深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)研究

曹冬冬（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

所謂深基坑工程主要指的是開挖深度達(dá)到5m以上，或者地下室結(jié)構(gòu)達(dá)到3層以上的基坑工程。在深基坑工程的施工過程中通常包括開挖土方、支護(hù)結(jié)構(gòu)施作以及降排水處理等多個(gè)施工環(huán)節(jié)，涉及多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，客觀上加大了深基坑工程施工的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。因此在深基坑工程的施工中應(yīng)在傳統(tǒng)工程監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對各種自動(dòng)化、信息化先進(jìn)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)的研究和應(yīng)用，利用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)對深基坑工程施工的全過程進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，準(zhǔn)確測定深基坑工程位移沉降等指標(biāo)參數(shù)，并自動(dòng)完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)深基坑工程中的異常情況，以確保預(yù)警提示具有更高的即時(shí)性和準(zhǔn)確性，為深基坑工程的順利實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)，推動(dòng)我國監(jiān)測技術(shù)以及深基坑工程施工質(zhì)量的全面提升。

1 深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)分析

1.1 深基坑工程自動(dòng)化全站儀監(jiān)測技術(shù)分析

全站儀是目前在深基坑監(jiān)測工作中廣泛應(yīng)用的自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)。全站儀具有較高的自動(dòng)化水平，能夠在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)完成對被測目標(biāo)的跟蹤搜索、辨認(rèn)以及照準(zhǔn)，工作人員只需將目標(biāo)棱鏡設(shè)置在被測目標(biāo)上，全站儀就可以自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)以及動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)[1]。同時(shí)，全站儀還可以根據(jù)預(yù)設(shè)任務(wù)以及相關(guān)控制參數(shù)自動(dòng)完成對被測目標(biāo)三維坐標(biāo)、角度以及距離等數(shù)據(jù)的自動(dòng)測量、采集以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。在完成數(shù)據(jù)采集后，全站儀還可以利用無線網(wǎng)絡(luò)以及光纖傳輸?shù)确绞较驍?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。此外，而數(shù)據(jù)處理中心則可以利用專業(yè)分析軟件自動(dòng)完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警信息，以保證深基坑工程的施工安全。

1.2 深基坑工程自動(dòng)化3D激光掃描監(jiān)測技術(shù)

3D激光掃描也是目前在深基坑工程監(jiān)測中應(yīng)用較多的一項(xiàng)自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)。3D激光掃描技術(shù)主要是利用高速激光對被測目標(biāo)進(jìn)行快速的掃描測量，以測量采集被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)，并以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。3D激光掃描技術(shù)以激光測距原理為基礎(chǔ)，可以完成對密集大量被測目標(biāo)三維坐標(biāo)的快速測定，與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，其測量效率和精度都有了明顯的提高。

3D激光掃描技術(shù)具有較高的自動(dòng)化水平，能夠自動(dòng)完成對測量數(shù)據(jù)的采集以及快速分析，極大提高了數(shù)據(jù)采集的效率，同時(shí)能夠便捷的調(diào)整便利信息，為深基坑監(jiān)測工作的開展提供了便利。同時(shí)，由于3D激光掃描技術(shù)是一種非接觸性的測量監(jiān)測方式，其無須使用反射棱角等，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測要求，并確保深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，為深基坑工程的施工管理以及質(zhì)量控制提供更加準(zhǔn)確客觀的參考依據(jù)。此外，3D激光掃描技術(shù)具有及時(shí)性以及動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，能夠?qū)ι罨咏Y(jié)構(gòu)變形位移情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)深基坑狀態(tài)異常提供了重要的技術(shù)支撐，因此被越來越廣泛的應(yīng)用于深基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測工作中。

1.3 深基坑工程自動(dòng)化光纖傳感監(jiān)測技術(shù)

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展成熟，其在深基坑自動(dòng)化監(jiān)測也逐步開始推廣應(yīng)用。光纖傳感是一項(xiàng)具有較高自動(dòng)化水平且能夠?qū)崿F(xiàn)全天候連續(xù)監(jiān)測的技術(shù)，其適應(yīng)范圍較廣，能夠廣泛應(yīng)用于深基坑工程各種監(jiān)測項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可以準(zhǔn)確測定深基坑工程內(nèi)外土體應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及應(yīng)變等各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，并能夠?qū)ι罨庸こ痰奈灰谱冃吻闆r、沉降隆起以及地下水水位等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)也可以用于對深基坑工程區(qū)域地下管線設(shè)施分布走向、周邊構(gòu)筑物的沉降變形等的自動(dòng)監(jiān)測。此外，光纖傳感技術(shù)還能夠利用立體模型對監(jiān)測信息進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析提供了便利。因此應(yīng)在深基坑自動(dòng)化監(jiān)測中加強(qiáng)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高深基坑監(jiān)測的自動(dòng)化水平以及數(shù)據(jù)采集、分析的效率和質(zhì)量，從而為保證深基坑工程施工的質(zhì)量安全提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

2 深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 某深基坑工程基本情況

某深基坑工程開挖深度達(dá)到14.5m以上，開挖面積超過了1330m2，該深基坑的支護(hù)體系由水平支撐與鉆孔灌注樁共同構(gòu)成的，且安全等級要求確定為一級。為了保證該深基坑工程的施工安全和施工質(zhì)量，決定采用全站儀等自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)對深基坑工程進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。同時(shí)，在監(jiān)測中應(yīng)適當(dāng)加大對重點(diǎn)監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)的測量采集頻率，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。

2.2 布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)

由于該深基坑的施工中主要采用的是全站儀等自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，因此應(yīng)首先進(jìn)行后視基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)。基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置于深基坑邊坡不受變形影響的位置，基準(zhǔn)點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)為3個(gè)。完成基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)后，在深基坑工程的施工過程中應(yīng)按照每周一次的頻率定期對其位置的準(zhǔn)確性進(jìn)行復(fù)核，避免基準(zhǔn)點(diǎn)出現(xiàn)位移等問題，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)測點(diǎn)

在布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)應(yīng)按照深基坑工程現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙等資料合理選擇監(jiān)測點(diǎn)位置，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)全面、準(zhǔn)確。

2.3.1 布設(shè)土體位移監(jiān)測點(diǎn)要點(diǎn)

在布設(shè)土體位移情況監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇強(qiáng)度較高的PVC管作為測斜管，并將其打入土體內(nèi)，測斜管上都應(yīng)比測斜孔略長，且應(yīng)將測斜管端口密封，以避免有雜物進(jìn)入管內(nèi)[2]。在測斜孔內(nèi)安裝傳感設(shè)備時(shí)應(yīng)用鋼管連接傳感設(shè)備，且其一端應(yīng)采用剛性連接方式，而在另一端則應(yīng)設(shè)置萬向節(jié)。完成測斜管的布設(shè)后，還應(yīng)黃沙等將其覆蓋，以避免其被移動(dòng)。

2.3.2 布設(shè)支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)要點(diǎn)

在布設(shè)軸力監(jiān)測點(diǎn)時(shí)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測對象的不同采用相應(yīng)的布設(shè)方法。在鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)上布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)應(yīng)在鋼筋構(gòu)架四角主筋分別設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)，且其方向應(yīng)平行于支撐方向。安裝時(shí)應(yīng)采用焊接方式。在焊接時(shí)應(yīng)用濕毛巾等對應(yīng)力計(jì)進(jìn)行包裹，以防止傳感設(shè)備受損。

在布設(shè)監(jiān)測鋼管支撐軸力的相關(guān)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，可以在鋼支撐中設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，并在鋼支撐結(jié)構(gòu)的截面兩側(cè)分別安裝表面應(yīng)變計(jì)等測量儀器。安裝時(shí)應(yīng)采用焊接工藝將其固定牢固，且應(yīng)平行于支撐方向，應(yīng)變計(jì)和鋼支撐結(jié)構(gòu)間應(yīng)無間隙存在。具體的安裝位置可參見圖1所示。

圖1 布設(shè)表明應(yīng)變計(jì)示意圖

2.3.3 布設(shè)位移監(jiān)測點(diǎn)要點(diǎn)

在布設(shè)深基坑工程區(qū)域周邊構(gòu)筑物以及地表位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先鉆進(jìn)成孔，并將螺紋鋼筋打入孔內(nèi)，鉆孔直徑應(yīng)控制在120mm，螺紋鋼筋應(yīng)采用φ22mm規(guī)格[3]。在標(biāo)志鋼筋四周應(yīng)用細(xì)砂充填并進(jìn)行夯實(shí)處理，以避免監(jiān)測點(diǎn)移動(dòng)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利的影響。之后應(yīng)將微型棱鏡套設(shè)在鋼筋上，且其中心位置應(yīng)比地面高5mm。在棱鏡上應(yīng)設(shè)置保護(hù)罩。在設(shè)置地面監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)選擇與深基坑結(jié)構(gòu)外側(cè)相距1m~3m位置。

而在布設(shè)周邊構(gòu)筑物沉降位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)選擇構(gòu)筑物轉(zhuǎn)角、角點(diǎn)以及中點(diǎn)等位置，且應(yīng)與監(jiān)測儀器間保持通視，監(jiān)測點(diǎn)間距應(yīng)控制在6m~20m。當(dāng)建筑物存在明顯高低差以及新舊程度差異時(shí)，應(yīng)選擇在建筑物交接位置兩側(cè)分別布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。而在對多邊形以及圓形等復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形建筑物進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，則應(yīng)沿構(gòu)筑物軸線位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，且監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)保持對稱。

2.4 布設(shè)自動(dòng)監(jiān)測儀器設(shè)備要點(diǎn)

在安裝全站儀時(shí)應(yīng)確保其基礎(chǔ)穩(wěn)定，并要進(jìn)行鋼筋籠的制作，且在鋼筋籠上應(yīng)焊接螺桿。在安裝立桿時(shí)應(yīng)將底部法蘭盤緊密連接在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，并在立桿頂部設(shè)置全站儀。同時(shí)應(yīng)為全站儀設(shè)置保護(hù)箱等防護(hù)設(shè)施，以避免全站儀受到降水以及灰塵等因素的影響。在該深基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測中還采用了自動(dòng)化測斜技術(shù)。在安裝測斜儀時(shí)應(yīng)通過桿件箱測斜孔內(nèi)下入自動(dòng)測斜儀，并在測斜孔附件設(shè)置設(shè)備箱，以便于施測。

2.5 自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)設(shè)備應(yīng)用方法分析

2.5.1 監(jiān)測深基坑位移方法

在該深基坑的自動(dòng)化監(jiān)測中利用全站儀以及自動(dòng)化應(yīng)變計(jì)、測斜儀以及鋼筋計(jì)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控測量。在對深基坑工程垂直以及水平方向上的位移情況進(jìn)行監(jiān)測時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況采用三角高程法或者極坐標(biāo)法[4]。以后視基準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ)，對測站坐標(biāo)進(jìn)行后交會(huì)修正測量，并采用溫度補(bǔ)償方式對測距精度進(jìn)行修正，并通過雙盤位方法對軸系誤差進(jìn)行消除處理，以確保測量精度符合監(jiān)測要求。

2.5.2 深基坑土體測斜方法

在對深基坑工程土體進(jìn)行測斜時(shí)，應(yīng)按照從下到上的順序安裝傳感設(shè)備，以準(zhǔn)確測定被測目標(biāo)偏角值。各測斜管首次測量中所采集的測量數(shù)據(jù)為該測點(diǎn)初始值，將其與深基坑施工過程中所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其差值即為水平位移累計(jì)值。

2.5.3 監(jiān)測深基坑支撐軸力方法

在監(jiān)測深基坑工程支撐軸力時(shí)，應(yīng)首先復(fù)核傳感設(shè)備在無受力狀態(tài)下的頻率值，并與標(biāo)定頻率進(jìn)行對比，以確保其測量精度符合測量要求。監(jiān)測時(shí)應(yīng)對初始值進(jìn)行2次測回測定，且初始值應(yīng)取2次測回讀數(shù)的平均值。在后續(xù)深基坑工程的施工過程中應(yīng)進(jìn)行日常動(dòng)態(tài)監(jiān)測，并以初始值為基礎(chǔ)進(jìn)行差值計(jì)算，以準(zhǔn)確掌握深基坑工程支撐軸力變化情況，保證深基坑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

3 結(jié)語

深基坑工程是很多工程項(xiàng)目建設(shè)中的重要施工內(nèi)容，為保證深基坑工程施工質(zhì)量以及施工安全，施工單位應(yīng)加強(qiáng)對自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)的研究，并積極應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化監(jiān)測儀器設(shè)備，對深基坑施工的全過程進(jìn)行全方位的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以準(zhǔn)確掌握深基坑狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，并為深基坑施工管理以及質(zhì)量控制提供可靠的參考依據(jù)，從而為深基坑工程施工的順利實(shí)施提供技術(shù)支撐，并推動(dòng)我國建筑行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。