本发明涉及一种可实时监测基坑变形的测量系统及测量方法，属于基坑变形测量领域。
背景技术：
随着城市化进程的不断推进，现代城市的空间利用率越来越高，城市的拥堵现象越来越严重，城市地下空间的开发利用成为城市发展的必然趋势。地下停车场、地下商场和地下隧道等大量的地下空间利用出现了必不可少的地下深基坑的开挖现象。
基坑开挖后使土体的水平支撑力减小，基坑开挖的降水引起地下水位降低与坑外水位不平衡，产生水压差较大，使土中自重应力增大等诸多因素均可能导致周边重要建筑物及地面下沉、出现侧向变形、倾斜、位移，甚至开裂，影响重要建筑物和人员、施工安全；此外，考虑到现有基坑支护设计方法以及地质条件，支护方案不能完全保证基坑工程的绝对安全。因此，监测基坑施工对周边重要建筑物和人员以及基坑工程本身的安全是十分必要的。
目前基坑监测大部分使用的方法为全站仪坐标变化法。全站仪坐标变化法是在基坑施工影响外的任意稳定牢固的地方设置几个差分基准点，在差分基准点和变形监测点上安装永久性反射棱镜。根据基坑的形状任意设一测站用方向观测各点的三维坐标。采用多次观测的数据经差分和平差后，作为以后变形监测数据处理的基准。按每天一个或几个周期进行水平位移和垂直位移三维方向观测；从第二次观测开始，每次测站不要求和上一次重合，但必须利用差分基准点测量出本次测量的测站三维坐标。尔后，测量计算出该次各监测点坐标值。差分平差计算出每一监测点在水平位移两个方向的变形值和沉降方向变形值，即三维方向的变形值。再按不同基坑边缘形状，将3维方向的位移值中的，值换算成基坑边缘法线方向水平位移值和垂直沉降值。
基坑监测对数据精度和监测频率的要求都较高，全站仪坐标变化法虽然操作简单，但是由于是人工操作，需要工作人员每天一个或几个周期进行观测，劳动量十分大，不能实现实时测量，且易产生测量误差。而且，全站仪坐标变化法只能测量基坑的水平位移，无法测量基坑的竖向沉降，而基坑的竖向沉降也是十分重要的安全指标。在现代化的城市建设中，这些缺点带来了深基坑施工的安全隐患，由于这些检测系统的不完善已经造成了很多工程事故。因此，研究、设计出一种高效、精确稳定、实时的基坑变形监测技术成为本领域技术人员迫切需要解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基坑变形的测量系统及测量方法。该基坑测量系统及测量方法可高效、精确稳定、监测基坑的变形情况。
本发明实现其发明目的首先提供了一种基坑变形的测量系统，包括布置于每个基坑变形测量点的测量测量点基坑变形量的变形测量部，其结构特点是：所述变形测量部包括钢丝和传感器模块，所述钢丝底端固定于靠近基坑侧壁的基坑底部，钢丝顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接；所述传感器模块包括用于测量钢丝倾斜角度的倾角传感器；测量开始前，安装所述变形测量部；安装时，对钢丝进行预紧，并使钢丝处于竖直拉伸状态。
本发明还提供了两种上述基坑变形测量系统的测量方法，第一种测量方法是：实时监测倾角传感器所测得角度值θ，并根据所测得的角度值θ判定基坑的水平位移x，x＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度。第二种测量方法是：实时监测倾角传感器所测得角度值θ，并根据所测得的角度值θ判定基坑的水平位移x，x＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度。
当基坑发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝顶端发生水平位移，而钢丝底端固定，所以钢丝会发生相对于竖直方向的偏转，倾角传感器显示的角度即为钢丝绕底部固定点的旋转角度θ。由于水平位移量与初始基坑深度h相比十分微小，所以可通过弧长公式x＝2πh*θ/360°近似求得水平位移；也可以通过正弦公式x＝h*tanθ近似求得水平位移。经计算，采用精度为0.01°的倾角传感器，当初始基坑深度为15米时，上述两种测量方法在水平位移上的测量精度为2.5mm左右。工程中15米基坑所需检测的预警值为3mm，因此，本测量系统及测量方法完全符合基坑测量要求。
与现有技术相比，上述基坑变形测量及测量方法的有益效果是：
一、该测量系统和测量方法可代替现有全站仪等测量方法，大大降低了工作人员的工作强度，节省了人力成本，通过倾角传感器测量可将数据直观展示给检测人员，对检测人员没有专业要求；且可开发形成远程自动监控，无需工作人员到现场监测。
二、该测量系统的一套变形测量部成本在700元以内，相比与全站仪成本也大大降低了。
三、该测量系统和测量方法可代替现有全站仪等测量方法，检测精度高。
四、整套测量系统的每个变形测量部可根据基坑实际测量需求，灵活布控。
本发明实现其发明目的还提供了另一种基坑变形测量系统，包括布置于每个基坑变形测量点的测量测量点基坑变形量的变形测量部，其结构特点是：所述变形测量部包括弹簧、钢丝和传感器模块，所述传感器模块包括用于测量钢丝倾斜角度的倾角传感器和用于测量弹簧伸缩量的位移传感器；所述钢丝底端固定于靠近基坑侧壁的基坑底部，钢丝顶端与弹簧的一端相连，弹簧另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接；测量开始前，安装所述变形测量部；安装时，对弹簧和钢丝进行预紧，并使钢丝和弹簧处于竖直拉伸状态。
进一步，本发明所述弹簧的弹性系数为0.5～2n/mm。
经实验，选用弹性系数为0.5～2n/mm的弹簧既可以保证初始状态时弹簧和钢丝可充分预紧，基坑侧壁上边缘处产生水平位移时钢丝和弹簧整体发生倾斜，以利用倾角传感器测得角度，计算基坑侧壁上边缘处的水平位移；又可以保证基坑发生竖向位移(基坑沉降)时，钢丝和弹簧整体在竖直方向的变形会集中在弹簧部分，可以通过位移传感器测量弹簧的伸缩量，得到基坑的竖向位移。
进一步，本发明所述位移传感器测量弹簧伸缩量的具体方式是：位移传感器与弹簧并联，位移传感器一端与钢丝顶端相连，另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接。这样，就可以实现位移传感器的两个测量端分别与弹簧两端固定，以实现测量弹簧伸缩量的目的。
进一步，本发明所述位移传感器包括磁致伸缩位移传感器、拉杆式直线位移传感器和电容式位移传感器。
磁致伸缩传感器拥有高精度，能承受高温、高压和强振动；无磨损运行，稳定性好。拉杆式直线位移传感器，体积小，安装方便，输出信号多样化，精度高，响应速度快。电容式线性位移传感器，结构简单、耐高温、耐辐射、分辨率高、动态响应特性好，成本低廉。经实验，上述三种位移传感器应用于本测量系统中用于对竖向位移的测量测量结果精确，安装方便，适配性强。
本发明还提供了一种上述基坑变形测量系统的测量方法，包括实时监测倾角传感器所测得角度值θ和位移传感器所测得的位移值d，并根据所测得的角度值θ和位移值d判定基坑的水平位移x、竖向位移y和综合位移l，其具体判定方法是：
如果角度值θ≠0，位移值d≥0，则判定基坑仅发生水平位移x，x＝2πh*θ/360°或x＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值d≠0，则判定基坑仅发生竖向位移y，y＝d；
如果角度值θ≠0，位移值d＜0，则判定基坑既发生了水平位移x，又发生了竖向位移y，水平位移x＝2π(h-d)*θ/360°，竖向位移y＝d，综合位移l＝h2+(h-d)2-2h*(h-d)*cosθ，其中，h为初始基坑深度。
如果角度值θ≠0，位移值d≥0，则判定基坑仅发生水平位移x，因为当基坑仅发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝顶端发生水平位移，而钢丝底端固定，所以钢丝会发生相对于竖直方向的偏转，倾角传感器显示的角度即为旋转角度θ。钢丝偏转过程可能会产生十分微小的拉伸，可忽略不计(d≥0)。由于水平位移量与基坑深度h相比十分微小，所以可通过弧长公式x＝2πh*θ/360°近似求得水平位移。也可以通过正弦公式x＝h*tanθ近似求得水平位移。
基坑发生竖向位移(基坑沉降)时，钢丝和弹簧整体在竖直方向的变形会集中在弹簧部分，所以通过位移传感器测量弹簧的伸缩量，可得到基坑的竖向位移。如果角度值θ＝0，位移值d≠0，则判定基坑仅发生竖向位移，通过位移传感器测量弹簧的伸缩量，可得到基坑的竖向位移y，y＝d；d为位移传感器的测量值。
如果角度值θ≠0，位移值d＜0，则判定基坑既发生了水平位移x，又发生了竖向位移y。基坑的水平位移x通过弧长公式求得，x＝2π(h-d)*θ/360°，竖向位移y＝d，其中，h为初始基坑深度。
基坑的综合位移l测量是通过余弦公式，综合位l＝h2+(h-d)2-2h*(h-d)*cosθ，其中，h为初始基坑深度。
经计算，采用精度为0.01°的倾角传感器，当基坑深度为15米时，上述两种测量方法在水平位移上的测量精度为2.5mm左右。工程中15米基坑所需检测的预警值为3mm，因此，本测量系统及测量方法完全符合基坑测量要求。竖向位移的测量精度取决于位移传感器，可根据需要选用。
与现有技术相比，上述基坑变形测量及测量方法的有益效果是：
一、该测量系统和测量方法可代替现有全站仪等测量方法，大大降低了工作人员的工作强度，节省了人力成本，通过倾角传感器测量可将数据直观展示给检测人员，对检测人员没有专业要求；且可开发形成远程自动监控，无需工作人员到现场监测。
二、该测量系统的一套变形测量部成本在700元以内，相比与全站仪成本也大大降低了。
三、通过配合使用倾角传感器和位移传感器，可实时测得水平、竖直和倾斜三种位移量，并可根据测量数据，判定位移类型以及位移数据，综合判定基坑在各个方向的变形量。
四、该测量系统和测量方法可代替现有全站仪等测量方法，检测精度高。
五、整套测量系统的每个变形测量部可根据基坑实际测量需求，灵活布控。
进一步，本发明所述基坑变形测量系统还包括数据传输部和数据处理部，所述数据传输部包括与每个传感器模块电连接的rfid芯片和微处理器以及无线读取rfid芯片数据的rfid读写器；所述rfid读写器将读取的数据传给数据处理部，数据处理部根据rfid读写器传来的数据，计算每个变形测量部所测得的基坑变形量。
这样，不仅可同时监测多处基坑变形测量点的基坑变形量，而且采用rfid射频技术成本低，耗能少，通过rfid芯片存储的数据和其本身的序列号，可以很容易确定rfid芯片所对应的基坑变形测量点的基坑变形量。采用上述方法无需工作人员一一观察传感器模块得到的数据，降低了工作人员的工作强度和人工成本，提高了工作效率。
进一步，本发明所述基坑变形测量系统还包括与远程控制中心连接的集成控制部，所述集成控制部汇总所有数据处理部计算的基坑变形量数据并可向rfid读写器发送读取指令。
这样，系统安装完成以后，所有的操作都通过远程控制中心完成，无需每次测量都经过人工安装，降低了工作人员的工作强度，降低了成本，提高了工作效率；而且在不需要采集数据时，前端变形测量部的传感器模块和数据传输部、数据处理部均处于“休眠”状态，不会造成电能的浪费，可保证系统长期运行，而不用频繁花费人力物力进行维护。
附图说明
图1为本发明实施例一整体结构示意图。
图2为本发明实施例一变形测量部的结构示意图。
图3为本发明实施例一计算基坑水平位移x的原理示意图。
图4为本发明实施例二计算基坑水平位移x的原理示意图。
图5为本发明实施例三整体结构示意图。
图6为本发明实施例三变形测量部的结构示意图。
图7为本发明实施例三测量基坑竖向位移y的原理示意图。
图8为本发明实施例三计算基坑水平位移x和竖向位移y的原理示意图。
图9为本发明实施例三测量基坑综合位移l的原理示意图。
图中，1.4表示上固定板，1.5表示下固定板，m表示基坑侧壁。
具体实施方式
实施例一
图1示出，一种基坑变形测量系统，包括布置于每个基坑变形测量点的测量测量点基坑变形量的变形测量部1.0，其结构特点是：如图2所示，所述变形测量部1.0包括钢丝1.1和传感器模块1.2，所述钢丝1.1底端固定于靠近基坑侧壁的基坑底部，钢丝1.1顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接；所述传感器模块1.2包括用于测量钢丝1.1倾斜角度的倾角传感器1.2a；测量开始前，安装所述变形测量部1.0；安装时，对钢丝1.1进行预紧，并使钢丝1.1处于竖直拉伸状态。
本例中所述基坑变形测量系统还包括数据传输部2.0和数据处理部3.0，所述数据传输部2.0包括与每个传感器模块1.2电连接的rfid芯片2.1和微处理器2.2以及无线读取rfid芯片2.1数据的rfid读写器2.3；所述rfid读写器2.3将读取的数据传给数据处理部3.0，数据处理部3.0根据rfid读写器2.3传来的数据，计算每个变形测量部1.0所测得的基坑变形量
本例中为了实现钢丝1.1顶端与基坑侧壁上边缘处固定连接，基坑侧壁上边缘处设置有垂直于基坑侧壁的上固定板1.4，钢丝1.1顶端与上固定板1.4的下表面固定链接。
本例中所述倾角传感器1.2a固定于钢丝1.1顶端。
本例中基坑变形测量系统的测量方法是实时监测倾角传感器1.2a所测得角度值θ，并根据所测得的角度值θ判定基坑的水平位移x，x＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度。
图3为上述测量方法测量基坑的水平位移x的原理示意图。如图所示，初始状态时钢丝1.1顶端固定于基坑侧壁上边缘p点处，钢丝1.1底部固定于o点，此时op＝h，h为基坑的初始深度。当基坑发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝1.1顶端发生水平位移，钢丝1.1顶端移动到q点，而钢丝1.1底端固定，所以钢丝1.1会发生相对于竖直方向的偏转，倾角传感器1.2a显示的角度即为偏转角度θ。由于水平位移量与初始基坑深度h相比十分微小，所以可通过弧长公式x＝2πh*θ/360°近似求得水平位移。
实施例二
本例的基坑变形测量系统与实施例一相同，基坑变形测量系统的测量方法与实施例一不同。本例中基坑变形测量系统的测量方法是实时监测倾角传感器1.2a所测得角度值θ，并根据所测得的角度值θ判定基坑的水平位移x，x＝h*tanθ，其中，h为初始基坑深度。
图4为上述测量方法测量基坑的水平位移x的原理示意图。如图所示，初始状态时钢丝1.1顶端固定于基坑侧壁上边缘p点处，钢丝1.1底部固定于o点，此时op＝h，h为基坑的初始深度。当基坑发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝1.1顶端发生水平位移，钢丝1.1顶端移动到q点，而钢丝1.1底端固定，所以钢丝1.1会发生相对于竖直方向的偏转(钢丝1.1被拉伸)，倾角传感器1.2a显示的角度即为偏转角度θ。如图4所示，通过正弦公式x＝h*tanθ近似求得水平位移。
实施例三
图5示出，一种基坑变形测量系统，包括布置于每个基坑变形测量点的测量测量点基坑变形量的变形测量部1.0，其结构特点是：如图6和图6中a部分的放大图所示，所述变形测量部1.0包括弹簧1.3、钢丝1.1和传感器模块1.2，所述传感器模块1.2包括用于测量钢丝1.1倾斜角度的倾角传感器1.2a和用于测量弹簧1.3伸缩量的位移传感器1.2b；所述钢丝1.1底端固定于靠近基坑侧壁的基坑底部，钢丝1.1顶端与弹簧1.3的一端相连，弹簧1.3另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接；测量开始前，安装所述变形测量部1.0；安装时，对弹簧1.3和钢丝1.1进行预紧，并使钢丝1.1和弹簧1.3处于竖直拉伸状态；
为了实现弹簧1.3和位移传感器1.2b的固定，基坑侧壁上边缘处设置有垂直于基坑侧壁的上固定板1.4，钢丝1.1顶端还设置有下固定板1.5，位移传感器1.2b一端与上固定板1.4的下表面连接，另一端与下固定板1.5的上表面连接，位移传感器1.2b与弹簧1.3平行且并联连接。
本例中所述弹簧1.3的弹性系数为0.5～2n/mm。本例中弹簧1.3尺寸为：外径8mm，长度30mm，弹簧丝粗1mm。
本例中所述位移传感器1.2b测量弹簧1.3伸缩量的具体方式是：位移传感器1.2b与弹簧1.3并联，位移传感器1.2b一端与钢丝1.1顶端相连，另一端与基坑侧壁上边缘处固定连接。
本例中所述位移传感器1.2b包括磁致伸缩位移传感器、拉杆式直线位移传感器和电容式位移传感器。
本例中所述基坑变形测量系统还包括数据传输部2.0和数据处理部3.0，所述数据传输部2.0包括与每个传感器模块1.2电连接的rfid芯片2.1和微处理器2.2以及无线读取rfid芯片2.1数据的rfid读写器2.3；所述rfid读写器2.3将读取的数据传给数据处理部3.0，数据处理部3.0根据rfid读写器2.3传来的数据，计算每个变形测量部1.0所测得的基坑变形量。
本例中所述基坑变形测量系统还包括与远程控制中心连接的集成控制部4.0，所述集成控制部4.0汇总所有数据处理部3.0计算的基坑变形量数据并可向rfid读写器2.3发送读取指令。
上述所述的基坑变形测量系统的测量方法是实时监测倾角传感器1.2a所测得角度值θ和位移传感器1.2b所测得的位移值d，并根据所测得的角度值θ和位移值d判定基坑的水平位移x、竖向位移y和综合位移l，其具体判定方法是：
如果角度值θ≠0，位移值d≥0，则判定基坑仅发生水平位移x，x＝2πh*θ/360°，其中，h为初始基坑深度；
如果角度值θ＝0，位移值d≠0，则判定基坑仅发生竖向位移y，y＝d；
如果角度值θ≠0，位移值d＜0，则判定基坑既发生了水平位移x，又发生了竖向位移y，水平位移x＝2π(h-d)*θ/360°，竖向位移y＝d，综合位移l＝h2+(h-d)2-2h*(h-d)*cosθ，其中，h为初始基坑深度。
图7至图9为上述两种测量方法测量基坑的水平位移x、竖向位移y和综合位移的原理示意图。初始状态钢丝1.1顶端通过弹簧1.3固定于基坑侧壁上边缘p点处，钢丝1.1底部固定于o点；此时op＝h，h为基坑的初始深度。
如果角度值θ≠0，位移值d≥0，则判定基坑仅发生水平位移x，因为当基坑仅发生水平位移时，基坑侧壁上边缘会带动钢丝1.1顶端发生水平位移，钢丝1.1顶端移动到q点，而钢丝1.1底端固定，所以钢丝1.1会发生相对于竖直方向的偏转，倾角传感器1.2a显示的角度即为偏转角度θ。钢丝1.1偏转过程可能会产生十分微小的拉伸，可忽略不计(d≥0)。由于水平位移量与基坑深度h相比十分微小，所以可通过弧长公式x＝2πh*θ/360°近似求得水平位移。也可以通过正弦公式x＝h*tanθ近似求得水平位移。具体可参照实施例一和实施例二测量水平位移x的原理。
基坑发生竖向位移(基坑沉降)时，钢丝1.1和弹簧1.3整体在竖直方向的变形会集中在弹簧1.3部分，所以通过位移传感器1.2b测量弹簧1.3的伸缩量，可得到基坑的竖向位移。如图7所示，如果角度值θ＝0，位移值d≠0，则判定基坑仅发生竖向位移，通过位移传感器1.2b测量弹簧1.3的伸缩量，可得到基坑的竖向位移y，y＝d；d为位移传感器1.2b的测量值。
如果角度值θ≠0，位移值d＜0，则判定基坑既发生了水平位移x，又发生了竖向位移y。钢丝1.1顶端的竖向位移近似为位移传感器1.2b测得的弹簧伸缩量d，即忽略钢丝1.1的偏转，基坑变形后钢丝1.1的长度近似为基坑变形后的深度，基坑的竖向位移y≈d，结合基坑的竖向位移量，如图8所示，基坑的水平位移x可通过弧长公式求得，x＝2π(h-d)*θ/360°。
基坑的综合位移l测量如图9所示，通过余弦公式，综合位l＝h2+(h-d)2-2h*(h-d)*cosθ，其中，h为初始基坑深度。
基坑项目一般需要使用两年，用全站仪至少每周测量一次，而且需要两人配合，每次测量将近2小时，工作量很大；全站仪的价格一般在四五万左右。本例中的测量系统，一套价格(按照30个变形测量部计算)在30000元以内，而且本例测量系统远程即可控制测量，完全不需工作人员到场，大大节省了人力成本。