智慧工地基坑監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

藺文博，吳 迪，黃 宇，覃怡斐，程 峰

1.桂林電子科技大學(xué) 建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004

2.廣西建工集團智慧制造有限公司，廣西 南寧 530211

1 智慧工地基坑監(jiān)測的必要性

巖土體結(jié)構(gòu)和成分的不均勻性、不連續(xù)性和各向異性特征決定了巖土層的宏觀復(fù)雜性。在進行支護結(jié)構(gòu)體系設(shè)計和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時建立的研究模型對地質(zhì)結(jié)構(gòu)和支護體系都進行了理想化設(shè)計，而基坑開挖又是一個動態(tài)的過程，氣候條件、時間、空間等因素不斷變化，再加上基坑工程設(shè)計理論與方法的不完善，導(dǎo)致實際工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移與理論設(shè)計往往存在較大的差異[1-2]，因此理論預(yù)測并不能全面而精準地反映基坑實時變化狀態(tài)。智慧工地基坑監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合多種監(jiān)測方式，在基坑開挖前對監(jiān)測工作預(yù)先進行規(guī)劃，開挖監(jiān)測時，將收集到的基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至已建立的智慧工地平臺[3]。經(jīng)智慧工地總平臺可實時掌握監(jiān)測對象土體的各項變形指標，并為周邊環(huán)境的安全保護提供可靠的參考依據(jù)，以便設(shè)計施工方采取動態(tài)化管控措施，糾正設(shè)計與勘察之間的偏差，調(diào)整施工過程與設(shè)計的不符之處，從而為基坑土體穩(wěn)定和周邊環(huán)境安全保護提供支撐，保證基坑施工的順利開展。

2 智慧工地基坑監(jiān)測的特點及方法

2.1 監(jiān)測特點

（1）時效性。智慧工地基坑監(jiān)測工作應(yīng)貫穿于地下工程施工全過程，主要應(yīng)用于降水和基坑開挖過程中，具有鮮明的時效性。因基坑開挖和相關(guān)地下工程的實施破壞了巖土體原有的平衡，基坑本身體系及相關(guān)支護結(jié)構(gòu)處于不斷變化的狀態(tài)，基坑相關(guān)變形參數(shù)需要不斷更新。智慧工地基坑監(jiān)測頻率通常1次／d，監(jiān)測頻率并不是一成不變的，一些特殊情況下還需根據(jù)工程實際變化情況適當(dāng)提高監(jiān)測頻率。

（2）高精度。普通工程測量最大允許誤差通常在數(shù)毫米，智慧工地基坑監(jiān)測中，基坑本身的特殊性、施工環(huán)境的復(fù)雜性及對周圍環(huán)境的影響程度使得智慧工地基坑工程監(jiān)測精度要求更高，《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2019）[4]規(guī)定，每個基坑至少要有3個穩(wěn)定可靠的基準點，基坑水平位移監(jiān)測宜設(shè)置強制對中觀測墩，并采用精密的光學(xué)對中儀器，對中誤差不宜大于0.5mm，且不同累計變形值下均規(guī)定了最大變形速率。

（3）等精度。普通水準測量要求前后視距相等，以清除多項誤差。智慧工地基坑監(jiān)測中，由于監(jiān)測環(huán)境條件的限制，無法實現(xiàn)每次測量都是前后視距相等，在智慧工地基坑監(jiān)測中要求精度相等，即在同一監(jiān)測位置上，由同一觀測者使用相同的測量儀器按同一測量方案施測，只要保證監(jiān)測位置前后一致，即使前后視距不相等，測量結(jié)果仍然具有參考性。

2.2 監(jiān)測方法

（1）傳統(tǒng)監(jiān)測方法。傳統(tǒng)基坑監(jiān)測按監(jiān)測項目有以下四種監(jiān)測方法。①豎向位移監(jiān)測方法。該方法主要是對基坑周邊能產(chǎn)生豎向位移的建筑物及周邊附屬設(shè)施進行監(jiān)測，最常用的監(jiān)測方法是水準壓力測試。②水平位移監(jiān)測方法。該方法主要對基坑周邊水平方向上平衡的結(jié)構(gòu)及建筑物水平位移進行監(jiān)測，現(xiàn)階段主要是利用測斜儀對監(jiān)測點水平位移進行有計劃的監(jiān)測。首先在基坑側(cè)壁土體中垂直埋設(shè)測斜管，然后由測斜儀自下而上滑動測量得到沿基坑深度方向的位移大小曲線，最后通過監(jiān)測點水平位移變化量間接反映基坑周邊結(jié)構(gòu)及建筑物的水平位移變化情況。③支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法。該方法的監(jiān)測對象主要是基坑支護結(jié)構(gòu)，監(jiān)測基坑支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中應(yīng)力應(yīng)變變化情況，如果支護結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土材料，則需用軸力計進行測量[5]。④裂縫監(jiān)測方法?；娱_挖前應(yīng)對基坑相關(guān)土體的已有變形情況進行勘查記錄，明確已有變形裂縫的長度、寬度、走向、分布、深度等相關(guān)變形物理量，并對監(jiān)測精度進行明確規(guī)定。

（2）智慧監(jiān)測新方法。近年國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者對智慧工地基坑監(jiān)測進行了大量研究工作。梁玄等[6]利用TCA2003全站儀中的自由設(shè)站基坑水平位移監(jiān)測系統(tǒng)對基坑水平位移進行了較為精準的預(yù)測，使基坑監(jiān)測更趨于智能化。何欽等[7]結(jié)合具體工程實例，給出了一種利用支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)增補水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算方法，通過實例計算表明該方法推算的最大水平位移值偏于安全，可用于輔助判斷基坑冠梁的穩(wěn)定性。徐爽等[8]結(jié)合具體基坑工程案例對水平位移量進行監(jiān)測，并利用灰色和時間序列組成的新模型，以前幾期數(shù)據(jù)作為原始數(shù)據(jù)對后幾期數(shù)據(jù)進行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明組合模型比單一灰色預(yù)測模型的預(yù)測效果更好，更適合基坑變形監(jiān)測。王登杰等[9]針對自由設(shè)站方案，建立了通過觀測監(jiān)測點與基準點的水平距離，并利用距離收斂值監(jiān)測基坑邊坡水平位移量的方法實現(xiàn)了位移監(jiān)測點的差分計算與數(shù)據(jù)處理，分析結(jié)果與工程實測數(shù)據(jù)均表明該監(jiān)測方法觀測精度滿足規(guī)范要求，且量測效率高，具有良好的應(yīng)用價值。

3 智慧工地基坑監(jiān)測的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 監(jiān)測方法和儀器設(shè)備有待改進

基坑工程特有的工程屬性使得很多傳統(tǒng)測量儀器無法直接應(yīng)用于智慧工地基坑工程監(jiān)測?；庸こ添椖看蠖辔挥谑袇^(qū)繁華地段，施工場地有限，對周圍環(huán)境影響大，裸露于地表可供布測的有效空間有限，這就決定了基坑土體位移只能通過埋設(shè)測斜管間接測量而無法使用位移傳感器一類的測量儀器直接測量；同時由于土體中信號傳輸受限，無法實現(xiàn)無線傳輸，有線傳輸又存在諸多不便，極大地增加了測量難度。隨著智慧工程的發(fā)展，新的基坑工程監(jiān)測技術(shù)相繼出現(xiàn)，但這些新興技術(shù)目前還處在初期試驗階段，距離成熟應(yīng)用還需要一段時間，監(jiān)測方法和儀器設(shè)備仍然不能滿足實際工程監(jiān)測需求。

3.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析水平有待提高

基坑工程監(jiān)測是一個技術(shù)含量很高的工作，利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其表現(xiàn)出的工程趨勢并指導(dǎo)現(xiàn)場施工是監(jiān)測的主要目的。但由于現(xiàn)場監(jiān)測人員缺乏專業(yè)知識以及對現(xiàn)場監(jiān)測工作認識的不到位，大部分監(jiān)測工作還處于布設(shè)監(jiān)測點→點位測試→土體變形數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)報表制作階段，相關(guān)工作人員極少對數(shù)據(jù)成果進行規(guī)律分析，探究其背后隱藏的工程現(xiàn)象，這就使得基坑工程監(jiān)測工作無法達到其本來的目的。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性問題

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性是一個很關(guān)鍵的問題，可靠且有意義的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)能真實反映工程的變化趨勢，能起到預(yù)測和指導(dǎo)施工的作用，但是從現(xiàn)場采集回來的數(shù)據(jù)并不完全真實可靠的，主要原因有以下兩點：一是測量儀器本身的系統(tǒng)誤差和操作過程的人為誤差；二是整個行業(yè)對現(xiàn)場監(jiān)測工作認識的不到位和不重視，存在“編制造表”現(xiàn)象，導(dǎo)致得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)并不是真實可靠的。

3.4 監(jiān)測預(yù)警值設(shè)置的標準問題

設(shè)置監(jiān)測預(yù)警值是為了及時準確預(yù)報設(shè)定的特定工程狀態(tài)，并對可能出現(xiàn)的工程情況采取及時的相應(yīng)預(yù)防措施，但在實際工程應(yīng)用中，存在基坑本身結(jié)構(gòu)變形遠未達到預(yù)設(shè)的報警值，但基坑周邊建筑、道路、地下管道等設(shè)施已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的嚴重變形破壞的情況；存在基坑本身結(jié)構(gòu)及其支護體系變形已遠超預(yù)設(shè)監(jiān)測報警值，而周邊建筑道路設(shè)施安然無恙的情況?，F(xiàn)階段大多數(shù)監(jiān)測預(yù)警值的確定還只是單純依賴工程經(jīng)驗，對設(shè)置標準缺乏系統(tǒng)的研究，這些都是值得探究的問題。

4 智慧工地基坑監(jiān)測的發(fā)展趨勢

當(dāng)前商業(yè)綜合體類建筑項目數(shù)量日趨增多，建筑基坑規(guī)模向深且大的方向發(fā)展，安全保障要求也隨之提高?；颖O(jiān)測的常規(guī)第三方監(jiān)測存在監(jiān)測點多、工作量大的問題，對智能自動化監(jiān)測的需求越來越強烈。在繼續(xù)發(fā)展常規(guī)第三方監(jiān)測的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展起來了施工現(xiàn)場內(nèi)控監(jiān)測，內(nèi)控監(jiān)測與傳統(tǒng)第三方監(jiān)測在本質(zhì)上存在很大區(qū)別，內(nèi)控監(jiān)測更具針對性和集中性，更符合智能自動化監(jiān)測理念。監(jiān)測方式也引起了基坑監(jiān)測模式的改變，人工監(jiān)測逐漸向智能自動化監(jiān)測發(fā)展，施工內(nèi)控監(jiān)測結(jié)合第三方監(jiān)測取代了單一的第三方監(jiān)測，監(jiān)測點布置模式趨于集約化，克服了傳統(tǒng)密集布點模式的缺陷，基坑監(jiān)測原理也在監(jiān)測新科技發(fā)展的推動下取得了變革性發(fā)展，光纖技術(shù)、MEMS技術(shù)也逐漸應(yīng)用到基坑工程監(jiān)測中。此外，新興的BIM技術(shù)、無人機三維掃描、智能移動終端技術(shù)將是智慧工地基坑監(jiān)測發(fā)展的新趨勢，專家?guī)臁⑶捌跀?shù)據(jù)預(yù)測、智慧建造等新模式是當(dāng)前基坑監(jiān)測的重點發(fā)展方向，總體而言，基坑監(jiān)測愈發(fā)智能化、數(shù)據(jù)化、集約化。