基坑水平位移自动监测系统及方法
阅读：394发布：2020-05-08
专利汇可以提供基坑水平位移自动监测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基坑 水 平位移自动监测系统及方法。所述系统包括多个水平位移监测装置，每个水平位移监测装置包括测斜板、微 控制器 和无线通信模 块 。方法为：根据轴线法 选定 一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上设置水平位移监测装置；在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔设置多个测点，每个测点分别设置一个 角 度 传感器 ，各角度传感器将测得的角度信息输入 微控制器 进行处理，得到该监测点的 地下水 平位移曲线；通过 无线通信模块 将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。本发明能够实时准确地监测基坑水平位移情况，并且节约了大量的人 力 资源成本。，下面是基坑水平位移自动监测系统及方法专利的具体信息内容。
1.一种基坑水平位移自动监测系统，其特征在于，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上利用水平位移监测装置，实时地获取该点地下水平位移情况；
所述每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器，各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，得到该监测点的地下水平位移曲线；
所述微控制器中设置有地下水平位移曲线计算模块，地下水平位移曲线计算模块采用圆柱螺线法，计算测段水平投影的正北方向增量ΔN和水平投影的正东方向增量ΔE的公式如下：
其中，Δα＝αi+1-αi, 下标i＝0,1,…,n-1，表示测点的编号；αc表示测段相邻两个测点井斜角的平均值， 表示测段相邻两个测点方位角的平均值；
水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。
2.根据权利要求1所述的基坑水平位移自动监测系统，其特征在于，所述角度传感器采用南京理工大学的CP-321系列三维电子罗盘，通过磁传感器中三个相互垂直的X、Y、Z轴同时感应地球磁场的次分量，从而计算出方位角度；同时，该三维电子罗盘采集横滚角和俯仰角，进行倾斜补偿；该三维电子罗盘以RS232/RS485接口与嵌入式系统进行通信，内置硬磁补偿标定功能，同时具有偏向角和磁偏角的补偿功能；该罗盘所测得的Y轴和Z轴分量的角度信息，分别为井斜角和方位角。
3.根据权利要求1所述的基坑水平位移自动监测系统，其特征在于，所述侧斜板设置于倾斜管之中。
4.根据权利要求1所述的基坑水平位移自动监测系统，其特征在于，所述每个监测点对应的测点0和测点1之间的距离小于L/2。
5.根据权利要求1所述的基坑水平位移自动监测系统，其特征在于，所述微控制器采用以ARM cortex-M0为内核的LPC1125微控制器，外围电路集成了485、ZIGBEE、GPRS。
6.一种基于权利要求1所述基坑水平位移自动监测系统的监测方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上设置一个水平位移监测装置，每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块；
步骤2，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器；
步骤3，各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线；
步骤4，水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机；
步骤3所述采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线，其中计算测段水平投影的正北方向增量ΔN和水平投影的正东方向增量ΔE的公式如下：
其中，Δα＝αi+1-αi, 下标i＝0,1,…,n-1，表示测点的编号；αc表示测段相邻两个测点井斜角的平均值， 表示测段相邻两个测点方位角的平均值。
基坑水平位移自动监测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及岩土基坑工程中的形变量参数监测技术领域，特别是一种基坑水平位移自动监测系统及方法。
背景技术
[0002] 21世纪以来，随着社会经济的快速发展，土木工程建设呈现大规模发展的趋势，尤其是大型商场、娱乐场所、超高层建筑的地下工程以及地铁的建设，而这些都要求有大而深的基坑作为基础条件。但是我国在深基坑方面的研究相对较晚，直到1999年我们才召开了第一次专门的深基坑研究领域的会议，理论研究相对落后于实践。同时，根据近年来建设工程事故的统计，基坑工程中发生工程事故的概率往往高于主体工程，发生率约占工程数量的20％左右，造成重大的经济损失和严重后果。
[0003] 因为基坑工程面对各种复杂的土壤状况和环境因素的影响，其存在着变形不确定性和一些偶然变化，很难用一套严密的理论定量计算方法来掌控施工过程中的各种变化。目前，主要还是理论结合经验，通过人工测量大量的数据进行计算，给设计者提供大概的数值进行工程校正。基坑工程需要监测的主要有：沉降监测，地下水位监测，水平位移监测等等，针对不同的监测项目，已经一些基础的工具大量投入使用。如经纬仪测沉降，测斜仪观测基坑围护结构，水位计测量地下水位变化。
[0004] 在工程的实际应用中，对基坑工程的监测不但要保持准确性，同时还要保证实时性。传统的人工测量，需要工作人员每隔2-3天实地测量，不仅工作效率低，而且一旦碰到特殊地形，导致仪器损坏之后基坑监测信息滞后，甚至会带来严重后果，例如一旦形变量超过某一阈值，就会导致该工程的失败。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种实时性好、准确性高的基坑水平位移自动监测系统及方法，并且能够节约人力资源成本，便于技术人员及时对工程方案做出调整。
[0007] 所述每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器，各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，得到该监测点的地下水平位移曲线；
[0008] 水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。
[0009] 进一步地，所述角度传感器采用南京理工大学的CP-321系列三维电子罗盘，通过磁传感器中三个相互垂直的X、Y、Z轴同时感应地球磁场的次分量，从而计算出方位角度；同时，该三维电子罗盘采集横滚角和俯仰角，进行倾斜补偿；该三维电子罗盘以RS232/RS485接口与嵌入式系统进行通信，内置硬磁补偿标定功能，同时具有偏向角和磁偏角的补偿功能；该罗盘所测得的Y轴和Z轴分量的角度信息，分别为井斜角和方位角。
[0010] 进一步地，所述侧斜板设置于倾斜管之中。
[0011] 进一步地，所述每个监测点对应的测点0和测点1之间的距离小于L/2。
[0013] 一种基于1所述基坑水平位移自动监测系统的监测方法，步骤如下：
[0014] 步骤1，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上设置一个水平位移监测装置，每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块；
[0015] 步骤2，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器；
[0016] 步骤3，各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线；
[0017] 步骤4，水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。
[0018] 进一步地，步骤3所述采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线，其中计算测段水平投影的正北方向增量ΔN和水平投影的正东方向增量ΔE的公式如下：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，Δα＝αi+1-αi, 下标i＝0,1,…,n-1，表示测点的编号；αc表示测段相邻两个测点井斜角的平均值， 表示测段相邻两个测点方位角的平均值。
[0022] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)由自动控制代替了人工测量，节约大量的人力资源成本，不需要重复地实地测量；(2)固定装置避免了人工使用测斜仪，使用不当或是复杂地形导致的仪器损坏，从而避免了不必要的经济损失；(3)建立统一的监测平台，对整个基坑工程的水平位移进行总体趋势的掌控，实时准确地记录下每天的变化，便于技术人员及时对工程方案做出调整，并采取对应的防护措施。附图说明
[0023] 图1是基坑水平位移监测点的选取方案示意图。
[0024] 图2是水平位移监测装置的测点布置图。
[0025] 图3是圆柱螺线插值模型示意图。
[0026] 图4是坐标轴转换示意图。
[0027] 图5是控制器电源模块电路图，其中(a)为24V转5V电路图，(b)为5V转3.3V电路图。
[0028] 图6是ZIEBEE模块电路图。
[0029] 图7是本发明基坑水平位移自动监测系统的通讯流程图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
[0031] 本发明公开了一种基坑水平位移自动监测系统及方法，系统的组成包括：(1)基于测斜仪的原理设计的，基坑地下水平位移监测装置；(2)ZIGBEE无线模块；(3)GPRS网络；(4)一台作为监控中心的上位机，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着选边设立N个监测点；每个监测点的地下设置n个测点；作为核心模块的水平位移监测装置，通过角度传感器测量出测点的两个角度信息(俯仰角和偏航角)，结合圆柱螺线模型，实时反出该监测点地下水平位移情况并且绘制出大致曲线，通过ZIGBEE网络将所有监测点的地下位移情况汇总，再通过GPRS网络将所有监测点的情况反映到上位机，从而整条选边的总体地下位移情况，以每半天一次的频率读取，就能构成一套实时准确的基坑位移监测系统。
[0032] 本发明基坑水平位移自动监测系统，综合比较并参考基坑工程研究领域的基坑水平位移监测的几种方法—轴线法、小角度法、极坐标法和前方交会法，根据基坑需要监测的部分，如图1所示，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上利用水平位移监测装置，实时地获取该点地下水平位移情况；
[0033] 所述每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器，如图2所示。各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，得到该监测点的地下水平位移曲线；
[0034] 水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。
[0035] 进一步地，所述角度传感器采用南京理工大学的CP-321系列三维电子罗盘，通过磁传感器中三个相互垂直的X、Y、Z轴同时感应地球磁场的次分量，从而计算出方位角度；同时，该三维电子罗盘采集横滚角和俯仰角，进行倾斜补偿；该三维电子罗盘以RS232/RS485接口与嵌入式系统进行通信，内置硬磁补偿标定功能，同时具有偏向角和磁偏角的补偿功能；该罗盘所测得的Y轴和Z轴分量的角度信息，分别为井斜角和方位角。
[0036] 进一步地，所述侧斜板设置于倾斜管之中。
[0037] 进一步地，所述每个监测点对应的测点0和测点1之间的距离小于L/2。
[0038] 进一步地，所述微控制器采用以ARM cortex-M0为内核的LPC1125微控制器，外围电路集成了485、ZIGBEE、GPRS。所有测点上的角度传感器获取的数据，通过485总线传输给该微控制器。每个监测点上的微控制器，通过ZIEBEE无线模块再将各点总的信息汇总给一个微控制器，最后通过该微控制器的GPRS网络传输给上位机。
[0039] 一种基于1所述基坑水平位移自动监测系统的监测方法，步骤如下：
[0040] 步骤1，根据轴线法选定一条基坑选边，并沿着该选边设立N个监测点，每个监测点上设置一个水平位移监测装置，每个水平位移监测装置包括测斜板、微控制器和无线通信模块；
[0041] 步骤2，在对应监测点上钻孔，固定放置一根测斜板至地下，该侧斜板上等间隔ΔL设置多个测点，地表位置的固定点设为测点0，依次向下的测点1～n分别设置一个角度传感器；
[0042] 步骤3，各角度传感器与微控制器连接，并将测得的角度信息输入微控制器进行处理，采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线；
[0043] 步骤4，水平位移监测装置中微控制器通过无线通信模块将各个监测点的监测结果进行汇总，并上传至上位机。
[0044] 进一步地，测点信息由传感器直接测量得出，测段信息无法直接得到，需要建立反映测段的数学插值模型，如图3。步骤3所述采用圆柱螺线法得到该监测点的地下水平位移曲线，其中计算测段水平投影的正北方向增量ΔN和水平投影的正东方向增量ΔE的公式如下：
[0045]
[0046]
[0047] 其中，Δα＝αi+1-αi, 下标i＝0,1,…,n-1，表示测点的编号；αc表示测段相邻两个测点井斜角的平均值， 表示测段相邻两个测点方位角的平均值。
[0048] 在此发明中，利用圆柱螺线模型模拟测段变化，综合所有测点信息，转化为对应测段的信息，从而描绘出监测点地下实时的水平位移变化曲线，反映整个地下大致的水平位移情况。
[0049] 实施例1
[0050] 1、基坑周围水平位移监测点的选取方案
[0051] 由于本发明装置的监测原理是对每个监测点的地下水平位移都进行测算，所有在几种基坑水平位移监测方法中，最符合实际的是轴线法，如图1所示。选定基坑需要监测的一条直线边，建立一条轴线，并且在轴线上布设水平位移监测点，从1到N。因此，只要测量出水平位移监测点到轴线的距离，通过最近两次得偏距，就能够计算水平位移量Δd。传统的人工测量使用轴线法，是用钢尺对测量点和轴线之间的间距测量，就会有轴线照准误差和读数照准误差。本发明的改进之处，在于每个监测点都是向地下延伸，有多个测量点，能够反映不同深处的水平位移量，而且因为是仪器精准测量，不存在人为的读数误差。
[0052] 2、每个监测点的测斜方案
[0053] 针对每一个监测点，采取同样的措施如下：沿着该监测点钻孔，然后在孔中放置一根测斜管至地下某深处底部并且用水泥浇筑固定。每根测斜管内部由n块固定长度L的塑料板相连，紧贴测斜管的内壁组成。在每块塑料板中心位置上设置一个测点，具体实现方法是在每块塑料板中心上加装一个角度传感器。这样就能够实时反馈各个测量点的偏转角度信息，包括井斜角α和方位角 这样测点就设置为：地表的固定点设为测点0，依次向下相隔同样长度L设立测点1、测点2、……、测点n，测点0到测点1为测段1，测点i-1到测点i为测段i，显然N个监测点地下的测点布置都一样，如图2所示。每个测点的信息都是通过角度传感器实时测量得到，测段信息则由测点信息结合数学模型得到。
[0054] 为了能够让测斜的塑料板能够随着岩土的形变而变化，塑料板的材质要选择质地较软的；其次，由于角度传感器是嵌在塑料板中间位置的，要能够真实测量该位置的角度信息，根据选取的角度传感器的使用方法，X轴校正为0，实际有效的是Y轴和Z轴测量的角度信息，所以实际安装时放置位置：角度传感器的X轴平行于地面，Y轴垂直于地面，Z轴垂直于测斜板。另外，为了避免电子设备遭受土壤等因素的腐蚀，测斜板外要套测斜管，测斜板需要紧贴管内壁放置。
[0056] 每个监测点下布置的测斜管，由n个测斜塑料板组成，每个塑料板的中心放置角度传感器作为测点。但是只知道测点的角度信息，显然无法得知该监测点下整体的岩土水平位移情况。从数学角度上，需要找到一个合适的插值模型，由点得线，比如二次拟合、样条插值。参考定向钻井设计中已经广泛使用的插值方法，有折线法、最小曲率法、自然参数法、圆柱螺线法，考虑到监测点上钻孔的螺线型，以及地下岩土形变是多方位的，这里使用圆柱螺线法，作为计算测段的数学算法。实现方法如下：
[0057] 根据圆柱螺线法的数学模型，如图3所示。先根据测点测得的信息α和 α表示测点的井斜角(轨迹行进方向与铅垂线的夹角)，表示测点的方位角(以正北方位为基准，顺时针旋转至行进方位线转过的角度)，来计算测段在垂直剖面上的曲率半径RV和水平投影上的曲率半径RH，然后计算测段增量。
[0058]
[0059]
[0060] ΔZ＝RV(sinα2-sinα1) (3)
[0061]
[0062] ΔE＝RH(cosα1-cosα2) (5)
[0063] 其中Δα＝αi+1-αi, 下标i＝0,1,…,n-1，表示测点的编号；ΔZ表示垂深增量，ΔN表示水平投影的正北方向增量，ΔE表示水平投影的正东方向增量。上述公式的角度都是测量已知量，分母位置的Δα和 单位一定要使用弧度。Z1、N1、E1是已知量，或者说是设定值，就可以得到测点2的信息，逐次计算下来，就能得到测点3、测点4、……、测点n的信息。
[0064] 但是在工程的实际计算中，由于Δα和 在分母位置，就要考虑当它们为零的情况。在工程应用中，为了减少出现错误的概率，要尽可能降低程序的逻辑复杂度。从而希望得到一种改进方法，能够统一处理这种情况。首先将原有的圆柱螺线法公式换一种表达形式，用平均角来表达：
[0065]
[0066]
[0067]
[0068] 其中根据正弦函数的幂级数展开式
[0069]
[0070] 取展开式的前两项即可近似处理可得
[0071]
[0072]
[0073] 将(9)和(10)式分别代入平均角表达式(1)、(2)和(3)中，得:
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 其中，αc表示测段相邻两个测点井斜角的平均值， 表示测段相邻两个测点方位角的平均值。
[0078] 这种表达方式统一处理了Δα、 等于0和逼近于0的特殊情况，相比于原式减少了计算量，同时降低了编程的逻辑复杂度。每个测段的增量都可以用(11)、(12)和(13)式进行计算，最上面的测点0由人为规定(直接取地面上的点)，即Z0、N0、E0都等于0，依次能够得到测点1直到最后一个测点n的垂深增量Z、正北增量N和正东增量E。
[0079] 在基坑工程的岩土变形监测中，垂深变化量ΔZ在基坑的沉降监测，用GPS测量更为准确，不需要建立近似模型。实际上需要使用的是正北和正东偏移量，以正北和正东分别设定为Y’轴和X’轴建立坐标系，将每一个测点的坐标量显示在坐标上。如果需要基坑在某一个方向上的水平位移量，那么将这个方向设为X轴，进行坐标系转换之后重新计算坐标量，每个测点的X点坐标，就是需要得到的水平位移量，如图4所示。根据圆柱螺线插值模型，将每个测点连接，描绘出该监测点的整个地下水平位移曲线，能够反映水平形变的大体趋势。
[0080] 在测量计算中还要注意以下问题：
[0081] (1)方位角校正
[0082] 工程中方位角的测量使用的是磁性测量仪器，此时测得的方位角是以磁北方位为基准的。磁北方位线是地磁的正北，与地理上的正北方位线不重合，两者之间的夹角称为磁偏角δ。
[0083] 另外，我国轨迹计算和绘图中使用的平面直角坐标系是高斯直角坐标系，相比于大地坐标系，高斯平面上任何一点都有其子午线收敛角γ。
[0084] 方位角校正公式： 本装置使用的角度传感器已考虑到磁偏角校正，所以方位角校正时δ不需要减去。
[0085] (2)井斜角等于0的情况
[0086] 当测点的井斜角测量值为0的时候，投影到水平面是一个点，这时候它的方位角是不存在的。针对此算法，为了便于计算，方位角 的取值就等同于邻近的测点的方位角。
[0087] (3)第0测点人为规定
[0088] 基坑水平位移测量工程中，测点0是人为规定的，通常取在接近地面的一点，所以在计算第一测段的时候，相比整条误差曲线，误差值会出现一个突变。应对方法是：将测点0的井斜角和方位角都设为测点1的一半，或者尽可能减小测点1和测点0之间的测段长度。
[0090] 测点的角度信息测量由南京理工大学设计的CP系列三维电子罗盘完成，能够测量该测点的俯仰角和航向角，将罗盘以合适的方式安置，则测量的两个角度值即对应圆柱螺线模型中的井斜角和方位角。该罗盘以TTL/RS232/RS485接口与上位机或嵌入式系统进行通信。具有精度高，运行稳定的特点，内置硬磁补偿标定功能，同时具有偏向角和磁偏角补偿功能
[0091] 罗盘测得的所有测点的角度信息，通过485总线传输给该监测点设立的微控制器，这里使用的是周立功的LPC1125，外围设计电路有电源模块，如图5：设计有24V转5V如图5(a)以及5V转3.3V电路如图5(b)，保证24V开关电源能够对设备供电，除此之外，由两节锂电池并联再连接稳压板设计而成的5V稳压电源也可以供电，便于充放电持续使用；
[0092] 其次，因为只需要每半天进行一次数据传输，所以芯片要设计成长时间处在深度睡眠状态，每天只在短暂的时间段内将设备唤醒进入工作状态，这样能够使得电池供电的持久性加强；
[0093] 有设计的485串口，485总线的工作方式恰好适应单个测斜板的设计要求：根据通讯协议，微控制器循环发出不同的查询指令，对应测斜板中的每个测点上的角度传感器只回应属于自己的查询指令。
[0094] 集成有无线模块：433MHz、BLE、ZIGBEE。这里使用的是能够一对多使用的，短距离、低功耗的ZIGBEE模块，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，如图6，向上级设备传送信息。每个监测点上的辅控制器汇集所有测点的角度信息，利用圆柱螺线模型测算出测段信息，并且得到该监测点的地下水平位移曲线，再通过ZIGBEE模块将信息聚集到一块主控制器上，同样使用LPC1125为核心，不同于其他的辅控制器，另外集成有GPRS模块，将所有监测点测算的位移信息传输给上位机，应工程的要求，每隔半天传输一次。GPRS模块采用SIM800C来完成GPRS无线通信功能，通过UART接口与LPC1125主芯片连接，主芯片通过UART发给SIM800C，然后由SIM800C往外发出，由上位机接收数据，工作方式简单、可靠。整套自动监测装置的工作流程如图7所示。
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