深基坑無人化自動監(jiān)測實施探討

蔣偉

摘? 要：基坑監(jiān)測技術(shù)是隨著深基坑工程的發(fā)展而不斷完善的。由于地下土體性質(zhì)、荷載條件、施工環(huán)境的復雜性，在施工過程中引發(fā)的土體性狀、環(huán)境、鄰近建筑物、地下設(shè)施的變化進行監(jiān)測已成為工程建設(shè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。對于風險大、安全性要求高的深大基坑采用傳統(tǒng)的監(jiān)測模式不能滿足現(xiàn)階段的要求。自動化監(jiān)測技術(shù)具有實時監(jiān)測、自動化性能高和復雜環(huán)境下安全保障的特點。隨著信息化技術(shù)的提高，建立自動采集、數(shù)據(jù)實時分發(fā)及數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計分析平臺，實現(xiàn)無人化現(xiàn)場監(jiān)測是一種趨勢。

關(guān)鍵詞：自動監(jiān)測技術(shù)? 深基坑? 地鐵? 應(yīng)用

中圖分類號：TU433? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（a）-0065-03

Abstract： With the development of deep foundation pit engineering， foundation pit monitoring technology is constantly improved. Due to the complexity of underground soil properties， load conditions and construction environment， monitoring the changes of soil properties， environment， adjacent buildings and underground facilities caused by the construction process has become an essential part of engineering construction. For the deep foundation pit with high risk and high safety requirements， the traditional monitoring mode can not meet the requirements at this stage. Automatic monitoring technology has the characteristics of real-time monitoring， high automation performance and security in complex environment. With the improvement of information technology， it is a trend to establish automatic collection， data real-time distribution and data query statistical analysis platform to realize unmanned on-site monitoring.

Key Words： Automatic monitoring technology; Deep foundation pit; Metro; Application

當前對于風險大、安全性要求高的深基坑采用傳統(tǒng)的監(jiān)測模式不能滿足現(xiàn)階段的要求。自動化監(jiān)測技術(shù)具有實時監(jiān)測、自動化性能高和復雜環(huán)境下安全保障的特點[1]。尤其是在城市軌道交通建設(shè)中，遇到基坑開挖深度大、周邊建筑物多、市政道路交叉和壓力管線密集的情況下，采用自動化監(jiān)測技術(shù)能為基坑監(jiān)測實時開展提供有力的保障。

1? 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

自動化監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。根據(jù)基坑工程本體自動化監(jiān)測項目需要，傳感器有自動水位計、孔隙水壓力自動化監(jiān)測計、土體分層沉降計等自動化觀測技術(shù)，及時掌握關(guān)鍵水位、孔隙水壓力變化;自動化墻體或土體深層水平位移、支撐軸力自動化采集儀，實時反映基坑開挖過程的土體的變化;靜力水準儀、隧道自動化收斂、全站儀自動化水平位移，是針對隧道結(jié)構(gòu)變化的實時監(jiān)測[2]。

在自動化監(jiān)測技術(shù)發(fā)展過程中，各種自動化監(jiān)測設(shè)備蜂擁涌入市場。為遵循“實用、可靠、先進、經(jīng)濟”的原則，根據(jù)監(jiān)測等級和監(jiān)控對象的特點，在該次應(yīng)用中，相關(guān)人員采用了自動化墻體或土體深層水平位移、孔隙水壓力自動化監(jiān)測計和靜力水準儀技術(shù)進行分析。

1.1 建筑物靜力水準儀自動化

自動沉降監(jiān)測采用靜力水準儀，由數(shù)據(jù)解調(diào)儀讀取靜力水準儀所采集的沉降變化量到計算機，進行計算處理和傳輸。該儀器依據(jù)連通管原理，通過傳感器測量每個測點所安置的監(jiān)測儀器中容器內(nèi)的液面相對儀器參考點的液面變化，再通過計算求得各點相對于基點的變化量[3]。

靜力水準測量系統(tǒng)主要由主體容器、連通管、傳感器等部分組成，當儀器主體安裝點發(fā)生高程變化時，主體容器內(nèi)液面發(fā)生變化，每一容器的液位由一個精密傳感器測出，該傳感器內(nèi)有一個自由懸重，一旦液面發(fā)生變化，懸重的懸浮力即被傳感器感應(yīng)。

1.2 墻體或土體深層水平位移自動化

在地下連續(xù)墻圍護頂圈梁施工完畢后，在預留的地墻測斜孔中放置固定式測斜儀，同時將傳感導線接入無線測量模塊，通過GPRS通信模塊實現(xiàn)遠程自動監(jiān)控。

整個系統(tǒng)包含一定數(shù)量安裝在測斜管里的固定測斜儀傳感器，測斜管提供地下測量的入口[4]。測斜管內(nèi)部的導槽控制著傳感器的方向。測斜管安裝在垂直的鉆孔中，該鉆孔穿過地下可能發(fā)生位移運動的地區(qū)。一組導槽需對準在預期的位移方向。傳感器固定在測斜管內(nèi)，并跨越位移活動地區(qū)。當?shù)貙影l(fā)生位移時，測斜管產(chǎn)生位移，從而引起安裝在管內(nèi)的傳感器發(fā)生傾斜。位移計算的原理與常規(guī)深層水平位移測試（測斜）相同。

1.3 孔隙水壓力自動化

將孔隙水壓力計前端的透水石和開孔鋼管卸下，放入盛水容器中熱泡，以快速排除透水石中的氣泡，然后浸泡透水石至飽和，安裝前透水石應(yīng)始終浸泡在水中，嚴禁與空氣接觸。

通過在觀測孔內(nèi)安裝振弦式滲壓計來測讀，同樣將滲壓計導線接入無線自動化數(shù)據(jù)采集單元，通過GPRS通信模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

使用過程中，水壓力導致膜的變形而使弦的張緊度和共振頻率改變，數(shù)據(jù)采集器精確測量弦的共振頻率并且以周期或線性讀數(shù)顯示，采用滲壓計的壓力計算公式便可以計算。

自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率及發(fā)布是自動化系統(tǒng)的重要組成部分。自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時進行監(jiān)測，自動化監(jiān)測項目原始數(shù)據(jù)采集頻率不低于每10 min進行1次，自動化監(jiān)測的計算結(jié)果信息定時發(fā)布，基坑開挖期間發(fā)布頻率不低于每2 h進行1次;自動化監(jiān)測實施過程中，進行標準化的定期校驗、人工比測，因自動化監(jiān)測系統(tǒng)故障出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤時立即進行故障排除、數(shù)據(jù)校正，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的準確性和數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)布的可靠性。

2? 項目實施

該項目為地鐵工程中間站，車站沿道路南北走向，跨現(xiàn)狀路口設(shè)置，與已通車的地鐵站“十”字換乘，為地下二層島式車站，站后設(shè)單渡線。

該站內(nèi)凈尺寸為350 m×20.06 m，站臺寬度為13.06 m，地下一層為站廳層，地二層為站臺層。車站基坑開挖深度約為14.5～17.6 m，頂板覆土厚約為2.5 m，該工程基坑采用半逆作頂板蓋挖法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)均采用0.8 m厚地下連續(xù)墻，標準段豎向設(shè)置4道支撐（1道鋼筋砼支撐+3道鋼支撐），工作井豎向設(shè)置5道支撐（1道鋼筋砼支撐+4道鋼支撐）。

根據(jù)勘察地質(zhì)報告，該區(qū)域是典型的軟土地區(qū)，在地面下普遍沉積有厚層軟粘性土，其具有含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高等不良工程特性，同時軟土還有低滲透性、觸變性和流變性等特點[5]。工程建成后，軟土引起的工后沉降往往較大，對工程的安全運營影響很大;同時，在上部荷載和震動的長期作用下，軟土的觸變特點往往會使其強度降低，從而進一步加大構(gòu)筑物的變形量。

2.1 自動化監(jiān)測點布置

基坑工程自動化監(jiān)測點布置要能反映監(jiān)測對象的實際狀態(tài)及其變化趨勢，監(jiān)測點布置在變形、應(yīng)力等的關(guān)鍵特征點上，并滿足監(jiān)控要求，且需放置在不受影響或容易保護的位置[6]。

對于監(jiān)測等級為一級的基坑，圍護墻側(cè)向變形孔2～3幅地墻布設(shè)1孔（地下3層及以上車站每2幅布設(shè)1孔，地下2層車站每3幅地墻布設(shè)1孔）。測孔沿長邊對稱布設(shè)并與圍護墻頂變形監(jiān)測點相對應(yīng)，每側(cè)邊至少有1孔，并確保存活，如不能存活，則在對應(yīng)位置補設(shè)土體測斜孔。為確保實際存活的測斜孔密度，車站主體基坑圍護墻體深層水平位移監(jiān)測點每2幅地墻布設(shè)1孔，其中1孔備用。圍護墻體深層水平位移監(jiān)測孔布設(shè)在每幅地墻中部，避開地墻接頭處布設(shè)（見圖1）;基坑陽角部位及其他代表性部位的樁（墻）體布設(shè)監(jiān)測點。

2.2 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

采用固定式測斜儀，在現(xiàn)場布設(shè)好的樁體或者土體測斜孔中進行放置一串與測斜管等深的固定式測斜儀（每1 m布設(shè)1根），在測斜孔外部放置一個數(shù)據(jù)采集盒，利用內(nèi)置的物聯(lián)網(wǎng)模塊實時上發(fā)測斜數(shù)據(jù)。監(jiān)測云平臺可以實時接收測斜數(shù)據(jù)，真正做到測斜數(shù)據(jù)的實時上傳。上傳過程不需要人工干預。

孔隙水壓力計現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測元件的方法和傳統(tǒng)監(jiān)測布設(shè)一致，布設(shè)完畢之后，在相應(yīng)軸力斷面位置，放置一個振弦式頻率采集箱，實時采集軸力元件的頻率值和溫度值。數(shù)據(jù)通過壓力計采集箱中的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射模塊，直接將壓力計原始數(shù)據(jù)（頻率+溫度）實時發(fā)送至監(jiān)測云平臺，不需要人為測量和干預。

數(shù)據(jù)上傳平臺后，監(jiān)測云平臺會根據(jù)壓力監(jiān)測點所使用的監(jiān)測元件實時計算和存儲相應(yīng)的水壓力值具體見圖2。

沉降監(jiān)測傳感器所采集的沉降變化量通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ㄓ嬎銠CIP，通過配套軟件進行數(shù)據(jù)傳輸存儲管理及計算處理。

3? 自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)比較

目前，市場上的監(jiān)測設(shè)備種類繁多，其中固定式測斜儀尤為突出。為驗證自動監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性，在采集自動監(jiān)測數(shù)據(jù)時，將2臺測斜儀同時放置在同一地墻上，人工監(jiān)測采用常規(guī)測斜儀。在自動化監(jiān)控點旁邊進行位置數(shù)據(jù)采集，每周手動采集一次數(shù)據(jù)，將傳感器各深度位置水平位移自動監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果進行比較。手動監(jiān)測使用滑動傾角計，并且僅使用一個傾角計探頭，探頭軸距0.5 m，每提升監(jiān)測間隔0.5 m。自動監(jiān)測使用固定測斜儀探頭連接為一系列探頭，每米一個傳感器。

自動監(jiān)測的結(jié)果與人工監(jiān)測的結(jié)果基本一致。自動監(jiān)測各深度水平位移累計計算修正，得到的變形過程線與人工監(jiān)測結(jié)果趨勢一致。監(jiān)測結(jié)果能真實反映基坑墻體水平方向變形情況。

4? 結(jié)論和建議

（1）自動監(jiān)控24 h實時監(jiān)控，尤其是地鐵基坑監(jiān)控，有效預防和減少災害，免去相關(guān)人員多次進入施工現(xiàn)場。

（2）如果基坑存在風險，自動監(jiān)測可以持續(xù)可靠地監(jiān)測，確定合理的救援方案，對消除基坑風險具有非常積極的作用。

（3）自動監(jiān)測技術(shù)具有高精度、高靈敏度的特點，結(jié)合自動數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)的自動監(jiān)測系統(tǒng)可以克服常規(guī)監(jiān)測的低效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集。

（4）輔助施工管理，非監(jiān)理專家也可了解基坑變形情況。

（5）結(jié)合現(xiàn)有基坑支護結(jié)構(gòu)的變形歷史，確定未來一段時間內(nèi)的變形趨勢，結(jié)合危險區(qū)域的預警和重點監(jiān)測，造福于施工管理人員和業(yè)主的工程。

（6）城市地鐵深基坑采用自動監(jiān)測技術(shù)在安全和效率方面是可行的，但投資成本高于常規(guī)監(jiān)測。

參考文獻

[1] 張乾坤.濱海區(qū)軌道交通深基坑健康自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究[D].中國鐵道科學研究院，2020.

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[3] 范思廣.城市地鐵車站基坑施工安全自動化監(jiān)測與變形控制研究[D].青島理工大學，2018.

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[5] 趙塵衍，劉全海.自動化監(jiān)測技術(shù)在地鐵基坑工程監(jiān)測中的應(yīng)用[J].城市勘測，2019（1）：196-200.

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