离基坑30-50m设置,所述全站仪安装位置与各观测后视点之间形成的夹角大于45°。
更进一步的,相邻两个坡顶位移监测点之间的距离为10-20m,同一列中相邻两个深层水平位移监测点之间的距离为0.3-0.5m。一般情况下,根据该距离在基坑现场布设监测点,并在监测点处按照布设L型棱镜和/或测量十字反光贴,能够全面地对基坑侧壁情况进行监测,且监测精度较高,完全可以满足基坑的监测需求。此外,本发明中在监测点处使用L型棱镜和/或测量十字反光贴,使得监测点位布置更灵活,当实际工程中存在薄弱环节,可根据实际工程状况在薄弱区域内增设监测点,增设方便,能够进一步提高监测的精度。
所述传输模块主要包括电缆光纤和DTO,DTO通过电缆光纤与全站仪连接,DTO内部设置物联卡,通过移动通信信号实现采集模块与数据处理模块之间的信息传输。
更进一步的,所述数据处理模块硬件设备采用计算机,软件设备采用智能云平台系统,该智能云平台系统包含数据存储模块、数据计算模块以及数据反馈模块,其中,数据存储模块是智能云平台系统以计算机硬件设备为载体,通过传输模块将全站仪采集的数据传输存储在计算机硬盘中,供智能云平台系统随时读取或写入;数据计算模块是通过智能云平台系统对所得到的数据进行平差处理,去除粗差,减小误差,提高测量精度;数据反馈功能是通过智能云平台系统根据数据处理后的信息数据进行响应,并通过传输模块对采集模块的全站仪发出响应指令。
本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,采用上述监测系统对基坑进行监测,包括如下步骤:
步骤一、通过观测基坑施工现场布设的已知后视点,采用后方交会方法计算得到全站仪的三维位置坐标,然后确定一个后视点方向,采用极坐标法进行数据采集与存储;
步骤二、将步骤一中全站仪采集的数据以阵列形式进行存储,包括各个监测点的水平角数据、垂直角数据和斜距数据,水平角数据、垂直角数据和斜距数据作为基础数据,经传输模块传输至数据处理模块;
步骤三、采用数据处理模块对步骤二中所得的基础数据进行处理,并采用MATLAB软件对保存的数据进行运算和画图处理,得到基坑侧壁模拟展示图。
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,采用全站仪监测基坑侧壁监测点三维坐标的变化,来反映出基坑深层水平位移的变化,通过将深层水平位移监测和基坑坡顶位移监测整体进行测量,较传统的基坑监测而言,有效提高了监测的工作效率。同时,本发明的监测系统设置简单,操作容易,避免了埋设测斜管所需的钻孔工作,显著降低了劳动成本和工程费用。
(2)本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,监测仪器采用智能化监测设备,包括采集模块(高精度全站仪)、数据传输模块、数据处理模块,本发明的技术方案虽然较传统监测方法而言减少了许多工作量,但基坑侧壁深层水平位移监测点的光标数量较多,工作量仍然不少,本发明中采用智能化监测设备可以大大提高监测的速度,自动实现对基坑光标点的测量,从而进一步降低了人工测量的劳动强度。
(3)本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,通过数据处理模块进行优化设计,尤其是对数据存储方式及数据处理方法进行优化,有效解决了传统数据存储采用单点存储或者建立指针式数据存储,数据的运算和存储占用内存较大,且智能化监测频率高,极易产生数据冗余等弊端。本发明中数据处理模块采用阵列形式对数据进行存储和处理,阵列中每一列数据即为一组深层水平位移监测数据,节约存储空间,提高计算机(云平台)的运算效率。
(4)本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,通过根据阵列数据生成的深层水平位移曲线图,对比传统的曲线图不仅可以反映出基坑支护结构水平位移的趋势,由于全站仪监测的是三维坐标,根据阵列数据还可以在曲线图中补充各水平位移监测点在垂直方向上的运动趋势,更能贴合基坑的实际变形趋势,精确性更好。
附图说明
图1为本发明中现场测量布置示意图;
图2为本发明中监测系统及运行流程示意图;
图3为本发明中数据处理模块实施流程图;
图4为本发明中深层水平位移曲线图;
图5为本发明中基坑侧壁形变模拟图。
图中:
1、观测点;2、观测后视点;3、坡顶位移监测点;4、深层水平位移监测点。
具体实施方式
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1-5所示,本实施例的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,包括采集模块、传输模块和数据处理模块,还包括观测点1、观测后视点2、坡顶位移监测点3和深层水平位移监测点4,所述采集模块包括全站仪和辅助全站仪使用的L型棱镜和测量十字反光贴,全站仪通过传输模块与数据处理模块相连,用于将采集到的基坑监测数据传输至数据处理模块中进行处理,处理后的数据进行保存,最后采用MATLAB软件对保存的数据进行运算和画图处理,得出基坑侧壁形变模拟展示图。
具体的,如图1所示,所述采集模块负责基坑坡顶位移与深层水平位移数据的采集工作,主要包括高精度全站仪(也即测量机器人)、辅助全站仪使用的L型棱镜和测量十字反光贴。其中,所述L型棱镜作为基坑坡顶位移监测点安装在基坑坡顶或者混凝土冠梁上方,测量十字反光贴作为深层水平位移监测点,安装在基坑侧壁表面。基坑坡顶位移监测点3必须安置L型棱镜进行观测,相邻两个坡顶位移监测点3之间的距离为10-20m。深层水平位移监测点4根据现场需求,现场施工环境良好时也可安装L型棱镜作为深层水平位移监测点4。深层水平位移监测点4设置在对应基坑坡顶位移监测点3正下方,一般按照0.3-0.5米步距进行连续布设,线性垂直分布在基坑侧壁上。高精度全站仪安装位置满足距离基坑30-50米处,安装前对地面进行固化处理并浇筑混凝土观测墩台,全站仪周边要避免过大车,以便减少扰动影响。现场需要布设观测后视点2,用于定向测量,观测后视点数量不得少于3个,且高精度全站仪安装位置与各观测后视点2之间所形成的夹角大于45°。高精度全站仪通过测量观测后视点2完成定向观测,再测量L型棱镜和测量十字反光贴获取三维坐标数据,从而实现数据采集工作。本发明通过使用全站仪对基坑进行检测,较传统的人工测量而言,大大提高了测量效率,且通过对较多的测量点进行监测,从而能够进一步提高基坑监测的准确性。
更进一步的,本发明通过对采集模块的观测点及测量点进行布设,通过控制全站仪安放位置以及对其与观测后视点2形成角度进行控制,通过控制两个相邻坡顶位移监测点3之间的距离、同一列相邻两个深层水平位移监测点4之间的距离,从而能够尽可能地实现对基坑全貌进行监测,有利于提高监测精度。
所述传输模块负责实现采集模块与数据处理模块数据信息的交互传输,主要包括电缆光纤、DTO(数据传输对象)。DTO通过电缆光纤与全站仪连接,DTO内部设置物联卡,可通过4G信号实现采集模块与数据处理模块之间的信息传输。
所述数据处理模块硬件设备为计算机,软件设备为智能云平台系统,智能云平台系统包含数据存储、数据计算以及数据反馈功能。
数据存储功能是指智能云平台系统以计算机硬件设备为载体,通过传输模块将全站仪采集的数据传输存储在计算机硬盘中,可随时通过智能云平台系统进行读取和写入。
数据计算功能是指智能云平台系统对所得到的数据进行平差处理,去除粗差,减小误差,提高测量精度。
数据反馈功能是指智能云平台根据数据处理后的信息数据进行响应,并通过传输模块对采集模块的全站仪发出响应指令。
本发明的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,该方法采用高精度全站仪实现对本发明监测系统中布设的多个监测点进行监测,具有基坑坡顶位移数据和深层水平位移数据的自动采集功能,代替了人工测量采集数据,显著提高了数据采集效率;同时,采用自动化的设备进行采集,也有效提高了数据采集量,使得模拟出的基坑侧壁变形量模型更加准确,更贴合实际基坑变形情况,有利于进一步指导基坑施工项目的开展。
具体的,如图2-3所示,本发明的监测方法包括如下步骤:
步骤一、按照图1中,通过在观测基坑施工现场布设已知后视点,采用后方交会方法计算得到全站仪的三维位置坐标,然后确定一个后视点方向,采用极坐标法进行数据采集与存储。
步骤二、将步骤一中全站仪采集的数据以阵列形式进行存储,包括各个监测点的水平角数据、垂直角数据和斜距数据,水平角数据、垂直角数据和斜距数据作为基础数据,经传输模块传输至数据处理模块。
具体的,需要说明的是,现有已有采用全站仪对基坑进行监测,但是一方面,其测量点布设不科学,导致监测不能够真实、全面地反映出基坑侧壁变形量;另一方面,布设的测量点过多虽然能够提高监测的准确性,但是会导致采集量过多,给后续的数据处理带来困难,严重影响到最终监测效率。本发明中通过采用极坐标法进行数据采集与存储,采集的数据以阵列形式存储,包括水平角数据、垂直角数据、斜距数据三种,能够很好地解决上述问题。具体形式如下:
其中,Ai表示水平角第i次监测的阵列数据,表示位于监测平面中第n行、第m列的监测点第i次水平角监测数据;当n=1时,代表监测平面第一行数据即基坑坡顶位移监测点水平角数据,其余数据为基坑深层水平位移监测方位角数据。(监测平面以基坑侧壁为参考平面,具体如图1所示)。
Bi表示垂直角第i次监测的阵列数据,表示位于监测平面第n行、第m列的监测点的第i次垂直角监测数据。Li表示斜距第i次监测的阵列数据,表示位于监测平面第n行、第m列的监测点的第i次斜距监测数据。定义同Ai。
采集到水平角数据、垂直角数据、斜距数据为基础数据,后续的数据计算过程在前述的三种类型的基础数据上展开进行。
步骤三、采用数据处理模块对步骤二中所得的基础数据进行处理,包括所有监测点的三维坐标数据进行如下处理:
S1、设置三维坐标增量阵列数据ΔXi、ΔYi、ΔZi,根据Ai、Bi、Li进行如下计算;
定义计算公式:
S2、设置三维坐标阵列数据Xi、Yi、Zi,根据Ai、Bi、Li进行如下计算;
定义计算公式:
每次测量完毕后,全站仪将数据传输至数据存储模块,数据存储模块只保存基础数据阵列Ai、Bi、Li,以及经数据计算模块得到的数据阵列Xi、Yi、Zi、Di,其他数组为中间过程数据阵列,运算完成后不进行保存设置,自动释放存储空间,有效解决了数据冗余等弊端,进一步提高了计算机的运算速率,从而显著提升自动化监测的效率。
值得说明的是,当监测数据有误或复测替换数据时,可通过数据反馈功能,对变化量较大的数据重新测量基础数据,再进行数据处理将单个数据直接替换;采用本发明数据处理方法在替换多组数据时,一般是对同一列数据进行复测,将数列:换对应位置数据。阵列形式的数据存储模式可以更好的适用于计算机数据调取,以及多种数据对比分析处理。如Di阵列中,对坡顶或基坑侧壁任意监测高度位移累积变形量查询可选择行数据形式查询,为同一高度位置位移累计变化量情况。当需要查询基坑某一位置深层水平位移累计变化量数据时,可查询列数据形式获取,任意位置坡顶位移及深层水平位移累计变化量数据,深层水平位移曲线图根据制,同时根据Zi数值在深层水平曲线图各点旁标注监测点垂直位移变化方向,如图4所示。然后通过MATLAB软件可以快速对数据进行运算及画图处理,当监测点数据量足够大时,Di阵列数据可作为点云数据进行基坑侧壁模拟展示,更直观的反应基坑深层水平位移变化量,如图5所示。
更进一步的,以某一具体基坑项目为例,采用本发明的监测系统进行监测,使用全站仪采集该项目基坑的相关监测数据,并通过智能云平台系统进行数据运算、存储处理,处理后得到的相关数据如表1所示,将表1中数据使用MATLAB软件进行处理和作图,模拟基坑深层水平位移形变状态,得到的模拟图如图5所示。
表1
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,包括采集模块、传输模块和数据处理模块,其特征在于:还包括观测点(1)、观测后视点(2)、坡顶位移监测点(3)和深层水平位移监测点(4),其中:
所述采集模块包括全站仪和辅助全站仪使用的L型棱镜和测量十字反光贴,全站仪通过传输模块与数据处理模块相连;
所述观测点(1)处安装有全站仪;所述观测后视点(2)不少于3个,每个观测后视点(2)处安装有L型棱镜,用于定向测量;
所述坡顶位移监测点(3)沿基坑坡顶或冠梁顶部等间隔设置,每个坡顶位移监测点(3)处安装有所述L型棱镜;
所述深层水平位移监测点(4)包括多列,多列深层水平位移监测点(4)之间沿基坑内侧壁环向等间隔分布,且每列深层水平位移监测点(4)对应设于坡顶位移监测点(3)正下方;
每列深层水平位移监测点(4)均沿竖直方向从基坑坡顶至基坑底部等间隔分布,每个深层水平位移监测点(4)上安装有L型棱镜和/或测量十字反光贴。
2.根据权利要求1所述的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,其特征在于:所述观测点(3)距离基坑30-50m设置,所述全站仪安装位置与各观测后视点(2)之间形成的夹角大于45°。
3.根据权利要求1所述的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,其特征在于:相邻两个坡顶位移监测点(3)之间的距离为10-20m,同一列中相邻两个深层水平位移监测点(4)之间的距离为0.3-0.5m。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,其特征在于:所述传输模块主要包括电缆光纤和DTO,DTO通过电缆光纤与全站仪连接。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测系统,其特征在于:所述数据处理模块硬件设备采用计算机,软件设备采用智能云平台系统,该智能云平台系统包含数据存储模块、数据计算模块以及数据反馈模块。
6.一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,其特征在于:采用权利要求1-5中任一项所述的监测系统进行监测,包括如下步骤:
步骤一、通过观测基坑施工现场布设的已知后视点,采用后方交会方法计算得到全站仪的三维位置坐标,然后确定一个后视点方向,采用极坐标法进行数据采集与存储;
步骤二、将步骤一中全站仪采集的数据以阵列形式进行存储,包括各个监测点的水平角数据、垂直角数据和斜距数据,水平角数据、垂直角数据和斜距数据作为基础数据,经传输模块传输至数据处理模块;
步骤三、采用数据处理模块对步骤二中所得的基础数据进行处理,并采用MATLAB软件对保存的数据进行运算和画图处理,得到基坑侧壁模拟展示图。
8.根据权利要求7所述的一种基坑坡顶位移与深层水平位移一体化智能监测方法,其特征在于:步骤三中,对采集到的监测点三维坐标数据进行如下处理:
S1、设置三维坐标增量阵列数据ΔXi、ΔYi、ΔZi,根据Ai、Bi、Li进行如下计算;
定义计算公式:
S2、设置三维坐标阵列数据Xi、Yi、Zi根据Ai、Bi、Li进行如下计算;
定义计算公式:
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