深基坑工程中自動化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

許余亮

（上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

楊浦區(qū)松潘排水系統(tǒng)改造工程泵站基坑開挖面積約1 336 m2，周長約160m，開挖深度14.45m，局部15.70 m，基坑安全等級一級，環(huán)境保護(hù)等級二級。

泵站基坑工程主要采用鉆孔灌注樁+四道水平支撐的支護(hù)體系：

（1）圍護(hù)體系：圍護(hù)樁主要采用鉆孔灌注樁

（2）支撐體系

水平支撐：采用一道混凝土水平支撐+三道鋼支撐，支撐信息見表1。

表1 支撐體系 mm

（3）止水體系

2 自動化監(jiān)測目的

（1）替代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測模式，系統(tǒng)性地全天候24 h不間斷監(jiān)測；

（2）對于某些重要的監(jiān)測指標(biāo)，加大監(jiān)測頻率，及時、準(zhǔn)確的提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足信息化施工的要求；

（3）實時對比，超報警值時第一時間發(fā)出報警，有效保證基坑施工的安全性；

（4）監(jiān)測高效、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，避免了人工采集的誤差。

3 自動化監(jiān)測實施

3.1 監(jiān)測內(nèi)容、頻率及報警值

（1）根據(jù)基坑的安全等級及環(huán)境等級設(shè)置以下自動化監(jiān)測內(nèi)容：

a.土體深層水平位移（土體測斜）；

b.支撐軸力；

c.周邊地表水平、垂直位移；

d.周邊建（構(gòu)）筑物水平、垂直位移。

（2）監(jiān)測頻率的確定以準(zhǔn)確連續(xù)反應(yīng)基坑開挖期間周邊環(huán)境與基坑自身的動態(tài)變化為前提，本次監(jiān)測頻率按表2進(jìn)行安排。

（3）根據(jù)《楊浦區(qū)松潘排水系統(tǒng)改造工程基坑圍護(hù)施工藍(lán)圖》確定監(jiān)測報警值，見表3。

3.2 基準(zhǔn)點、監(jiān)測點及儀器布設(shè)

3.2.1 基準(zhǔn)點布設(shè)

在基坑周圍布設(shè)全站儀后視基準(zhǔn)點，后視基準(zhǔn)點數(shù)量理論情況下不少于2個。本次監(jiān)測設(shè)置后視基準(zhǔn)點分別為：東側(cè)項目部墻體與西側(cè)建筑物鋼立柱上。

表2 監(jiān)測頻率計劃表

表3 監(jiān)測報警值

工作后視基準(zhǔn)點應(yīng)布設(shè)在變形影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域，并且需選擇視野開闊、通視條件較好的地點，基點牢固可靠?；鶞?zhǔn)點之間每月定期聯(lián)測一次，以檢查基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性。

3.2.2 監(jiān)測點布設(shè)

（1）土體深層水平位移（土體測斜）

土體深層水平位移監(jiān)測是對基坑開挖階段圍護(hù)體系縱深方向的土體位移進(jìn)行監(jiān)控，及時掌握土體的變化方向與基坑變形的動態(tài)信息。

測斜孔的布設(shè)方法：在土體內(nèi)部鉆孔打入高強(qiáng)P V C測斜管，管長應(yīng)大于測斜深度。測斜管外徑為75 mm，管內(nèi)十字滑槽（用于下放測斜儀探頭滑輪）必須與基坑邊線垂直。上、下端管口用專用蓋子封好，接頭部位用膠帶密封。測斜管打入土體之后，立即加入黃沙并夯實，并做好測點保護(hù)工作，見圖1。

圖1 測斜孔布設(shè)

本次監(jiān)測共設(shè)4個測點，采用固定式測斜儀進(jìn)行全天24 h不間斷觀測，每個測點縱向每2.375m布設(shè)固定式測斜儀，總測深為28.125 m，監(jiān)測頻率為40 min。監(jiān)測點位布設(shè)見圖2。

圖2 監(jiān)測點位布設(shè)

（2）支撐軸力

圍護(hù)墻外側(cè)的側(cè)向土壓力由圍護(hù)墻及支撐體系所承擔(dān)，當(dāng)實際支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應(yīng)能承擔(dān)的軸力（設(shè)計值）不一致時，將可能引起支撐體系失穩(wěn)。為了監(jiān)控基坑施工期間支撐的內(nèi)力狀態(tài)，需設(shè)置支撐軸力監(jiān)測點。

軸力監(jiān)測點布設(shè)方法：

a.混凝土支撐軸力監(jiān)測點安裝在混凝土支撐中，采用鋼筋應(yīng)力計進(jìn)行混凝土支撐軸力測量。將鋼筋應(yīng)力計安裝在鋼筋構(gòu)架的上、下、左、右四個角點的主筋上，每組安裝4只鋼筋應(yīng)力計，與支撐方向平行，見圖3?？刹捎煤附臃绞桨惭b，焊接長度大于10倍的鋼筋直徑（200 mm）。焊接平整、充實。焊接時要用濕麻布片或濕毛巾等包裹鋼筋應(yīng)力計并隨時澆以冷水降低溫度，以保護(hù)傳感器不受損壞。

圖3 鋼筋應(yīng)力計布設(shè)

b.鋼管支撐軸力監(jiān)測點安裝在鋼支撐中，采用表面應(yīng)變計進(jìn)行鋼支撐的軸力測量。將表面應(yīng)變計分別焊接在鋼支撐截面的兩側(cè)，與支撐方向平行，焊接時平整、充實，固定應(yīng)變計時與結(jié)構(gòu)無扭動間隙，見圖4。

圖4 表面應(yīng)變計布設(shè)

本次軸力監(jiān)測第一層混凝土支撐采用鋼筋計，其余三層鋼支撐采用表面應(yīng)變計，對支撐軸力進(jìn)行全天24 h不間斷觀測，每一層支撐的監(jiān)測點為4點，監(jiān)測頻率為35 min。監(jiān)測點位布設(shè)見圖5～圖 8。

圖5 第一道混凝土支撐軸力點位布置圖

圖6 第二道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

圖7 第三道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

圖8 第四道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

（3）地表與周邊建（構(gòu)）筑物三維位移監(jiān)測

a.地表監(jiān)測點的布設(shè)（見圖9）

首先在地面開Φ120 mm的孔，打入Φ22 mm螺紋鋼筋（如果是混凝土路面，鋼筋底部至少應(yīng)進(jìn)入到路面下的路床上10 cm，并與路面分離），然后在標(biāo)志鋼筋周圍填入細(xì)砂夯實，為了防止由于路面沉降帶到測點沉降影響監(jiān)測成果數(shù)據(jù)；

在打入的鋼筋上嵌套微型棱鏡，微型棱鏡中心應(yīng)高于地面5 mm正對監(jiān)測儀器方向并用保護(hù)罩加以保護(hù)，以防止路過車輛或行人碰撞或破壞；

在其基坑周圍布設(shè)地表豎向位移監(jiān)測點，每個監(jiān)測點從基坑圍護(hù)外側(cè)起算約1～3 m。

b.周邊建（構(gòu)）筑物監(jiān)測點的布設(shè)（見圖10）

建筑物監(jiān)測點設(shè)在建筑物的角點、中點、大轉(zhuǎn)角處且與儀器方向通視良好，沿周邊布置間距6～20 m；

圖10 周邊建（構(gòu)）筑物監(jiān)測點布設(shè)

高低層建筑物、新舊建筑物等交接處的兩側(cè)；

圓形、多邊形的建（構(gòu)）筑物宜沿縱橫軸線對稱布置。

本次監(jiān)測采用帶伺服馬達(dá)的全站儀進(jìn)行24 h不間斷觀測，共布設(shè)地表監(jiān)測點10點，周邊建（構(gòu)）筑物監(jiān)測點8點，監(jiān)測頻率為13 min。監(jiān)測點位布設(shè)見圖11。

圖11 監(jiān)測點位布設(shè)

3.2.3 儀器的布設(shè)

a.全站儀的布設(shè)（見圖12）

澆筑全站儀基礎(chǔ)應(yīng)先制作帶螺桿的鋼筋籠，螺桿共8根，裸露長度約100 mm，分布間隔200 mm，澆筑長度大于400 mm，應(yīng)與鋼筋籠焊接為一體；

立桿底部法蘭盤與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接；

全站儀架設(shè)于立桿頂部，在室外架設(shè)保護(hù)箱進(jìn)行儀器的防塵防水保護(hù)。

b.自動化測斜的布設(shè)（見圖13）

利用桿件將測斜儀相連或利用機(jī)械手段驅(qū)動測斜儀，將測斜儀下入測斜孔中；

設(shè)備箱放置在對應(yīng)測斜孔旁。

3.3 監(jiān)測技術(shù)方法及設(shè)備

本次基坑自動化監(jiān)測的主要儀器如全站儀、固定式測斜儀、鋼筋計、表面應(yīng)變計等均選用進(jìn)口型號，見表4。

圖12 全站儀布設(shè)

圖13 自動化斜測布設(shè)

表4 本項目擬使用的主要儀器、設(shè)備一覽表

3.3.1 水平、豎向位移監(jiān)測

利用極坐標(biāo)、三角高程法進(jìn)行監(jiān)測點的水平豎向位移監(jiān)測，后視基準(zhǔn)點經(jīng)過后方交會修正測站坐標(biāo)，通過溫度補(bǔ)償修正測距精度，監(jiān)測時采用雙盤位消除軸系誤差。歷史豎向位移是以首次監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的相對位移。

某監(jiān)測點本次測量值減前次測量值的差值為本次偏差值，本次測量值減初始測量值為累計偏差值。

儀器：S O KK I A N E T05AX II；

測距精度：0.8 mm+1 pp m；

測角精度：0.5″。

3.3.2 土體測斜

測斜孔自下而上布設(shè)傳感器測定該點偏角值（注：傳感器與傳感器之間鋼管相連，一端剛性連接，另一端萬向節(jié)保證可活動），每個測斜管每測點的初始值為首次測量所獲得的數(shù)據(jù)。施工過程中的日常監(jiān)測值與初始值的差為其累計水平位移量，本次值與前次值的差值為本次位移量。

儀器：基康固定測斜儀B G K-6150；

精度：±0.1%F S；

測斜計算公式：

式中：Xi為某深度的偏移值（底部起算）；Li為該段的測段長度；αj為該測段測出的傾角。

3.3.3 支撐軸力監(jiān)測

傳感器埋設(shè)前需檢查其無受力狀態(tài)時頻率f0，當(dāng)其與出廠標(biāo)定頻率f0在誤差范圍內(nèi)時方可采用。應(yīng)在使用前分兩次測定初始讀數(shù)，取平均值為其初始值。日常監(jiān)測值與初始值的差值為其累計變化量，本次值與前次值的差值為其本次變化量。

儀器：葛南 V W R-20(鋼筋計)/V W S-10F(表面應(yīng)變計)；

精度：±0.1%F S；

鋼筋混凝土支撐軸力計算公式：

式中：Pi為單個鋼筋計所測算求得的應(yīng)力；AS為單根主筋的截面積；∑As為主筋的總面積；ES為鋼筋的彈性模量；AC為混凝土的截面積；EC為混凝土的彈性模量。

鋼支撐軸力計算公式：

式中：K為表面應(yīng)變計的靈敏系數(shù)；M為測得的頻率模量；M0為初始頻率模量；b為溫度改正系數(shù)；α為鋼的熱膨脹系數(shù)；T為測得的溫度；T0位初始溫度；A為鋼支撐截面積；E為鋼支撐彈性模量（206）。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及分析

3.4.1 自動化監(jiān)測云平臺

本次自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)采用實時無線傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過瀏覽器在云平臺中實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，平臺界面見圖14。

圖14 自動化監(jiān)測云平臺界面

3.4.2 實時數(shù)據(jù)界面

實時數(shù)據(jù)界面顯示當(dāng)前時間點下監(jiān)測項的實時數(shù)據(jù)：

（1）土體內(nèi)部位移

內(nèi)部位移監(jiān)測項的實時界面顯示最近7 d的測斜變化曲線，可單擊左邊的圖例進(jìn)行某一天曲線的單獨查看，見圖15。

圖15 實時數(shù)據(jù)界面顯示

（2）支撐軸力

支撐軸力監(jiān)測項的實時界面顯示最近一次監(jiān)測數(shù)據(jù)，第一層支撐為鋼筋混凝土支撐，每一個監(jiān)測截面由4個傳感器構(gòu)成，圖表中下面4個表示每個傳感器的應(yīng)力監(jiān)測值，最上邊的數(shù)值表示該支撐當(dāng)前的軸力監(jiān)測值，見圖16。

圖16 支撐軸力

（3）三維位移

三維位移監(jiān)測項的實時界面顯示的為上月平均數(shù)據(jù)、上周平均數(shù)據(jù)、前天平均數(shù)據(jù)、昨天平均數(shù)據(jù)、當(dāng)前最新監(jiān)測數(shù)據(jù)共5個數(shù)據(jù)點，見圖17。

圖17 三維位移

3.4.3 對比分析

本工程在深基坑施工過程中運用自動化監(jiān)測技術(shù)對基坑進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和對比，共出現(xiàn)過兩次報警現(xiàn)場，一是地面沉降、二是土體內(nèi)部位移。出現(xiàn)報警現(xiàn)場后現(xiàn)場立即停工，組織設(shè)計及施工單位技術(shù)人員分析原因，制定措施，消除安全隱患。

本工程基坑已順利施工完成，運用自動化監(jiān)測技術(shù)，降低了工程的監(jiān)測成本，在監(jiān)測頻率上達(dá)到了人工監(jiān)測所不能實現(xiàn)的采集數(shù)據(jù)頻率，并且24 h不間斷采集，發(fā)生異常情況第一時間報警，高效、準(zhǔn)確。本工程中運用自動化監(jiān)測技術(shù)效果非常好。

4 結(jié)語

在深基坑施工過程中運用自動化監(jiān)測技術(shù)，尤其是安全等級高、環(huán)境等級高的深基坑工程，全面監(jiān)控施工過程中基坑、周邊建（構(gòu)）筑物及周邊環(huán)境的變化情況，實現(xiàn)實時監(jiān)測、24 h不間斷采集、自動對比預(yù)警，使施工現(xiàn)場能隨時了解變形情況，以便及時采取有關(guān)措施，調(diào)控施工步序與節(jié)奏，做到信息化施工，確?；邮┕ろ樌M(jìn)行。