自動化監(jiān)測遠程監(jiān)控系統(tǒng)在基坑工程中的試驗應(yīng)用*

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

0 引言

城市的快速發(fā)展使得超高層建筑、超大型深基坑不斷涌現(xiàn)。上海世博會地區(qū)B02、B03地塊涉及多家開發(fā)單位，場地及周邊規(guī)劃道路下將開發(fā)大型地下空間，基坑安全施工關(guān)系到整個地塊開發(fā)建設(shè)的成敗，而基坑監(jiān)測是基坑安全施工的保證。目前國內(nèi)基坑監(jiān)測方法仍然以人工監(jiān)測為主，這種監(jiān)測的優(yōu)點是投入少，缺點是數(shù)據(jù)采集及分析效率低，數(shù)據(jù)滯后性嚴重，不能夠及時指導(dǎo)基坑工程施工；而自動監(jiān)測系統(tǒng)有操作安全、工作效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯著優(yōu)點。鑒于重大基坑工程對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和及時性的要求，世博央企總部基地基坑工程進行了自動化監(jiān)測技術(shù)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)及試驗應(yīng)用[1,2]。

1 工程概況

本工程為某央企總部基地基坑工程，位于世博園地塊，東西寬約95 m，南北長約120 m，基坑開挖面積約11 000 m2，地下3層，地下建筑深度為13.50 m，開挖深度為15.40 m，地塊屬濱海平原地貌類型。

本工程施工分區(qū)較為復(fù)雜，施工周期很長，施工流程較多且交叉影響。周邊市政管線眾多，且基坑鄰近軌道交通13號線，環(huán)境保護要求較高，需嚴格控制坑邊土體變形，確保周邊地下管線、周邊建（構(gòu)）筑物的正常運轉(zhuǎn)及安全使用。

2 自動化監(jiān)測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到工程的特殊性，本工程基坑監(jiān)測中引入自動化監(jiān)測系統(tǒng)，利用計算機通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)成一個完整的自動化監(jiān)測系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺，為基坑施工提供技術(shù)支持（圖1）。

2.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

利用Zigbee無線協(xié)議實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之間的無線連接。傳感器連接端設(shè)置1臺數(shù)據(jù)采集發(fā)生器，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給工程現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集接受終端，數(shù)據(jù)采集接受終端再將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)采集接收終端可同時實現(xiàn)與多臺數(shù)據(jù)采集發(fā)生器的聯(lián)系。

圖1 自動化監(jiān)測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2.2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)是由上海建工集團主導(dǎo)研發(fā)的一套集工程項目管理、數(shù)據(jù)實時監(jiān)控和文案上傳下達于一體的遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)?，F(xiàn)階段每天的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)需技術(shù)人員人工上傳到遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

項目部遠程監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)人員根據(jù)當(dāng)天的施工工況和上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)填寫安全評估報告。安全評估報告內(nèi)容包括當(dāng)天的施工工況、監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳情況、視頻及照片等，并依此填寫綜合評估報告和建議措施，項目部負責(zé)人查閱安全評估報告并依此做出施工決策。

結(jié)合工程風(fēng)險特點，遠程監(jiān)控系統(tǒng)建立三級報警機制，具體如下[3-6]：

1）遠程監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)人根據(jù)設(shè)計單位所確定的報警值判斷是否為三級報警。若系三級報警，須啟動現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)案，同時報項目部管理人員；

2）項目部管理人員對上報的警情進行進一步了解、分析，選擇以下一種處置方式：結(jié)束報警、采取措施進行處理、將警情升級為二級，同時啟動子公司應(yīng)急預(yù)案并上報子集團公司；

3）子集團公司對上報警情進行進一步了解、分析，選擇以下一種處置方式：結(jié)束報警、采取措施進行處理、將警情升級為一級，同時啟動子集團公司應(yīng)急預(yù)案并上報集團總部。子集團公司領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)組織專家會審，形成相應(yīng)方案后（包括搶險方案）上報集團審批備案，并立即組織相關(guān)人員進行搶險。現(xiàn)階段集團也在積極研發(fā)遠程監(jiān)控專家評估系統(tǒng)，針對特殊的項目在系統(tǒng)管理平臺上組織專家進行評審。

3 監(jiān)測項目布點及自動化監(jiān)測方法

本次自動化監(jiān)測基于第三方監(jiān)測，設(shè)置了如下相關(guān)的試驗點：支撐軸力觀測點3組，坑外土體深層水平位移觀測點1個，坑外潛水位觀測點1個，坑外土體分層沉降觀測點1個。

3.1 鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測

根據(jù)鋼筋混凝土受力時內(nèi)部鋼筋和混凝土協(xié)同變形的原理，計算整個支撐（全斷面）應(yīng)力的變化。

ZX-400型智能弦式數(shù)碼鋼筋應(yīng)力計安裝方式見圖2。

圖2 鋼筋應(yīng)力計安裝示意

3.2 坑外土體深層水平位移監(jiān)測（土體測斜）

本項目監(jiān)測是用測斜儀自下而上測量預(yù)先埋設(shè)在土體內(nèi)的測斜管的變形情況，以了解基坑開挖施工過程中，與測斜管共同作用的坑外土體在各深度上的水平位移情況。測斜儀具體工作原理如圖3所示。

圖3 測斜儀工作原理

本項監(jiān)測采用固定式測斜儀。固定式測斜儀將若干個測斜儀探頭組合上下成串地安裝在同一個測孔中，各探頭連續(xù)工作，不斷將測得的數(shù)據(jù)通過電纜傳到測孔外。

固定式測斜儀采用了基于現(xiàn)代計算機技術(shù)的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，將全部（可多達幾十個）固定式測斜儀探頭的數(shù)據(jù)傳到地面。經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)在地面用數(shù)據(jù)采集器采集、存儲，并與計算機聯(lián)機，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控。

3.3 坑外潛水位監(jiān)測

預(yù)埋水位測管于基坑外的土體內(nèi)，用水位計測量，了解水位變化。

3.4 坑外土體分層沉降監(jiān)測

對土體分層沉降的監(jiān)測采用與本系統(tǒng)配套的智能數(shù)碼分層沉降計。分層沉降計由多個單點沉降單元與PVC管串接而成。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本基坑共設(shè)3道支撐，基坑第1皮土方開挖開始于2012年11月7日，并于2013年2月1日完成基坑大底板澆筑。

4.1 鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測

不同于傳統(tǒng)方法監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)是實時的曲線，較好地反映了支撐軸力的實時狀態(tài)。第1道支撐施工過程中軸力的變化范圍基本在-1 500～+1 000 kN之間（圖4），在第1皮土方開挖時，支撐軸力變化較大，待第2道支撐完成后支撐軸力有所減小；在挖第3、第4皮土方時，支撐軸力變化相對較小。大底板澆筑完成后，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，但一處數(shù)據(jù)有較大突變，這體現(xiàn)了自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象?；拥?道支撐軸力監(jiān)測開始于2012年12月6日。第2道支撐軸力的波動性較小，并很快趨于穩(wěn)定，波動范圍在-7 000～0 kN之間?；拥?道支撐軸力監(jiān)測開始于2012年12月25日。相比較前2道支撐，該處的支撐軸力明顯較大，波動范圍在-8 000～0 kN之間。

圖4 第1道支撐鋼筋計1/斷面1

4.2 坑外潛水位監(jiān)測

由自動化監(jiān)測方法得到的基坑外潛水位變化曲線如圖5所示。圖中水位變化曲線顯示，與初始潛水位相比，整個水位的變化介于-300～+500 mm之間，屬于合理區(qū)間。

圖5 坑外潛水位監(jiān)測曲線（自動化方法）

4.3 坑外土體地表沉降監(jiān)測

由圖6可知，在基坑進行土方開挖時，土體有較大沉降；在基坑開挖完成、底板澆筑完成后，土體沉降基本穩(wěn)定。在沉降數(shù)值方面，最大沉降為35 mm，與傳統(tǒng)方法監(jiān)測數(shù)值相近。

圖6 基坑周邊地表沉降曲線（自動化方法）

4.4 坑外土體水平位移監(jiān)測

截至2013年3月5日，坑外土體的最大水平位移達到38 mm，最大位移點隨著基坑開挖，逐漸向下移動，最大位移值也逐漸趨于穩(wěn)定。這一變化規(guī)律符合理論邏輯。

5 結(jié)語

自動化監(jiān)測不受現(xiàn)場條件以及氣候等因素的影響，具有操作安全、工作效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯著優(yōu)點，具有很好的開發(fā)潛力與應(yīng)用前景。通過本項目的試驗研究可知，自動化監(jiān)測系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)是可信并符合邏輯的。但是自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)有突變的情況，這也體現(xiàn)了現(xiàn)階段自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集具有不穩(wěn)定性，同時自動化監(jiān)測儀器昂貴的價格也未能使其完全取代人工監(jiān)測。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的建立使項目部管理人員及時了解工程現(xiàn)場的發(fā)展情況，包括每天的施工工況（文字描述、照片和錄像），各項目監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)和曲線，突發(fā)情況的現(xiàn)場預(yù)警（錄像、短信提示）。遠程監(jiān)控系統(tǒng)三級報警及各方專家評估系統(tǒng)的建立將對基坑安全施工和組織搶險的決策都有著巨大的幫助[7-9]。