自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在基坑施工中的應(yīng)用

熊飛，牟谷一，袁彬彬

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

基坑開挖是建筑施工中一項(xiàng)重要的工程，涉及地質(zhì)學(xué)、結(jié)構(gòu)工程和巖土工程等多個(gè)學(xué)科?；娱_挖就是在建筑地面向下挖出空間進(jìn)行基礎(chǔ)和地下建筑建設(shè)，是建筑工程中最常見的一種結(jié)構(gòu)形式。建筑施工的第一道工序就是基坑開挖，基坑施工過程受到土壤、地質(zhì)和水文以及施工環(huán)境和工藝等多個(gè)方面的影響，同時(shí)基坑開挖后還需要進(jìn)行回填，屬于隱蔽工程，施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)比較困難，基坑施工以及其安全性對(duì)整個(gè)建筑物至關(guān)重要，因此必須進(jìn)行基坑質(zhì)量檢測(cè)[1-4]。

2 基坑檢測(cè)的現(xiàn)狀

基坑開挖施工作業(yè)是一項(xiàng)高、大、危的工程，是受到國內(nèi)外關(guān)注的安全工程之一。造成基坑坍塌的因素包括環(huán)境因素和人為因素，例如，地質(zhì)勘察不到位、施工方案不合理、防滲水措施不完善、支撐維護(hù)不科學(xué)等都可能造成基坑坍塌?；犹男问揭埠芏?，坑底隆起變形、滲水、基坑整體和圍護(hù)體系失穩(wěn)都會(huì)導(dǎo)致基坑的結(jié)構(gòu)受到破壞，引發(fā)基坑坍塌。

由此可見，基坑開挖過程中任一環(huán)節(jié)的失誤都會(huì)影響基坑的安全，基坑施工的復(fù)雜性也決定了基坑檢測(cè)的必要性。現(xiàn)階段，工程項(xiàng)目中一般采用第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行基坑檢測(cè)，檢測(cè)多采用人工現(xiàn)場(chǎng)觀察和測(cè)量為主，主要對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行檢測(cè)，通過對(duì)上述一些參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，可以判斷出基坑局部或者整體失穩(wěn)的概率，以及構(gòu)件的安全度。然而，這種基坑檢測(cè)方案還有一些缺點(diǎn)。

1）空間限制

由于基坑施工作業(yè)面積有限，人工檢測(cè)時(shí)受制于設(shè)備及人員占據(jù)較大空間，無法找到合適的檢測(cè)點(diǎn)，需要不停地改變方位或者角度，甚至變換方案進(jìn)行檢測(cè)。因此，除了增大誤差以外，還會(huì)造成復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的安全隱患。

2）時(shí)間限制

基坑開挖作為一項(xiàng)重大危險(xiǎn)工程，其作業(yè)量和難度都較大，需要晝夜不間斷施工。此外，檢測(cè)人員全過程進(jìn)行測(cè)量觀察難于集中精力，特別是光線較差的夜間施工，會(huì)造成檢測(cè)人員的主觀誤差。

3）對(duì)象限制

人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要是人工觀察和測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境危險(xiǎn)情況或者潛在的隱患等，這些現(xiàn)象往往滯后于施工進(jìn)度，當(dāng)發(fā)生肉眼可見的異常情況時(shí)已經(jīng)為時(shí)已晚。

4）數(shù)據(jù)限制

現(xiàn)場(chǎng)人工檢測(cè)往往是多組人員分工行動(dòng)，并在檢測(cè)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，檢測(cè)結(jié)果滯后于施工進(jìn)度，無法第一時(shí)間計(jì)算和分析出現(xiàn)場(chǎng)存在的隱患和及時(shí)做出響應(yīng)。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)概述

現(xiàn)代基坑監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)化手段，基于物聯(lián)網(wǎng)、5G通信和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過在基坑作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器等，并將傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)回傳至計(jì)算中心，檢測(cè)技術(shù)人員可以通過計(jì)算機(jī)后臺(tái)操作實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑作業(yè)過程中基坑結(jié)構(gòu)和受力情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷。相比傳統(tǒng)人工檢測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)降低了人工勞動(dòng)量，同時(shí)保證了檢測(cè)人員的安全和檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)基坑進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和分析，排除了傳統(tǒng)檢測(cè)方法受制于時(shí)間和空間的限制，使檢測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑安全隱患和破壞趨勢(shì)，便于及時(shí)執(zhí)行相應(yīng)對(duì)策。

4 基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)例

某工程建筑面積為1.4萬㎡，基坑寬為141m，開挖長度163m，平均開挖深度12m。本工程所需開挖的基坑地理位置比較特殊，施工道路通行條件較差，基坑開挖大而深，地下水量較大，導(dǎo)致施工工藝多、難度大、周期長、質(zhì)量要求高。因此，該基坑開挖工程安全防范措施和施工檢測(cè)至關(guān)重要。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本基坑施工采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行施工檢測(cè)，主要監(jiān)測(cè)基坑開挖過程中支撐軸力、擋墻應(yīng)力、錨桿內(nèi)力、土方的水平位移和縱向位移、地下水位和空隙水壓力等數(shù)值的變化。本項(xiàng)目基坑監(jiān)測(cè)中最重要的是對(duì)支撐軸力和土方位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用軸力計(jì)對(duì)支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按照施工方案安裝在最不利支撐的位置，共計(jì)38支；采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)土體位移，按照開挖深度平均布置四層裝置，且每層分別在長、寬方向平均布置12支和10支位移計(jì)。

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云處理技術(shù)相結(jié)合的知物云系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)由專網(wǎng)傳遞到后臺(tái)處理中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和比對(duì)、異常告警、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和生成報(bào)表等操作，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)基坑開挖全過程并提供安全保障。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1和圖2所示。根據(jù)圖示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，同一平面內(nèi)，兩個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著開挖向下深度變大，其水平面方向的位移逐漸增大，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與施工進(jìn)度一致且數(shù)據(jù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

圖1 基坑X向位移曲線

圖2 基坑Y向位移曲線

圖3是同一高度兩個(gè)錨桿軸力的數(shù)據(jù)。隨著施工開挖的不斷深入，軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也在不斷變化，且變化趨勢(shì)符合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度。

圖3 基坑部分錨桿軸力曲線

通過對(duì)監(jiān)測(cè)裝置采集數(shù)據(jù)分析，可以得出自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性和不間斷性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基坑開挖的全過程監(jiān)測(cè)，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精確可靠。除了極端數(shù)值外，后臺(tái)分析系統(tǒng)可以對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和比對(duì)，及時(shí)預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，對(duì)于突發(fā)情況和異常及時(shí)預(yù)警，告別人工檢測(cè)的滯后性。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)建筑工程的基坑開挖施工現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并提出優(yōu)于人工檢測(cè)方法的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并結(jié)合某施工環(huán)境復(fù)雜、空間受限、周期長的基坑開挖項(xiàng)目，通過采用自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免了人工監(jiān)測(cè)作業(yè)面臨的各種限制，確保了基坑復(fù)雜環(huán)境中檢測(cè)人員的人身安全。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擺脫了基坑作業(yè)時(shí)間和空間的各種限制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑施工的全過程監(jiān)測(cè)。通過對(duì)不間斷采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，可以預(yù)測(cè)基坑結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除施工過程中可能發(fā)生的隱患，降低施工事故發(fā)生概率?，F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可以用來對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或者下一步施工進(jìn)行檢驗(yàn)或指導(dǎo)，為以后項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供借鑒。同時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也存在很多弊端，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的計(jì)算優(yōu)勢(shì)取決于現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備，因此對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器設(shè)備安裝的精度和穩(wěn)定要求較高。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的不間斷實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)量較大，目前仍然采用極值法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，大量的數(shù)據(jù)無法發(fā)揮價(jià)值，且占據(jù)較大的系統(tǒng)運(yùn)算和存儲(chǔ)空間。下一步將對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化更新，以期更好地發(fā)揮其在基坑監(jiān)測(cè)中的作用。