GNSS监测系统在深基坑周边建筑物监测中的应用

姜俊亮，郭美奇，徐 超，刘 闯，王义缘

（吉林省建筑科学研究设计院（吉林省建筑工程质量检测中心），吉林 长春 130011）

0 引言

近年来，经大量深基坑工程实践证明，深基坑的土体开挖会对周边环境的稳定性造成影响，因此深基坑的周边环境监测得到了重视。以深基坑开挖影响区范围内建筑物监测为例，传统人工对建筑物进行监测费时耗力，无法对突发性建筑物变形起到时效性的效果。随着5G等技术的发展，自动化监测以高效率、高时效性、低成本等优势逐渐应用到基坑周边建筑物监测过程中。本文以GNSS自动化监测系统对深基坑开挖影响区范围内建筑物监测为例，与传统人工监测数据进行对比，探讨GNSS自动化监测系统在深基坑周边建筑物监测的可行性。

1 工程概况

拟建工程位于长春市世纪广场东北侧。基坑总周长约520 m，根据建设单位提供资料显示，基坑边缘-2F处挖深约为自然地面下11.0 m，-3F处挖深约为自然地面下15.0 m。本项目中监测的基坑周边建筑物位于基坑的东侧。

本项目中有5个建筑物，共布设89个沉降观测点。通过对项目中的89个沉降观测点数据的比对分析。在这些监测数据中，选出2个具有代表性的点位进行论述。由于B-10#楼的ZJ41号点距离基坑较近，B-11#楼的ZJ83号点距离基坑较远。因此本文以ZJ41号点和ZJ83号点的监测结果进行分析。B-10#楼和B-11#楼的布点图如图1所示。

图1 布点图

2 人工监测

根据JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》[1]，在本项目中，人工监测采用二等水准测量。现场共布设3个基准点，根据3个基准点布设闭合水准路线，经过计算后得到每个基准点的高程。根据基准点的高程，结合楼体的沉降监测点再次布设闭合水准路线进行监测。通过每一次的水准测量结果与上一期的测量结果进行比对，得到每一个沉降监测点的沉降量。其中，人工监测采用莱卡LS10电子水准仪。

3 自动化监测系统的组成和工作原理

项目中采用的自动化监测系统由数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统3部分组成，数据采集系统由华测H5 GNSS接收机前端构成，数据传输系统由无线传输装置构成，数据处理系统由SIM采集软件，HCmonitor2.0，发布软件3个部分构成。

首先通过华测H5 GNSS接收机无线传输装置将采集的数据传入到SIM采集软件，接下来将数据传输到HCmonitor2.0软件进行数据的解算，解算结束后把数据传入到SIM采集软件进行数据存储，最后将结算的数据传入到发布软件并实现数据的浏览、查询、分析、导出。自动化监测系统工作流程如图2所示。软件的数据处理界面如图3～图6所示。

图2 自动化监测系统工作流程图

图3 SIM采集软件界面

图4 HCmonitor2.0解算数据界面（1）

图6 发布软件界面

图5 HCmonitor2.0解算数据界面（2）

4 监测数据的预警与分析

4.1 监测数据的预警

监测的预警值应充分考虑基坑的设计深度、岩土的结构及相关的规范规程。监测对象的累计变化量反应监测对象即时状态和危险状态的关系。变化速率反应监测对象的变化快慢。因此，监测项目预警应由两部分即累计变化量和变化速率共同控制。

依据上述所示，结合GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》[2]，本项目基坑周边建筑物变形累计变化量应小于建筑物地基变形允许值，变化速率的报警值是2 mm/d～3 mm/d。

4.2 数据分析

由于本项目监测周期长，数据量大，因此本文选取B10-3号，B11-4号监测点基于2020年4月—5月其中的30次的人工监测数据与GNSS自动化监测系统的监测数据进行分析与比对，监测点B10-3的监测数据见表1。

表1 监测点B10-3累计沉降量mm

监测点B10-3的监测数据见表2。

表2 监测点B11-4累计沉降量 mm

基坑周边建筑物竖向位移B10-3，B11-4号监测点累计变化曲线见图7～图8。

图7 基坑周边建筑物竖向位移B10-3号监测点累计变化量对比图（mm）

图8 基坑周边建筑物竖向位移B11-4号监测点累计变化量对比图（mm）

4.3 监测结果分析

通过表1和表2分析可知，B10-3号监测点人工监测最大的建筑物竖向累计位移量是2.34 mm，自动化监测最大的建筑物竖向累计位移量是3.50 mm；B11-4号监测点人工监测最大的建筑物竖向累计位移量是4.13 mm，自动化监测最大的建筑物竖向累计位移量是3.51 mm。通过表中计算得知采用GNSS自动化监测方法的精度较低，但是由图7和图8可知，沉降的变化曲线较为一致。影响GNSS自动化监测系统的精度有很多，如周边监测环境，仪器的精度，系统的算法等。

5 自动化监测与人工监测对比分析

5.1 经济对比分析

从经济角度来讲，自动化监测设备需要人为干预，工作量较少，所需要的资金为一次性投入。人工监测除了主要设备需要一次性投入外，随着监测周期的增加，人力成本也会不断增加。在受到不可抗力的新型冠状病毒疫情因素的影响，现场的人工监测被迫停止的情况下，基坑周边建筑物变形自动化监测的应用，达到了实时在线监测的目的，做到了数据不中断、不延误，保障了业主和百姓的需求和利益，自动化监测助力疫情期间的生产取得了良好的社会效益和经济效益。

5.2 技术对比分析

在监测的实时性方面，在单位时间内，自动化监测设备显然比人工监测效率高。在监测值达到报警值时，自动化设备能及时的报警。采用人工监测方法要在经过监测后，通过整理数据才会获悉变化量是否达到报警值。同时，自动化监测系统不受地形复杂程度的影响，也能够抵制恶劣天气的影响，从一定给程度来讲，降低了工作难度和工作量。

6 误差分析

1）人工监测误差。采用人工监测方法的误差主要来源于系统误差和偶然误差。系统误差主要包括仪器的不够完善带来的误差及外界环境条件引起的误差。偶然误差主要包括人的感官和仪器的性能受到一定的限制，以及观测时受到外界条件的影响等造成的。因此，使用人工监测方法前，对仪器进行检校，采用合理的监测方法，提高仪器的等级，增加观测次数等方法来提高精度。

2）GNSS自动化监测系统误差。GNSS自动化监测系统误差主要体现在卫星钟误差和传播路径误差2个方面。其中卫星钟误差带来的时间误差可直接影响通过载波相位计算出的卫星与GNSS接收机的距离。传播路径误差主要包括卫星信号在传播过程中经过地球的大气层过程中的电离层和水蒸气带来的电离层延迟误差和水汽延迟误差及地表上产生电磁场位置等因素带来的误差。因此，安装GNSS自动化监测系统时，应选在视野较开阔的地方，尽量避免电磁场较严重的地方[3]。

7 结论

1）通过对数据的对比分析可知，在基坑影响范围内，人工监测数据成果与GNSS自动化监测系统的数据成果呈现一致性。GNSS自动化监测系统在深基坑开挖影响范围内的建筑物监测具有可行性，为深基坑周边建筑物的安全保障提供依据。在基坑影响范围内的人工监测与GNSS自动化监测系统的精度对比分析有待进一步探讨。

2）通过自动化监测与人工监测的经济与技术对比分析可知，自动化监测在特定的环境下较人工监测具有明显优势。