适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统及其操作方法与流程

1.本发明属于基坑开挖监测技术领域，尤其是涉及一种适用于高边坡与河道双台阶的复杂地质条件，采用空地结合的思想，实现基坑开挖监测和预警的系统及其操作方法。


背景技术：

2.随着我国大基建的进一步开展，地下空间的利用受到了越来越多公众的关注，许多城市相继建设了地铁、地下快速路等地下公共设施，这些设施的建设离不开基坑工程。由于城市内部建筑密集度的大幅度提高以及地质环境的日益复杂，许多基坑紧邻大型建筑物、山岭以及河道等，在基坑两侧形成不对称偏压，对基坑工程的施工带来了安全隐患，一些偏压导致的工程事故也见诸报端。基坑工程是一个建筑物的根基，决定了建筑物的长期性能，影响着周围群众的生命和财产安全，需要城市建设者的密切关注。
3.在一侧存在永久边坡、另一侧存在河道的“双台阶”复杂地质环境中的基坑工程，由于高偏压的影响，基坑的稳定性和变形计算更加复杂，更难以预测。目前国内外对于高偏压对基坑工程的影响规律的研究较少，对这种复杂地质条件下的变形规律也不太清楚。因此，在这种复杂地质环境中进行基坑工程施工，需要对高边坡、河道变形进行严密的监测。现阶段已有的基坑监测装置和系统通常用于对称荷载条件下的基坑工程，无法实现对高边坡、河道的变形监测，或是对高边坡和河道的变形监测较少、不精确、不实时，无法用于高偏压条件下的基坑工程监测。


技术实现要素：

4.为了克服现有的基坑监测系统及其操作方法无法对高边坡和河道的变形进行监测，或是对高边坡和河道的变形监测较少、不精确、不实时，无法用于高偏压条件下基坑工程监测的问题，实现在高边坡与河道双台阶的复杂地质条件下，空地结合地对基坑开挖进行监测和预警，填补高边坡偏压条件下基坑工程检测系统的空白，本发明提供了适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统及其操作方法能有效地克服上述基坑工程监测系统及其操作方法的缺点。本系统不但可以应用与高边坡高偏压条件下的基坑工程监测，而且具有智能预警功能，能够保障基坑工程施工的安全性。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
6.一种适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统，包括无人机、土体位移监测装置和高边坡滑动监测装置，所述土体位移监测装置位于河道内，高边坡滑动监测装置位于高边坡内；
7.所述土体位移监测装置包括钢制外壳、中心杆件、固定螺栓、传输天线、激光透镜、锚定装置、螺纹口、限位挡板、转轴、活塞、液压五通、锚定水平桩、水平位移监测装置、倾斜角度传感器、正电极、负电极、导电液体、电源、电流表、数据传输设备和钻头，钢制外壳与螺纹口外环通过螺纹连接；中心杆件与螺纹口内环通过螺纹连接，中心杆件的下端与限位挡
板固定连接；固定螺栓与中心杆件的上端通过螺纹连接；传输天线与固定螺栓固定连接；激光透镜与传输天线固定连接；转轴与限位挡板固定连接；液压五通与锚定装置连接；液压五通的上部活塞与转轴固定连接；锚定水平桩与液压五通的下部活塞固定连接；倾斜角度传感器与水平位移监测装置固定连接；正电极与倾斜角度传感器固定连接；负电极与倾斜角度传感器固定连接；导电液体放置于倾斜角度传感器中；电源与水平位移监测装置固定连接；电流表与水平位移监测装置固定连接；数据传输设备与水平位移监测装置固定连接；钻头与水平位移监测装置固定连接；
8.所述高边坡滑动监测装置包括定位杆、滑动面监测单元、高强弹簧、导向杆、钢制顶针、压力位置传感器和上部传输单元；定位杆插入滑动面监测单元的预留孔位中，定位杆的上端安装传输天线，所述传输天线与上部传输单元固定连接，滑动面监测单元上下层叠布置，每个滑动面监测单元中，高强弹簧与滑动面监测单元固定连接；导向杆与滑动面监测单元固定连接；钢制顶针与高强弹簧固定连接；压力位置传感器与相邻上层的滑动面监测单元底面固定连接；
9.所述无人机上安装红外热成像相机和激光测距仪。
10.进一步，所述土体位移监测装置中，液压五通的上部活塞与转轴通过粘合剂连接；锚定水平桩与液压五通的下部活塞通过粘合剂连接；正电极与倾斜角度传感器通过粘合剂连接；负电极与倾斜角度传感器通过粘合剂连接；电源与水平位移监测装置通过粘合剂连接；电流表与水平位移监测装置通过粘合剂连接；数据传输设备与水平位移监测装置通过粘合剂连接。
11.再进一步，所述高边坡滑动监测装置还包括数据传输设备、蓝牙mesh发送天线和蓝牙mesh接收天线，数据传输设备与滑动面监测单元通过粘合剂连接；蓝牙mesh发送天线与滑动面监测单元通过粘合剂连接；蓝牙mesh接收天线与滑动面监测单元通过粘合剂连接。
12.所述高边坡滑动监测装置还包括万向滚珠，所述万向滚珠嵌入相邻下层的滑动面监测单元的顶面；
13.一种适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统的操作方法，包括以下步骤：
14.1)土体位移监测，过程如下：
15.1.1)某一时刻，河道底部土体发生沉降和水平位移；
16.1.2)沉降监测，无人机通过激光测距仪发送激光，激光透镜接收到激光后测得无人机与土体位移监测装置的距离，由于无人机的位置通过定位系统得到，因此计算得到土体位移监测装置的高度变化，即沉降；
17.1.3)水平位移监测，水平位移监测装置发生倾斜，带动倾斜角度传感器倾斜，但导电液体的液面保持水平，负电极为一长电阻丝，液面变化使得其有效电阻发生变化，四根负电极通过电流表的电流分别呈现升高和降低的趋势，根据电流表测得的四个电流量变化，可以计算得到液面发生倾斜的角度；
18.1.4)数据回报和预警，土体位移监测装置测得的沉降和水平位移数据通过传输天线发送至监控系统，当沉降和水平位移达到监控系统中预先设置的阈值时，触发监控系统报警；
19.2)高边坡滑动监测，过程如下：
20.2.1)某一时刻，高边坡中土体沿着假想滑动面发生滑动；
21.2.2)高边坡滑动监测装置中对应假想滑动面深度的两个滑动面监测单元发生相对位移；
22.2.3)由于钢制顶针底部存在高强弹簧，使其始终顶在上一个滑动面监测单元的压力位置传感器上，滑动面检测单元的相对位移使得压力位置传感器监测到的压力位置发生变化；
23.2.4)压力位置的变化被数据传输设备接收，并通过蓝牙mesh连接的方式逐级向上传输至上部传输单元，上部传输单元将数据通过传输天线发送至监控系统；
24.2.5)当相对滑动达到监控系统中预先设置的阈值时，触发监控系统报警，监控系统根据布置的多个高边坡滑动监测装置传回的数据，分析出滑动面的具体位置和安全系数，并上报给用户。
25.进一步，所述土体位移监测装置安装过程为：检查中心杆件为旋松状态，卸下传输天线和激光透镜，将土体位移检测装置用静力压桩的方法压入河道中，并使钻头进入土体一定深度，保证水平位移监测装置和锚定装置充分与土体接触。
26.适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统的安装步骤如下：
27.(a)旋紧中心杆件，中心杆件沿螺纹口下降，通过转轴推动活塞，使得液压五通内液压升高，推动锚定水平桩伸出锚定装置的外壳而嵌入土中；
28.(b)旋松钢制外壳，使其与装置主体分离，取出钢制外壳；
29.(c)安装传输天线和激光透镜，旋紧固定螺栓；
30.(d)完成所有土体位移监测装置的安装；
31.(e)高边坡滑动监测装置安装，将上部传输单元和滑动面监测单元组装成整体，用定位杆串联起来，打开数据传输设备，进行蓝牙mesh配对，检查各单元之间的通讯情况；
32.(f)将高边坡滑动监测装置用静力压桩的方法压入高边坡；
33.(g)拔出定位杆，使各单元之间能有相对滑动；
34.(h)安装传输天线；
35.(i)完成所有高边坡滑动监测装置的安装。
36.(j)通过传输天线将土体位移监测装置和高边坡滑动监测装置与监控系统连接起来，开始监测。
37.本发明给出了适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统及其操作方法，能够实现在高边坡与河道双台阶的复杂地质条件下，空地结合地对基坑开挖进行实时监测和智能预警。
38.本发明的有益效果主要表现在：(1)土体位移监测精确。本系统采用的土体位移监测装置中设计有锚定装置，在工作阶段可以使装置主体与土体紧密贴合；土体倾斜角度依靠导电液体在重力作用下保持水平面的原理测定，导电液体易流动、无粘接性，因此角度测量较为精确。(2)滑动面监测范围广。高边坡滑动装置由上部传输单元和滑动面监测单元组合而成，单元间通过蓝牙mesh方式互相连接，对滑动面监测单元的数量无限制，因此可以支持不同深度的土体剪切位移监测，从而能够实现大范围、多深度的边坡滑动面监测。(3)空地结合的多维监测。本系统设计有无人机巡检装置，能够对巡检取得的红外图像进行识别，
通过监控系统与深入地下的高边坡滑动监测装置和土体位移监测装置互相比对，不仅实现了多维度的监测，而且可以纠正因风荷载、水流等导致的细微误差，降低了误报率，提高了预警的准确度。
附图说明
39.图1是适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统布置图。
40.图2是土体位移监测装置主视图。
41.图3是土体位移监测装置详图。
42.图4是锚定装置结构图，其中，(a)表示锚定水平桩收回，(b)表示锚定水平桩伸出。
43.图5是水平位移监测装置俯视图。
44.图6是倾斜角度传感器详图，其中，(a)表示竖直状态，(b)表示倾斜状态。
45.图7是高边坡滑动监测装置布置图。
46.图8是高边坡滑动监测装置主视图。
47.图9是滑动面监测单元主视图。
48.图10是滑动面监测单元俯视图，其中，(a)表示未滑动示意图，(b)表示已滑动示意图。
49.图11是无人机示意图。
50.图12是监控系统的运行图。
具体实施方式
51.下面结合附图对本发明作进一步描述。
52.参照图1～图12，一种适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统，包括河道1、基坑2、高边坡3、监控系统4、无人机5、土体位移监测装置6、高边坡滑动监测装置7、钢制外壳8、中心杆件9、固定螺栓10、传输天线11、激光透镜12、锚定装置13、螺纹口14、限位挡板15、转轴16、上活塞171、下活塞172、液压五通18、锚定水平桩19、水平位移监测装置20、倾斜角度传感器21、正电极22、负电极23、导电液体24、电源25、电流表26、数据传输设备27、钻头28、定位杆29、滑动面监测单元30、高强弹簧31、导向杆32、钢制顶针33、压力位置传感器34、数据传输设备35、蓝牙mesh发送天线36、蓝牙mesh接收天线37、万向滚珠38、上部传输单元39、假想滑动面40、红外热成像相机41和激光测距仪42。
53.所述土体位移监测装置6中，钢制外壳8与螺纹口14外环通过螺纹连接；中心杆件9与螺纹口14内环通过螺纹连接，中心杆件9的下端与限位挡板15固定连接；固定螺栓10与中心杆件9的上端通过螺纹连接；传输天线11与固定螺栓10固定连接；激光透镜12与传输天线11固定连接；转轴16与限位挡板15固定连接；液压五通18与锚定装置13连接；液压五通18的上部活塞171与转轴16通过粘合剂连接；锚定水平桩19与液压五通18的下部活塞172通过粘合剂连接；倾斜角度传感器21与水平位移监测装置20固定连接；正电极22与倾斜角度传感器21通过粘合剂连接；负电极23与倾斜角度传感器21通过粘合剂连接；导电液体24放置于倾斜角度传感器21中；电源25与水平位移监测装置20通过粘合剂连接；电流表26与水平位移监测装置20通过粘合剂连接；数据传输设备27与水平位移监测装置20通过粘合剂连接；钻头28与水平位移监测装置20固定连接；
54.所述高边坡滑动监测装置中，定位杆29插入滑动面监测单元30的预留孔位中，定位杆29的上端安装传输天线11，所述传输天线11与上部传输单元39固定连接，滑动面监测单元30上下层叠布置，每个滑动面监测单元30中，高强弹簧31与滑动面监测单元30固定连接；导向杆32与滑动面监测单元30固定连接；钢制顶针33与高强弹簧31固定连接；压力位置传感器34与相邻上层的滑动面监测单元30底面通过粘合剂连接；数据传输设备35与滑动面监测单元30通过粘合剂连接；蓝牙mesh发送天线36与滑动面监测单元30通过粘合剂连接；蓝牙mesh接收天线37与滑动面监测单元30通过粘合剂连接；万向滚珠38嵌入相邻下层的滑动面监测单元30的顶面；
55.所述无人机5上安装红外热成像相机41和激光测距仪42。
56.某地铁车站基坑开挖工程，基坑南侧3～9m处为岩质边坡，坡顶距现有路面最大高差分别约为32m；基坑北侧8m处为既有河流。车站基坑不但存在较大的偏压，而且车站主体结构开挖后，将形成超过15m的临空面，若支护结构不能满足侧向压力，而造成围护结构产生过大变形，地质及周边环境相对复杂，需要进行密切的监测。传统的基坑监测装置和方法一般仅用于对称荷载、普通地层的基坑工程，无法专门对高边坡和河道的变形进行监测，或是对高边坡和河道的变形监测较少、较不精确、不实时，无法用于本基坑工程的监测。采用适用于高边坡与河道双台阶的空地结合基坑开挖监测预警系统及其操作方法可以实现本基坑工程的监测和预警。
57.根据本基坑工程实际情况，采用一台监控系统4、一台无人机5、九台土体位移检测装置6、九台高边坡滑动监测装置7。
58.在基坑工程施工前，安装监控系统4，并启动无人机5，对河道1、高边坡3进行图像扫描，以便确定监测布置点位。
59.土体位移监测装置布置设计。对河道1进行平面划分，在水平面上按照3*3均匀分布的方式取得9个布置点。
60.高边坡滑动监测装置布置设计。对取得的高边坡3的图像进行分析，结合地质勘探报告，初步确定可能的滑动面40位置范围，设计高边坡滑动监测装置7的滑动面检测单元30的数量；同时对可能的滑动面40按弧长相等的原则进行划分，按3*3分布的方式取得9个布置点。
61.土体位移监测装置安装。检查中心杆件9为旋松状态，卸下传输天线11和激光透镜12，将土体位移检测装置6用静力压桩的方法压入河道1中，并使钻头28进入土体一定深度，保证水平位移监测装置20和锚定装置13充分与土体接触，过程如下：
62.(k)旋紧中心杆件9，中心杆件9沿螺纹口14下降，通过转轴16推动活塞17，使得液压五通18内液压升高，推动锚定水平桩19伸出锚定装置13的外壳而嵌入土中。
63.(l)旋松钢制外壳8，使其与装置主体分离，取出钢制外壳8。
64.(m)安装传输天线11和激光透镜12，旋紧固定螺栓10。
65.(n)重复步骤(a)
‑
(c)，完成所有土体位移监测装置6的安装。
66.(o)高边坡滑动监测装置7安装。将上部传输单元39和滑动面监测单元30组装成整体，用定位杆29串联起来，打开数据传输设备35，进行蓝牙mesh配对，检查各单元之间的通讯情况。
67.(p)将高边坡滑动监测装置7用静力压桩的方法压入高边坡3。
68.(q)拔出定位杆29，使各单元之间能有相对滑动。
69.(r)安装传输天线11。
70.(s)重复步骤(e)
‑
(h)，完成所有高边坡滑动监测装置7的安装。
71.(t)通过传输天线11将土体位移监测装置6和高边坡滑动监测装置7与监控系统4连接起来，开始监测。
72.为说明土体位移监测装置6的工作原理，本实施例以河道1底部土体发生沉降和水平位移为例来详细阐述其实现原理，土体位移监测过程包括以下步骤：
73.1.1)某一时刻，河道1底部土体发生沉降和水平位移。
74.1.2)沉降监测。无人机5通过激光测距仪42发送激光，激光透镜12接收到激光后测得无人机4与土体位移监测装置6的距离，由于无人机5的位置可通过gps、北斗等定位系统得到，因此可计算得到土体位移监测装置6的高度变化，即沉降。
75.1.3)水平位移监测。水平位移监测装置20发生倾斜，带动倾斜角度传感器21倾斜，但导电液体24的液面保持水平，负电极23为一长电阻丝，液面变化使得其有效电阻发生变化，四根负电极23通过电流表26的电流分别呈现升高和降低的趋势，根据电流表26测得的四个电流量变化，可以计算得到液面发生倾斜的角度。
76.1.4)数据回报和预警。土体位移监测装置6测得的沉降和水平位移数据通过传输天线11发送至监控系统4，当沉降和水平位移达到监控系统4中预先设置的阈值时，触发监控系统4报警。
77.为说明高边坡滑动监测装置7的工作原理，本实施例以高边坡3中土体沿着假想滑动面40发生滑动为例来详细阐述其实现原理，高边坡滑动监测过程包括以下步骤：
78.2.1)某一时刻，高边坡3中土体沿着假想滑动面40发生滑动。
79.2.2)高边坡滑动监测装置7中对应假想滑动面40深度的两个滑动面监测单元30发生相对位移(滑动)。
80.2.3)由于钢制顶针33底部存在高强弹簧31，使其始终顶在上一个滑动面监测单元30的压力位置传感器34上，滑动面检测单元30的相对位移使得压力位置传感器34监测到的压力位置发生变化。
81.2.4)压力位置的变化被数据传输设备35接收，并通过蓝牙mesh连接的方式逐级向上传输至上部传输单元39，上部传输单元39将数据通过传输天线11发送至监控系统4。
82.2.5)当相对滑动达到监控系统4中预先设置的阈值时，触发监控系统4报警，监控系统4根据布置的多个高边坡滑动监测装置7传回的数据，分析出滑动面40的具体位置和安全系数，并上报给用户。
83.本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。