自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵深基坑中的應(yīng)用

林翔宇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-2187

摘? 要：基坑監(jiān)測(cè)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(fù)雜性，對(duì)在施工過(guò)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(jìn)行監(jiān)測(cè)已成為工程建設(shè)必不可少的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)大、安全性要求高的深大基坑采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模式不能滿足現(xiàn)階段的要求。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化性能高和復(fù)雜環(huán)境下安全保障的特點(diǎn)。隨著信息化技術(shù)的提高，建立自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分發(fā)及數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是一種趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)? 深基坑? 地鐵? 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U231.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2021）05（a）-0014-03

Application of Automatic Monitoring Technology in Deep Foundation Pit of Subway

LIN Xiangyu

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Shanghai， 200092? China）

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(dāng)前對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)大、安全性要求高的深大基坑采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)模式已不能滿足現(xiàn)階段的要求。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化性能高和復(fù)雜環(huán)境下安全保障的特點(diǎn)[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(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)能為基坑監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)開展提供有力的保障。

1? 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(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(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需要，傳感器有自動(dòng)水位計(jì)、孔隙水壓力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)計(jì)、土體分層沉降計(jì)等自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)，及時(shí)掌握關(guān)鍵水位及孔隙水壓力變化;自動(dòng)化墻體或土體深層水平位移、支撐軸力自動(dòng)化采集儀，實(shí)時(shí)反映基坑開挖過(guò)程中土體的變化;靜力水準(zhǔn)儀、隧道自動(dòng)化收斂、全站儀自動(dòng)化水平位移，是針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。

在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備蜂擁涌入市場(chǎng)。為遵循“實(shí)用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”的原則，根據(jù)監(jiān)測(cè)等級(jí)和監(jiān)控對(duì)象的特點(diǎn)，在本次應(yīng)用中，采用了自動(dòng)化墻體或土體深層水平位移、孔隙水壓力自動(dòng)化監(jiān)測(cè)計(jì)和靜力水準(zhǔn)儀技術(shù)進(jìn)行分析。

1.1 建筑物靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化

自動(dòng)沉降監(jiān)控采用靜力水準(zhǔn)儀，數(shù)據(jù)解調(diào)器將靜力水準(zhǔn)儀收集的沉降更改讀取到計(jì)算機(jī)中，以進(jìn)行計(jì)算、處理和傳輸。根據(jù)連接管道的原理，儀器通過(guò)傳感器測(cè)量每個(gè)測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于儀器參考點(diǎn)的監(jiān)測(cè)儀器中容器液位的變化，然后計(jì)算相對(duì)于基準(zhǔn)的每個(gè)點(diǎn)的變化[3]。

靜力水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)主要由主容器、連接管、傳感器等部分組成。當(dāng)儀器主體的安裝點(diǎn)的高度改變時(shí)，主容器中的液位改變與每個(gè)容器中的液位由精密傳感器測(cè)量。傳感器上有自由懸掛的重物。一旦液位變化，傳感器就會(huì)檢測(cè)到懸吊重物的懸浮力。

1.2 墻體或土體深層水平位移自動(dòng)化

地下連續(xù)墻上部環(huán)梁施工完成后，在固定的土墻斜孔中放置固定的測(cè)斜儀，并將傳感器電纜連接至無(wú)線測(cè)量模塊，以通過(guò)GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控。

整個(gè)系統(tǒng)包含安裝在測(cè)斜管中的多個(gè)固定測(cè)斜傳感器，測(cè)斜管為地下測(cè)量提供了入口[4]，測(cè)斜儀內(nèi)部的導(dǎo)向槽控制傳感器的方向。測(cè)斜管安裝在垂直井中，該井穿過(guò)地下可能發(fā)生位移的區(qū)域。一組導(dǎo)向槽需要在預(yù)期的行進(jìn)方向上對(duì)齊，傳感器安裝在測(cè)斜管上并橫穿位移活動(dòng)區(qū)域。當(dāng)土壤移位時(shí)，測(cè)斜儀管將移位，從而導(dǎo)致安裝在管中的傳感器傾斜。位移計(jì)算原理與常規(guī)深水平位移測(cè)試（測(cè)斜儀）相同。

1.3 孔隙水壓力自動(dòng)化

將孔隙水壓力計(jì)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(yán)禁與空氣接觸。

通過(guò)在觀測(cè)孔內(nèi)安裝振弦式滲壓計(jì)來(lái)測(cè)讀，同樣將滲壓計(jì)導(dǎo)線接入無(wú)線自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

使用過(guò)程中，水壓力導(dǎo)致膜的變形而使弦的張緊度和共振頻率發(fā)生改變，數(shù)據(jù)采集器可以精確測(cè)量弦的共振頻率并且以周期或線性讀數(shù)顯示，最后通過(guò)采用滲壓計(jì)的壓力計(jì)算公式便可以計(jì)算得出結(jié)果。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率及發(fā)布是自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)采集頻率不低于10min/次，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的計(jì)算結(jié)果信息定時(shí)發(fā)布，基坑開挖期間發(fā)布頻率不低于2h/次;自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施過(guò)程中，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的定期校驗(yàn)、人工比測(cè)，因自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)立即進(jìn)行故障排除、數(shù)據(jù)校正，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)布的可靠性。

2? 項(xiàng)目實(shí)施

該項(xiàng)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。

本站內(nèi)凈尺寸為350m×20.06m，站臺(tái)寬度13.06m，地下一層為站廳層，地下二層為站臺(tái)層。車站基坑開挖深度約為14.5～17.6m，頂板覆土厚約2.5m，本工程基坑采用半逆作頂板蓋挖法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用0.8m厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段豎向設(shè)置四道支撐（1道鋼筋砼支撐+3道鋼支撐），工作井豎向設(shè)置五道支撐（1道鋼筋砼支撐+4道鋼支撐）。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，該地區(qū)是典型的軟土地區(qū)。厚厚的軟粘土層通常沉降在土壤下面。它具有高含水量、大空隙率、低強(qiáng)度、高可壓縮性和其他不利的工程特性，且具有低滲透性、觸變性和流變性的特征[5]。工程竣工后，軟土引起的施工后沉降通常較大，對(duì)工程的安全運(yùn)行影響很大。同時(shí)，在高載荷和振動(dòng)的長(zhǎng)期作用下，軟土的觸變性傾向于降低其強(qiáng)度，從而進(jìn)一步降低其強(qiáng)度，增加結(jié)構(gòu)的變形。

2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置要能反映監(jiān)測(cè)對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)及其變化趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在變形、應(yīng)力等的關(guān)鍵特征點(diǎn)上，并滿足監(jiān)控要求，且需放置在不受影響或容易保護(hù)的位置[6]。

對(duì)于監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)的基坑，圍護(hù)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(cè)孔沿長(zhǎng)邊對(duì)稱布設(shè)并與圍護(hù)墻頂變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，每側(cè)邊至少有1孔，并確保存活，如不能存活，則在對(duì)應(yīng)位置補(bǔ)設(shè)土體測(cè)斜孔。為確保實(shí)際存活的測(cè)斜孔密度，車站主體基坑圍護(hù)墻體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)每2幅地墻布設(shè)一孔，其中1孔備用。圍護(hù)墻體深層水平位移監(jiān)測(cè)孔布設(shè)在每幅地墻中部，避開地墻接頭處布設(shè)（如圖1所示）;基坑陽(yáng)角部位及其他代表性部位的樁（墻）體布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

采用固定式測(cè)斜儀，在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)好的樁體或者土體測(cè)斜孔中進(jìn)行放置一串與測(cè)斜管等深的固定式測(cè)斜儀（1m布設(shè)一根），在測(cè)斜孔外部放置一個(gè)數(shù)據(jù)采集盒，利用內(nèi)置的物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)上傳測(cè)斜數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)云平臺(tái)可以實(shí)時(shí)接收測(cè)斜數(shù)據(jù)，真正做到測(cè)斜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳。上傳過(guò)程不需要人工干預(yù)。

孔隙水壓力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)監(jiān)測(cè)元件的方法和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)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(gè)振弦式頻率采集箱，實(shí)時(shí)采集軸力元件的頻率值和溫度值。數(shù)據(jù)通過(guò)壓力計(jì)采集箱中的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射模塊，直接將壓力計(jì)原始數(shù)據(jù)（頻率+溫度）實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。不需要人為測(cè)量和干預(yù)。

數(shù)據(jù)上傳平臺(tái)后，監(jiān)測(cè)云平臺(tái)會(huì)根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)所使用的監(jiān)測(cè)元件實(shí)時(shí)計(jì)算和存儲(chǔ)相應(yīng)的水壓力值（如圖2所示）。

沉降監(jiān)測(cè)傳感器所采集的沉降變化量通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付↖P計(jì)算機(jī)，通過(guò)配套軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)管理及計(jì)算處理。

3? 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較

目前市場(chǎng)上的監(jiān)測(cè)設(shè)備品種多樣，其中以固定式測(cè)斜尤為突出。為了檢驗(yàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果的精度和可靠性，在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的同一時(shí)間、同一地點(diǎn)，在同一幅地墻上布置2個(gè)測(cè)斜孔，使用傳統(tǒng)測(cè)斜儀在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)旁的人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，每周人工采集一次數(shù)據(jù)。將各深度位置處傳感器水平位移量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果與人工監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比。人工監(jiān)測(cè)采用滑動(dòng)式測(cè)斜儀，只采用一根測(cè)斜探頭。探頭的輪距為0.5m，每次提拉監(jiān)測(cè)的間距為0.5m。而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是采用固定式測(cè)斜探頭，通過(guò)一連串探頭相連的方式，每米設(shè)置一個(gè)傳感器。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與人工監(jiān)視的結(jié)果基本一致。對(duì)每個(gè)深度的水平位移進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行累計(jì)校正，得到的變形過(guò)程線與人工監(jiān)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)相吻合。監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)際上可以反映出基孔壁在水平方向上的變形。

4? 結(jié)語(yǔ)

（1）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)需人員多次進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)，尤其在地鐵基坑監(jiān)測(cè)中有效做到防災(zāi)減災(zāi)。

（2）在基坑出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)也可連續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而確定合理的搶險(xiǎn)方案，這對(duì)消除基坑險(xiǎn)情有著非常積極的作用。

（3）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)具有高精度、高靈敏度等特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與傳輸技術(shù)構(gòu)成的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠克服傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)工作效率低下等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（4）輔助施工管理，非監(jiān)測(cè)專業(yè)人員同樣可以看懂基坑變形情況。

（5）結(jié)合已有的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形歷史判斷未來(lái)一段時(shí)間的變形趨勢(shì)，對(duì)危險(xiǎn)位置提前預(yù)警重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，有利于施工管理人員和業(yè)主方的工程施組決策。

（6）對(duì)于城市地鐵深基坑部分采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，雖投入成本比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)高，從安全和效率方面是可行的。

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