超动态变形场长时间观测系统

1 薛丽萍 1 华俊远 2 王建中

²漯河新区投资发展有限公司 河南 漯河 462000

摘要：通过对某市地铁车站深基坑施工过程中变形的观测与分析，深入探讨了明挖法深基坑施工中每个监测点的布置原则，并且根据实际情况提出了相应的解决对策；指出应该加强对深基坑周边建筑物的监测，并且在施工中要做好信息化管理，确保整个施工过程的安全，同时也为其他类似工程的设计与施工监测提供有益的借鉴。

关键词：超动态;深坑基；观测

引言

这一技术应用之后会使表面位移产生变化，情况严重还会发生地面沉降以及围护结构沉降等，要是其沉降范围超出正常范围，必然会影响到周围建筑及管线的正常应用，也会影响整个深基坑的稳定。所以，在施工的时候就必须要控制好深基坑的变形情况，对其围护结构以及周围的物体加强监测，并以实际监测数据为准，实施管理控制，保证工程安全性。

1基于DSCM的岩石动态变形测量系统

动态变形测量系统主要由高速图像数据采集硬件和DSCM分析软件组成。DSCM又称为数字图像相关（DIC）方法，是一种力学变形场测量方法，其原理是：通过匹配物体表面不同状态下的数字化散斑图像上的几何点，跟踪点的运动获得物体表面变形信息。如图1所示定义变形前图像为Is，变形后图像为It。选取P点的特征散斑f对源图像Is上一点P进行跟踪，并在目标图像上搜索与之最匹配的散斑图案g，所对应的Q点即为P点变形后的位置。f和g的匹配程度一般使用相关函数来定义，式（1）为一种比较常用的相关函数形式（最佳匹配时C取最大值）。

图1相关匹配示意图

其中，C为相关系数，f=f(x,y)为参考图像中以P点为中心的散斑图灰度值，g=g(x+u,y+v)为目标图像中以Q点为中心的散斑图灰度值，N为搜索窗口尺寸。高速DSCM的图像分析与普通DSCM相同，因而此部分主要介绍高速DSCM的高速图像采集系统。

2超动态变形场长时间观测系统

2.1分布式高速数据连续采集技术

以本系统为例，用分辨率为16bit(2Bytes)、采样频率为4MHz的采集器对64个信号进行数据采集，每s所产生的数据量是2Byte×4M×64=512Mbyte，而计算机硬盘在理想情况下的连续写入速度一般不会超过70～80MBytes/s，显然，数据产生的速度已经超过了一般计算机可达到的连续存储速度。同时，在数据采集期间，计算机需同时兼顾管理数据采集器、从数据采集器向内存转移数据、将原始数据变换为可处理格式与数据存盘等多项任务，留给数据存储的时间更少，因此，需要在更短的时间内完成1个数据段(块)内的数据转存。经验证明，以上过程要求系统的转存速度比采集速度高1倍以上，远远超过了一般计算机的连续存储速度。另外，本系统的连续采集会产生大量数据，每h约产生1.8TBytes数据，假如实验进行十几h，数据量可能达到20～30TBytes，超出了目前硬盘的最大容量。基于上述现状，系统使用分布式并行数据采集方式来解决单台采集器无法快速存储大量数据的问题。系统配置的单块高速数据采集卡有4个高速同步采集通道，16位数据采集分辨率，将最高采集频率设定为4MHz。每块采集卡配装1套可编程采集控制器，控制器配有4TByte以上的数据存储磁盘空间。16块采集卡与控制器组成了1套具有16个数据采集单元的高速数据采集系统。在进行实验时，根据实际的通道需求，可使用部分或者全部采集设备并行采集。

2.2变形监测点的设置

车站工程设置监测点进行施工变形观测, 及时预报施工中出现的问题, 利用监测信息化施工手段, 科学合理地指导基坑开挖施工, 确保围护结构、管线及周围建筑物的安全。各监测点布置原则如下:1) 连续墙墙体测斜:在围护墙内预埋测斜管, 与围护墙深度相同, 观测点间距 20 m～ 30 m, 基坑每边都保证有监测测点。 2)围护墙顶位移:沿基坑周边布置, 测点距离约 20 m。3)支撑轴力 :采用轴力计, 测试截面选择在不产生拉应力的截面布置, 一般沿基坑纵向每 2 个开挖段为(约 50 m) 一组。 4) 坑周地表沉降:采用围护墙顶位移同一观测断面布置, 量测 2 倍 ～ 3 倍基坑深度范围内的地表沉降。 5) 地下水位:沿基坑长边至少布置 3 个, 在部分位置适当加密。 6) 地表建筑物沉降:测点布置在施工影响范围内( 2 倍基坑开挖深度)的建筑物上, 根据建筑物的结构形式确定观测点, 一般布置在建筑物的角点中点及每隔 5 m～ 15 m 布设。 本项目重点监测的是离基坑仅 15 m 的 11 层旅店。 7) 地下管线安全监测:测点布置在基坑施工影响范围内的管线处, 间距不大于30 m。

2.3高频多通道连续采集应变大数据的管理与检索技术

高频多通道数据连续采集所带来的另一个难题就是将产生大量的数据。本系统中1个单元以4MHz的采样频率工作，4个通道连续采集1h将产生115.2GBytes的数据。16个单元全部启动，64个通道连续记录1h将产生1i843.2GBytes的数据。一次实验往往持续4h以上，可产生约10TByte的海量数据。这些数据以文件的方式分布在多个采集单元的磁盘上，需要进行准确快捷的归档、浏览和剪裁。

2.4测斜仪及测斜管的埋设

测斜仪是一种可以精确地测量沿铅垂方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪器, 可以用来测量单向位移, 也可以测量双向位移, 再由 2个方向的位移求出其矢量和, 得到位移的最大值和方向。 本文介绍加拿大 RockTest公司产 RT -20MU 型测斜仪, 其仪器标称精度为 ±6 mm 25m, 探头精度为±0.1 mm 0.5 m。测斜管的埋设:1) 在预定的测斜管埋设位置钻孔。 根据基坑的开挖总深度, 确定测斜管孔深, 即假定基底标高以下某一位置处支护结构后的土体侧向位移为零, 并以此作为侧向位移的基准。2) 将测斜管底部装上底盖, 逐节组装, 并放到钻孔内。 安装测斜管时, 随时检查其内部的一对导槽, 使其始终分别与坑壁走向垂直或平行。 管内注入清水, 沉管到孔底时, 即向测斜管与孔壁之间的空隙内由下而上逐段用砂填实, 固定测斜管。3) 测斜管固定完毕后, 用清水将测斜管内冲洗干净, 将探头模型放入测斜管内, 沿导槽上下滑行一遍, 以检查导槽是否畅通无阻, 滚轮是否有滑出导槽的现象。

2.5周边建筑沉降

在本次的监测过程之中其重点主要在距离基坑大约十五米处的商用住宅楼，通过对该建筑沉降监测点的累计沉降进行观察能够发现该商用住宅楼受到基坑开挖的影响非常小，并且在基坑开挖七天之后，整体的进度也都已经处在是比较稳定的状态之中，所以也就再没有出现特别重大的沉降变化，并且其沉降的变化状况也都是比较小，基本都没有超过二十毫米。所以这也就能够反映出来该建筑自身的整体结构情况非常好，并且每一个监测点最终的监测结构其差异也都非常小。

结语

本文搭建的系统充分发挥了高速图像采集设备可记录瞬态过程及DSCM方法实现全场定量分析的特长和优势，为岩石动态裂纹扩展问题的分析提供了新的分析方法，对深入研究岩石破坏机理和破坏模式等相关问题具有重要意义。

参考文献

[1]马瑾，郭彦双．2014．失稳前断层加速协同化的实验室证据和地震实例［J］．地震地质，36(3):547—561.

[2]卓燕群．2015．断层亚失稳阶段变形场时空演化的实验研究［D］．北京:中国地震局地质研究所．