CN105696540A - 一种基坑深层水平位移与地下水位的测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基坑深层水平位移与地下水位的监测装置，所述监测装置包括监测模块，所述监测模块由若干个监测单元可拆卸串联组装构成；所述监测单元之间机械连接均采用万向联轴器，电力和电信号均采用带航空插头或插座的电缆连接。本发明基坑深层水平位移与地下水位的监测装置通过若干节斜度监测单元串联连接，可以适应监测孔的变形，在监测孔中较长时间段对监测孔的斜度变化进行连续监测。通过球状关节连接各监测单元，使监测装置在监测孔变形的情况下依然能自由沉入和拉出监测孔，提高了装置的重复使用率，降低了工程成本。

Description

一种基坑深层水平位移与地下水位的测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种基坑深层水平位移与地下水位的监测装置和方法，尤其是一种基坑深层水平位移与地下水位可以在同一个监测孔中进行自动化测量的监测装置以及利用该装置进行测量的方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，城市地下交通车站、超高层建筑、高铁工程车站等深基坑施工项目越来越多。

在深基坑在开挖过程中，由于各种应力会造成支护结构位移以及深基坑内外土体的变形。支护结构和被支护结构支护的土体的过大位移，不仅会危及深基坑本身，还会危及周边建筑物，极容易引发重大安全事故。

另外，基坑在开挖前必须要降低地下水位，但在降低地下水位后有可能引起坑外地下水位向坑内渗漏，诱发基坑出现塌方。

因此，在基坑施工过程中开展围护墙体及坑周土体深层水平位移监测、基坑内外地下水位监测，对于保证基坑工程安全生产、保护基坑周边环境具有重要作用。

目前，基坑深层水平位移监测主要是通过钻孔或与钢筋笼绑扎方式，将内设导向槽的测斜管垂直预埋地下，作为监测孔；然后由人工定期放入滑动式钻孔测斜仪，由管底沿导向槽向上移动，逐段测量探头轴线与原准线之间夹角，获得监测孔水平位移沿深度的变化曲线。这种测量方法由于需要现场人工逐米沉孔操作测量，不仅劳动强度大，时效性差，而且人为因素产生的误差经常远大于设备自身的误差。此外，当基坑土体发生大变形时，测斜孔也产生相应变形，有时造成设备无法放入测斜管内，导致监测孔报废，监测工作中断，重新钻孔测量与原测量数据无法对接，由于关键数据缺失，测量数据难以作为决策依据。

现有技术中基坑地下水位监测则主要是在基坑周边布设水位观测井，将水位管预埋在观测井中，采用电子水位计测量水位变化情况。基坑地下水位通常也需要测量人员现场采集数据，不能实施自动化遥测，实效性差。并且，由于目前尚无设备在一个监测孔内同时完成倾斜位移和水位的测量，导致基坑测斜管与水位管必须分开埋设，从而增加了施工费用与施工周期。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构新颖独特，使用方便，并且能够在同一个监测孔内对基坑深层水平位移与地下水位进行长期连续监测的监测装置。

一种基坑深层水平位移与地下水位的监测装置，所述监测装置包括监测模块，所述监测模块由若干个监测单元可拆卸串联组装构成；所述监测单元之间机械连接均采用万向联轴器，电力和电信号均采用带航空插头或插座的电缆连接。

进一步，所述监测模块中至少有一个监测单元为水位监测单元，其他的是位移监测单元；所述水位监测单元位于所述监测装置沉入监测孔时的底端。

进一步，所述位移监测单元包括斜度测量板，所述斜度测量板中的倾斜角度测量传感器的测量平面与所述位移监测单元的长度方向轴线垂直设置；所述斜度测量传感器对所述测量平面内的两个相互垂直的轴线的斜度进行测量。

进一步，所述水位监测单元包括压力传感器。

进一步，所述监测单元之间均采用可拆卸的万向联轴器连接。

进一步，所述可拆卸的万向联轴器包括球头连接杆和球头座连接杆；所述球头连接杆的球头与所述球头座连接杆的球头座适配连接；球头连接杆和球头座连接杆均设置有螺纹，分别通过螺纹与两端的监测单元连接。

进一步，所述位移监测单元的外壳为四方柱。

进一步，所述外壳的四个外侧面上设置有导向支撑轮。

进一步，所述导向支撑轮与所述外壳的连接强度小于所述万向联轴器的连接强度。

本发明还公开了一种自动化同孔测量基坑深层水平位移与地下水位方法，具体步骤为：

1）按监测所需深度进行钻孔，并将70mm标准滑动测斜管沉孔，沉孔完成后，对测斜管外灌浆固定测斜管，测斜管孔作为监测孔；

2）根据基坑监测孔深度，室内组装由若干节位移监测单元串联构成的监测装置，在首节再串联水位监测单元，并盘绕于辅助轮轴上；

3）将整套监测装置运至现场，使用手电钻将双向滑轮逐节快速安装于各个监测单元之上。然后，通过手摇辅助轮轴上的手柄，将各节监测单元逐次放入监测孔中，顺序沉孔；

4）沉孔完毕后，将数据线与采集单元连接，配置前端软件和后端服务器；

5）开始自动实时测量，在线生成深层水平位移和地下水位曲线报表。当监测数据超过设定阈值时，***自动发送报警提示。

本发明基坑深层水平位移与地下水位的监测装置通过若干节斜度监测单元串联连接，可以适应不同深度的监测孔的变形，在监测孔中较长时间段对监测孔的倾斜位移变化进行连续自动化监测。通过球状关节连接各监测单元，使监测装置在监测孔变形的情况下依然能自由沉入和拉出监测孔，提高了装置的重复使用率，降低了工程成本。

附图说明

图1为本发明斜度测量原理示意图；

图2是本发明监测装置的结构示意图；

图3为斜度监测单元结构示意图；

图4为斜度监测单元结构俯视图；

图5为万向联轴器结构示意图；

图6为水位监测单元结构示意图；

图7为水位监测单元俯视图；

图8为监测装置施工示意图。

图中：1、监测模块；2、位移监测单元；2-1、双向滑轮组件；2-2、热缩管；2-3、航空插头公头；2-4、航空插头母头；2-5、螺纹孔；2-6、偏心孔；2-7、壳体；2-8、电缆；2-9、封装体；2-9.1、外壳；2-9.2、横板；2-9.3、竖板；2-9.4、固定架；3、水位监测单元；3-1、螺纹孔；3-2、偏心孔；3-3、航空插头母头；3-4、壳体；3-5、电缆；3-6、封装体；3-6.1、电路板；3-6.2、固定架；3-6.3、封装外壳；3-9、水压探头；3-10、前罩；3-10.1、滤网盖；3-10.2、通水孔；4、万向联轴器；4-1、球头连杆；4-2、球头座连杆；4-2.1、螺纹端；5、轮轴运输车；6、监测孔；7、辅助轮轴;7-1、摇柄；8、双向滑轮构件；8-1、滑轮托板；8-2、卡接结构；8-3、滑轮；8-4、柔性轴、8-5、弹簧；8-6、滑轮槽。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

本发明测量基坑深层水平位移的测量原理如图1所示为，将监测装置分为若干节监测单元，通过各节监测单元的测量长度和该节监测单元的与竖直方向的夹角可以计算出每节监测单元所在的测量范围的水平双向位移；将所有监测单元的水平位移累计后可以得到整个监测装置的测量范围内的总位移。

本实施例中的基坑深层水平位移与地下水位的监测装置（以下简称监测装置）包括：监测模块1，监测模块1由若干节监测单元串联构成。监测单元分为位移监测单元2和水位监测单元3，各个监测单元之间通过可拆卸万向联轴器4连接在一起。如图2所示，监测模块包括串接的2节位移监测单元2和一节水位监测单元3；水位监测单元3在监测过程中位于监测模块的底端。如果不需要监测地下水位，则可以不串接水位监测单元3；根据监测孔6的深度，可以将7节、8节或者更多节的位移监测单元2串接在一起。当然，如果施工现场的监测孔6的深度比监测模块1的长度浅时，也可以拆卸下几节监测单元以适应监测孔6的深度。将监测模块1设置为可拆卸组装的另一个优势是，当其中一个监测单元发生故障时，方便更换。

监测装置还可以与数据采集单元和数据后处理分析软件配合，将监测模块的数据进行处理。

将水位监测单元3串接在监测模块1的底端，提供了一种自动化同孔测量基坑深层水平位移与地下水位的装置，解决了现有技术中基坑监测设备无法在同一监测孔中自动测量深层水平位移和地下水位的问题。

如图3所示，所述位移监测单元2包括壳体2-7和封装体2-9。封装体2-9安装在壳体2-7的内腔中，电源线及数据线组成的线缆2-8通过防水的航空插头公头2-3或者航空插头母头2-4与其他监测单元或者数据采集单元的航空插头连接。

封装体2-9由固定支架2-9.4、外壳2-9.1以及倾角传感器电路板构成。倾角传感器电路板分为横板2-9.2和竖板2-9.3。横板2-9.2与位移监测单元2长度的轴线方向垂直，内嵌高精度MEMS双轴加速度传感器或双轴倾角传感器，精确测量位移监测单元2在水平X、Y方向上的倾斜角度。竖板2-9.3与位移监测单元2长度的轴线方向平行，包含运算用单片机、RS485芯片、运放模块、电源稳压隔离模块和信号隔离模块，完成芯片数据的采集与处理。横板2-9.2与竖板2-9.3之间的电源和数据通过排缆连接，排缆采用焊接方式固定，连接更可靠。

固定支架2-9.4为T字型金属铝件，分为横板固定部分和竖板固定部分，通过螺钉分别将倾角传感器电路板的横板2-9.2和竖板2-9.3进行固定，确保整个倾角传感器电路板结构的稳定性。外壳2-9.1的外壁标注XY轴方向印记，内壁与固定支架2-9.4固定连接。封装体的外壳2-9.1为圆筒型金属铝件，其上下顶盖设置走线孔、注胶孔和注胶排气孔。上下顶盖的走线孔用于倾角传感器电路板上下电源数据线缆的引出。上下顶盖的注胶孔和注胶排气孔用于将环氧胶灌入筒体内部，对传感器主器件电路进行永久防水、防压、防震封装保护。

如图4所示，位移监测单元2的壳体根据测量需求，通常选择450mm长的轻质合金长方体管件，其上下顶盖设置走线偏心孔2-6和螺纹孔2-5，内壁设置有固定螺纹孔，通过螺钉将倾角传感器电路板封装结构固定在壳体2-7的内壁上。上下顶盖的走线偏心孔2-6用于引出上下电源数据线。监测单元之间连接用的航空插头均通过防水处理。上下顶盖的螺纹孔2-5用于万向联轴器4的连接，并通过锁母锁紧。壳体2-7内腔中放置电路板的封装体2-9，其余部分使用硅胶填充。壳体2-7外壁标注XY轴方向印记，封装体2-9外壁的X轴标记方向与壳体2-7外壁的X轴标记方向保持一致。方便施工时统一布置位移监测单元的安装位置，避免测量数据的混乱。

随着基坑深度的增加，测斜管受到的压力会逐步增大，该压力会造成测斜管的局部变形，根据国家标准，测斜管的变形应不超过20mm。为了减少因测斜管变形使监测模块无法拔出的情况发生，环绕壳体2-7沿长度方向的两个端部设置有两组双向滑轮构件8。

每组双向滑轮构件8由4个滑轮8-3和一个滑轮托板8-1组成；滑轮8-3作为导向支撑轮，一方面起导向作用，另一方面对位移监测单元2进行支撑，减少位移监测单元2和测斜管壁之间的摩擦力，使位移监测单元2沉入和拔出操作更顺畅。滑轮托板8-1为方形框架，每个边设置有两个卡接结构8-2，通过卡接结构与壳体2-7的外壁卡接；滑轮8-3通过柔性轴8-4与滑轮托板8-1连接，可以沿测斜管的轨道槽滚动。滑轮8-3的外缘与壳体2-7外壁之间留有空隙；空隙处设置有滑轮槽8-6，滑轮槽8-6的槽型允许滑轮8-3在槽内前后挪动；滑轮槽8-6设置有弹簧8-5，向外顶推滑轮8-3。利用柔性轴8-4的柔性特点，滑轮8-3在滑轮槽8-6内可以前后挪动。

当测斜管变形较小时，测斜管内壁挤压滑轮8-3，压缩弹簧8-5向滑轮槽8-6内部深陷，不影响滑轮的正常工作。当测斜管变形继续增大，滑轮8-3贴近壳体2-7外壁仍不能消除测斜管的变形时，滑轮8-3会在压力作用下侧倒，使方形框架的变形增大，甚至使方形框架断裂或者卡接结构8-2卡接脱离；滑轮8-3以上述方式之一脱离壳体，使壳体2-7与测斜管内壁的距离增大，使得监测单元能够从测斜管中拔出。

数据采集单元包括Zigbee+GPRS无线数据采集发射装置、安装防护用配电箱和充电供电***，利用移动基站传输监测数据，方便实现在无人值守环境下完成数据的实时采集和发送。监测装置的数据线采用RS485总线通讯接口与无线数据采集发射装置相连，利于扩展，通信质量高且施工方便。

数据后处理分析软件由现场测试单机版软件、后台展现BS架构软件构成，方便通过手机等手持终端在线完成监测数据的接收、存储、处理、分析、报警、可视化展现等软件功能。

如图5所示，可拆卸万向联轴器4包括球头连杆4-1和球头座连杆4-2；球头连杆4-1和球头座连杆4-2的连杆部均为实心圆柱，直径为15mm。球头连杆4-1的球头和球头座连杆4-2的球头座适配，形成柔性连接，球头连杆的连杆部与球头相对的一端设置有螺纹端4-2.1，通过监测单元壳体2-7端部的螺纹孔2-5将球头连杆4-1与壳体2-7固定连接。同样，球头座连杆4-2的连杆部与球头座相对的一端设置有螺纹端4-2.1，通过监测单元壳体2-7端部的螺纹孔2-5将球头座连杆4-2与壳体2-7固定连接。球头连杆4-1、壳体2-7和球头座连杆4-2组成监测节，球头连杆4-1的球头的球心距球头座连杆4-2的球头座的球心为监测节的长度；将监测节的有效长度设定为500mm，以确保整个装置精确按照0.5米间隔测量监测孔倾斜角度。当然，改变球头连杆4-1和球头座连杆4-2以及监测单元壳体2-7的尺寸可以改变测量间隔。

通过万向联轴器4可实现相邻两监测单元之间的连接，并吸收监测孔变形过程中监测单元产生的变形能，在实现监测装置随监测孔协调变形的前提下，确保监测单元结构不受损坏，所测角度真实代表监测单元的空间倾斜状况。同时，铰接的连接方式易于安装与拆卸，方便折叠运输。相对于其他柔性连接方式，球头连杆和球头座连杆配合的铰接连接方式可以保证每个监测节的长度固定，不会因测斜管的变形或者曲率变化而改变，极大地提高了对水平位移的测量精度。

可拆卸万向联轴器4的球头连杆4-1和球头座连杆4-2均为高强不锈钢件，可以避免长期在地下潮湿环境中因腐蚀而影响连接强度以及影响球头和球头座之间灵活转动。

如图6所示，水位监测单元3包括壳体3-4、前罩3-10、封装体3-6和水压探头3-9；水压探头3-9采用压敏式水压力传感器，通过胶封固定于壳体3-4的底部，通过线缆与水压电路板焊接连接，不仅保证连接强度，还可以抵御地下水的侵蚀。前罩3-10固定在壳体3-4的底部，设置有通水孔3-10.2，通水孔3-9.2外设置有滤网盖3-9.1，在确保监测孔内部地下水压力精确测量的同时，可以防止泥沙堵塞探头。

封装体3-6包括水压电路板3-6.1、固定支架3-6.2和封装外壳3-6.3。固定支架3-6.2为金属铝件，用于固定水压电路板3-6.1，确保电路板结构的稳定性。封装体3-6固定在壳体3-4的内腔中，通过配有防水航空插头的电缆3-5与上一级监测单元连接。

封装外壳3-6.3为圆筒型金属铝件，其上下顶盖设置走线孔、注胶孔和注胶排气孔，其桶身内壁与固定支架3-6.2固定连接。上下顶盖的走线孔用于水压电路板上下电源数据线缆的引出。上下顶盖的注胶孔和注胶排气孔用于将环氧胶灌入筒体内部，对传感器主器件电路进行永久防水、防压、防震封装保护。通过封装外壳、防水航空插头等防水设计，可以提高监测单元的防水性能，降低监测单元的故障率。

如图7所示，水位监测单元的壳体3-4为圆柱型不锈钢管，其上顶盖设置走线偏心孔3-2和铰接杆安装螺纹孔3-1，水压电路板3-8通过螺钉固定壳体3-4内壁上。上顶盖的走线偏心孔3-2用于引出电源数据线，并通过焊接胶接制作防水航空插头。上顶盖的铰接杆安装螺纹孔3-1用于与球型铰接单元的铰接杆连接，并通过锁母锁紧。为了避免地下水对电路部分侵蚀，水压电路板固定后，可以用硅胶填充满壳体的内腔。

为了施工方便，监测装置还配备有运输安装单元。运输安装单元由整装设备孔口固定装置、辅助轮轴7构成，可方便地完成测量设备的下沉安装与拔出回收。

把监测模块盘绕在辅助轮轴7上，辅助轮轴可以是圆柱状，也可以是如图8所示的八棱柱，棱柱的端面边长与监测节的长度一致更有利于将监测模块盘绕在辅助轮轴上。将辅助轮轴架设在轮轴运输车5上，可以减轻搬运的负担。

还可以在辅助轮轴7侧面上设置安装防护用配电箱（图中未示出），将数据采集单元固定在配电箱内，为数据采集单元提供安全的运行环境，避免其在雨水或风沙天气的受到破坏。

监测装置的工作过程如下：

1.将位移监测单元2，水位监测单元3在温度控制箱内进行温度系数修正；

2.将位移监测单元2，水位监测单元3内的传感器进行整单元精度标定；

3.根据实际测量需要连接若干长度的位移监测单元2与水位监测单元3组成监测模块1，其中，水位监测单元3安装在首节；

4.若预计地下监测时间将超过两个月，则需要通过使用用喷枪对连接航空插头进行胶喷保护并在航空插头外包覆热缩管2-2；

5.将连接好的监测模块1，盘绕在沉孔辅助轮轴7上；

6.将无线数据采集发射装置、充电供电***固定于防护用配电箱内，并且将防护用配电箱固定于设备运输沉孔辅助轮轴7侧面右侧；

7.将沉孔辅助轮轴7架设在轮轴运输车5上，运输至施工现场；

8.从辅助轮轴中部的工具箱取出配件双向滑轮构件8，每节监测单元上通过手电钻快速安装两组，第一节和第二节安装完成后将滑轮对准测斜管的导轨逐节将监测单元沉入测斜管，逐节沉入的时候再逐节安装双向滑轮构件8，待节数沉入一定数量时候，手工沉入开始吃力的时候，使用辅助轮轴上的旋转摇柄7-1，逐接缓慢沉入；

9.如果实际监测孔6深度比设计深度浅，可以使用工具壁纸刀去除后面一节航空插头热缩管2-2，拔开航空插头，使用扳手拧开可拆卸球型铰接杆，缩短监测模块的长度；

10.监测模块1沉孔完成后，将监测模块1的上端固定于监测孔6的孔口；

11.将内置无线数据采集发射装置、充电供电***的配电箱从辅助轮轴7上卸下，固定在整装设备的孔口固定装置上，并将监测单元的485总线与无线数据采集发射装置连接；

12.使用现场测试单机版软件读取初次数据，并且进行采样频率设置；

13.使用手机无线上网观看数据变化曲线，无误则开始定期监测，实时在线查看数据变化，并且设置报警阈值及报警方式；撤离辅助轮轴7。

监测工作完成后，使用辅助轮轴7将整条设备摇出。如果监测孔6变形较大，设备摇出时候会损坏可拆卸双向滑轮构件8，主体设备不会受损，下次使用时更换双向滑轮构件8即可。

如果传感器在使用过程中出现损坏，由于每节监测单元的IP地址是唯一的，，只需将备用的监测单元设置IP地址后，代替故障监测单元接入监测模块即可投入运行；维修方便。

如长时间监测地下水浸泡可拆卸万向联轴器4旋转不畅，下次使用可进行附件更换即可。

监测装置可精确测量监测孔中地下水位标高量以及孔底至孔口每0.5米间隔位置处管体水平位移量，监测成本低，精度高，安装方便，可重复使用。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。

Claims (10)

1.一种基坑深层水平位移与地下水位的监测装置，包括监测模块，其特征在于，所述监测模块由若干个监测单元可拆卸串联组装构成；所述监测单元之间机械连接均采用万向联轴器，电力和电信号均采用带航空插头或插座的电缆连接。

2.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述检测模块中至少有一个监测单元为水位监测单元，其他的是位移监测单元；所述水位监测单元位于所述监测装置沉入监测孔时的底端。

3.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述位移监测单元包括斜度测量板，所述斜度测量板中的倾斜角度测量传感器的测量平面与所述位移监测单元的长度方向轴线垂直设置；所述斜度测量传感器对所述测量平面内的两个相互垂直的轴线的斜度进行测量。

4.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述水位监测单元包括压力传感器。

5.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述监测单元之间均采用可拆卸的万向联轴器连接。

6.如权利要求4所述的监测装置，其特征在于，所述可拆卸的万向联轴器包括球头连接杆和球头座连接杆；所述球头连接杆的球头与所述球头座连接杆的球头座适配连接；球头连接杆和球头座连接杆均设置有螺纹，分别通过螺纹与两端的监测单元连接。

7.如权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述位移监测单元的外壳为四方柱。

8.如权利要求6所述的监测装置，其特征在于，所述外壳的四个外侧面上设置有导向支撑轮。

9.如权利要求7所述的监测装置，其特征在于，所述导向支撑轮与所述外壳的连接强度小于所述万向联轴器的连接强度。

10.一种基坑深层水平位移与地下水位的测量方法，其特征在于，具体步骤为：

1）按监测所需深度进行钻孔，并将70mm标准滑动测斜管沉孔，沉孔完成后，对测斜管外灌浆固定测斜管，测斜管孔作为监测孔；

2）根据基坑监测孔深度，室内组装由若干节位移监测单元串联构成的监测装置，在首节再串联水位监测单元，并盘绕于辅助轮轴上；

3）将整套监测装置运至现场，使用手电钻将双向滑轮逐节快速安装于各个监测单元之上;然后，通过手摇辅助轮轴上的手柄，将各节监测单元逐次放入监测孔中，顺序沉孔；

4）沉孔完毕后，将数据线与采集单元连接，配置前端软件和后端服务器；

5）开始自动实时测量，在线生成深层水平位移和地下水位曲线报表;当监测数据超过设定阈值时，***自动发送报警提示。