某船閘基坑自動化監(jiān)測技術(shù)可靠性分析*

陳明杰

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230)

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各種超高層建筑如雨后春筍，無論是出于使用目的(如停車和人防工程)，還是考慮受力情況(如傾覆和地基土承載力)，建筑物在施工初期基本上都離不開基坑，因此基坑監(jiān)測愈加普遍，也越來越重要?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]列出基坑應(yīng)加密監(jiān)測的若干情形，如監(jiān)測數(shù)據(jù)報警、基坑及周邊大量積水、長時間連續(xù)降雨、監(jiān)測速率加快、支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂或其他異常等，當(dāng)有危險事故預(yù)兆時，甚至要求實時跟蹤監(jiān)測。按照傳統(tǒng)的人工監(jiān)測不可能達(dá)到實時監(jiān)測，且在惡劣天氣下，單純依靠傳統(tǒng)光學(xué)儀器很難完成現(xiàn)場監(jiān)測工作?！陡叽竽０逯蜗到y(tǒng)實時安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[2]規(guī)定，為達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)的目的，建議自動化測量設(shè)備監(jiān)測頻率不低于2 次∕min。這也從另一個角度反映了連續(xù)實時對于采集頻率的要求，而這么高的采集頻率，人工監(jiān)測無法滿足要求。因此，如何提高監(jiān)測頻率，并保證在極端天氣下能順利實施是擺在監(jiān)測人員面前亟待解決的難題。自動化監(jiān)測的頻率可根據(jù)工程重要性、危險性隨時設(shè)置，最高頻率甚至達(dá)到1 Hz，完全滿足連續(xù)實時監(jiān)測的頻率要求，而且自動化的實施節(jié)省了人工成本，長期效益顯著，同時對保障監(jiān)測人員安全，保證更及時地反映施工信息，對項目實施者更快做出決策和判斷具有重大意義。

目前，自動化應(yīng)用研究方向在基坑、鐵路[3]、地鐵車站[4]等方面，孫元帝等[5]對基坑自動化監(jiān)測可靠性方面做了相關(guān)闡述，但仍停留在理論分析層面，論述較為籠統(tǒng)；《基坑工程自動化監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[6]明確自動化監(jiān)測必須進(jìn)行比對測量，比對測量周期應(yīng)視基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級和周邊環(huán)境風(fēng)險等級情況確定，在基坑自動化監(jiān)測過程中宜1～2 個月1 次，且給出各自動化監(jiān)測項目具體對應(yīng)的人工比對方法?！督ㄖ邮┕けO(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]也明確自動化監(jiān)測宜與人工監(jiān)測進(jìn)行對比，相互驗證，存在差異時進(jìn)行原因分析。每一個監(jiān)測工程均存在與其他工程不同的地方，比對的方法也不盡相同，針對特定工程，將自動化基坑監(jiān)測與人工基坑監(jiān)測對比分析，采用單因素方差分析方法，從監(jiān)測結(jié)果上評價自動化監(jiān)測的可靠性更加科學(xué)。

本文依托某船閘基坑監(jiān)測工程，針對主體結(jié)構(gòu)基坑邊坡進(jìn)行自動化監(jiān)測，并每月進(jìn)行1 次人工監(jiān)測比對，其中采用徠卡電子水準(zhǔn)儀人工監(jiān)測與靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測進(jìn)行比對，采用滑動式測斜儀人工監(jiān)測與固定式測斜儀自動化監(jiān)測進(jìn)行比對。目前自動化基坑監(jiān)測技術(shù)并不很成熟，各監(jiān)測單位對其了解不深刻，且規(guī)范跟進(jìn)較晚，本文的比對方法可為類似工程提供指導(dǎo)和參考。

1 測試原理

固定式測斜儀主要由伺服傾斜傳感器、金屬桿身、卡入測斜管凹槽的滑輪、用于固定式測斜儀相互之間連接的鋼絲繩、四芯屏蔽電纜等組成，使用雙絞屏蔽聚氨酯電纜線可提高固定測斜儀使用過程中的抗干擾、防雷擊的能力，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和傳輸?shù)募皶r性、安全性。安裝時多支固定式測斜儀通過鋼絲繩串聯(lián)吊掛在測斜管內(nèi)，利用不同高程位置金屬桿身內(nèi)部的傾斜傳感器，測出相應(yīng)測斜管段的傾斜角，通過相應(yīng)測斜管段長度與傾斜角正弦值的乘積換算水平位移量，再將水平位移自下而上進(jìn)行累加，即可得到整根測斜管的變形，通過對比兩個不同時刻的不同形態(tài)可得到不同深度位置的變化量。固定式測斜儀應(yīng)用范圍廣泛，在邊坡、基坑等工程多有使用，且易于回收再利用，有利于降低成本。其輸出為RS485 信號，經(jīng)過參數(shù)設(shè)置或公式編輯可輸出水平位移量，利于自動化采集。采集系統(tǒng)可智能識別連接到采集儀的傳感器編號、對應(yīng)參數(shù)等，數(shù)據(jù)采集后通過4G 卡發(fā)射信號，存儲在云端，登錄云平臺即可查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在基坑監(jiān)測中的計算公式如下:

式中:Li為第i支測斜儀的代表標(biāo)距(mm)，取第i-1 與第i支測斜儀間距的一半加上第i與第i＋1支測斜儀間距的一半，最頂部和最底部的測斜儀間距取全部；Fi為第i支測斜儀某一時刻的加速度測試信號，無量綱；a、b、c、d為第i支測斜儀的率定系數(shù)，無量綱；Sn為各測點的水平位移量(mm)，一般自下而上對每測段水平變形進(jìn)行累加得到。

磁電式靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)由若干儲液容器組成，其互相連通，形成連通器。儲液容器利用磁致伸縮桿的磁致伸縮效應(yīng)、感應(yīng)儲液容器內(nèi)浮球的上下變動確定液位高度變化。儲液容器用通氣管相連，整個系統(tǒng)氣壓相等，確保液位變化是由重力引起。使用時，其中一個儲液容器置于基準(zhǔn)點，假設(shè)其高程測試過程中保持不變，其他儲液容器置于待測位置上，當(dāng)液面穩(wěn)定時，所有儲液容器的液面位于同一高程，通過液面變化量可求出待測位置上沉降變化量。影響液位變化的因素包括振動、儀器位置高程、氣壓、溫度、液體密度。由于靜力水準(zhǔn)儀采用均質(zhì)防凍液，依靠通液管相連。各靜力水準(zhǔn)儀之間，頂部通過通氣管相連，內(nèi)部氣壓相等且與外界氣壓隔絕，所有的靜力水準(zhǔn)儀均在同一環(huán)境工作，一般認(rèn)為氣壓、溫度、液體密度相等，只有振動、儀器位置高程是主要的影響因素。在應(yīng)用過程中，測點埋設(shè)安裝均是在基坑邊坡成型后進(jìn)行，施工振動忽略不計，可認(rèn)為液面變化來自于儀器位置高程變化。本文使用的磁電式靜力水準(zhǔn)儀量程為300 mm，精度為0.01 mm。系統(tǒng)輸出RS485(MODBUS)數(shù)字信號，采用自動化數(shù)據(jù)采集儀接入多支靜力水準(zhǔn)儀，可實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，并通過4G 手機(jī)卡發(fā)送至云端，管理者可隨時隨地通過網(wǎng)絡(luò)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)在基坑監(jiān)測中的計算過程為:為便于公式推導(dǎo)，在初始時刻，假設(shè)基準(zhǔn)點位置的靜力水準(zhǔn)儀的液面高度讀數(shù)為h0，液面刻度為0 的位置高程為H0，測點位置的靜力水準(zhǔn)儀的液面高度讀數(shù)為hi，液面刻度為0 的位置高程為Hi；任意時刻，基準(zhǔn)點位置的靜力水準(zhǔn)儀的液面高度讀數(shù)為，液面刻度為0 的位置高程仍為H0，測點位置的靜力水準(zhǔn)儀的液面高度讀數(shù)為，液面刻度為0 的位置高程為，則有如下等式:

由式(3)(4)可得:

式中:ΔHi為測點的下沉量，下沉?xí)r為正值，反之為負(fù)值；Δhi為測點的液面變化量；Δh0為基準(zhǔn)點的液面變化量。式(6)表明，測點的沉降量與測點位置靜力水準(zhǔn)儀液面變化量、基準(zhǔn)點位置靜力水準(zhǔn)儀液面變化量密切相關(guān)，為二者之差。

2 工程概況

某船閘工程基坑呈狹長形布置，基坑采用自然放坡的支護(hù)形式。由于主體結(jié)構(gòu)施工工期長、地質(zhì)情況復(fù)雜、汛期降雨量大、開挖深度大，基坑發(fā)生滑坡的風(fēng)險較高。該邊坡較遠(yuǎn)位置為棄土區(qū)，主體結(jié)構(gòu)段開挖最大深度28.4 m，又逢汛期，危險性較大，采用一般的人工監(jiān)測，頻率較低且極端天氣下一般的光學(xué)測量儀器誤差較大，測量實施難度大，測點基本位于基坑邊坡，測量人員測試過程中風(fēng)險較大，難以保障極端條件下基坑邊坡的安全性，因此采用自動化監(jiān)測并輔以人工監(jiān)測對自動化監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行復(fù)核?？偣膊荚O(shè)5 個沉降監(jiān)測點和5 個深層水平位移監(jiān)測點，根據(jù)現(xiàn)場情況，盡可能將二者布置在同一斷面，可互相驗證和校對，確由于客觀因素?zé)o法布置在同一斷面的，也盡可能使二者斷面靠近，報警值見表1，測點布置見圖1。

圖1 沉降、測斜監(jiān)測點平面布置

表1 各監(jiān)測點報警值

蜀山樞紐處以樁號J30＋000 為界，下游段(樁號J29＋530—J30＋000)為弱膨脹土段，上游段(樁號J30＋000—J32＋100)為中膨脹土段，典型地質(zhì)地層分布見表2。

表2 典型斷面地層分布

3 監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 比對頻率及儀器

根據(jù)《基坑工程自動化監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，比對測量在自動化監(jiān)測過程中，宜1～2 個月1 次，豎向位移采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測的宜使用水準(zhǔn)儀進(jìn)行比對測量；深層水平位移采用固定式測斜儀進(jìn)行監(jiān)測的，宜使用滑動式測斜儀進(jìn)行人工監(jiān)測比對測量。

3.2 沉降結(jié)果分析

為方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，數(shù)據(jù)的正負(fù)做統(tǒng)一規(guī)定，其中正值表示下沉，負(fù)值表示上升。自動化和人工監(jiān)測沉降-時間曲線見圖2?？梢钥闯觯诒O(jiān)測的初期，人工監(jiān)測結(jié)果相比自動化監(jiān)測結(jié)果偏小，其中CJ5 點相差最大為2.17 mm，主要原因是該階段降雨較頻繁，光學(xué)儀器受天氣影響較大，也說明在極端天氣下，人工監(jiān)測有自身的短板，已不適用于該狀態(tài)下的基坑監(jiān)測；監(jiān)測中期，二者結(jié)果緩慢趨近，該階段汛期已基本過去，天氣對監(jiān)測結(jié)果的影響有限；監(jiān)測后期，人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測結(jié)果已非常接近?？v觀整個監(jiān)測過程，人工和自動化監(jiān)測結(jié)果相差均不大，累計值變化較小，曲線較為吻合，說明采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行基坑邊坡沉降監(jiān)測的結(jié)果可靠。

圖2 自動化和人工監(jiān)測沉降-時間曲線

為對比自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)果的差異，采用單因素方差分析法(又稱為變異分析法)，對每測點的人工和自動化監(jiān)測累計沉降-時間曲線進(jìn)行對比。首先假設(shè)顯著性水平為0.05，該顯著性水平下自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)果無差異，通過計算二者方差檢驗值和臨界值，在檢驗值小于臨界值時，認(rèn)為在假設(shè)的顯著性水平下原假設(shè)可以接受，此為假設(shè)檢驗的常用方法。

通過方差分析，匯總相關(guān)評價參數(shù)見表3?？梢钥闯?，檢驗值均小于臨界值，據(jù)此判斷在置信度為95%時，自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)果無差異的假設(shè)是可接受的。

表3 自動化和人工監(jiān)測方差分析結(jié)果

3.3 深層水平位移結(jié)果分析

為方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，數(shù)據(jù)的正負(fù)作統(tǒng)一規(guī)定，其中正值表示向基坑內(nèi)移動，負(fù)值表示向基坑外移動。對于自動化監(jiān)測，由于固定式測斜儀價格相對昂貴，一般按照一定豎向間距進(jìn)行布置，本工程20 m 以下已經(jīng)進(jìn)入巖層，分別在1.4、7.6、13.8、20.0 m 深度位置進(jìn)行布置，而人工監(jiān)測只用1 支滑動式測斜儀，額外增加少量人工，費(fèi)用較少、易于操作且每月只測試1 次進(jìn)行比對，豎向測試點可密集一些，按照0.5 m 測讀1 次。CX1～CX5 自動化和人工監(jiān)測水平位移-深度曲線見圖3?？梢钥闯?，自2020-08-13 開始初值測量完成后，深層水平位移曲線緩慢發(fā)展，各監(jiān)測點變化較小，其中變形最快的為CX3 點，自動化監(jiān)測累計最大變形為-24.57 mm，人工監(jiān)測累計最大變形為-24.66 mm，二者相差很小。對比各深層水平位移監(jiān)測點，同一天自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合非常好，再次說明采用固定式測斜儀進(jìn)行深層水平位移監(jiān)測，其結(jié)果可靠性較好，能滿足信息化施工要求。

圖3 自動化和人工監(jiān)測水平位移-深度曲線

《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗檢測技術(shù)規(guī)程》[8]明確了滑動式測斜儀的豎直向測點間距可取0.5 或1.0 m，為建議性規(guī)定；固定式測斜儀豎直向間距應(yīng)根據(jù)工程需要選取，宜為1.5～3.5 m，為推薦性規(guī)定。該規(guī)定可用于指導(dǎo)人工監(jiān)測的測試點密度和自動化監(jiān)測傳感器布置的間距。本工程考慮了自然放坡的支護(hù)方式，并節(jié)約成本，布置4 支固定式測斜儀已能滿足安全要求。由圖3 可以看出，雖然每個測斜孔沿深度只布置4 支固定式測斜儀，但已能夠反映基坑的變化形態(tài)。因此，從曲線的吻合程度來看，固定式測斜儀沿深度布置4 個測點是合理和可行的。

文獻(xiàn)[7]歸納了8 種深層水平位移典型曲線形態(tài)，分別為喇叭狀、中鼓狀、底部鼓狀、反向位移、不規(guī)則變形、土層錯動狀、底部轉(zhuǎn)動、底部始齒狀。根據(jù)深層水平位移發(fā)展變化形態(tài)，分析產(chǎn)生原因和土層受力情況更有助于指導(dǎo)現(xiàn)場施工和制定應(yīng)對措施。從曲線變化形態(tài)分析，CX1、CX2、CX5 監(jiān)測點對應(yīng)水平位移-深度曲線均為典型的喇叭狀變化，其特點是自上而下基本呈由大到小的漸變曲線，曲線類似于張開的半喇叭口狀，既沒有中鼓也沒有底鼓，為典型的無支撐自然放坡變形特點。CX3、CX4 監(jiān)測點則呈反向位移變化，即均向基坑外移動，主要原因是CX3 位置在基坑外存在深約7 m 的蓄水池塘，且CX3、CX4 監(jiān)測點基坑外側(cè)有棄土，壓路機(jī)也在碾壓，邊坡偏壓受力，導(dǎo)致測斜管彎向受力的一側(cè)。從曲線變化規(guī)律和曲線變化形態(tài)上分析，與現(xiàn)場施工狀態(tài)吻合。

對每個監(jiān)測點分別在2020-09-23、2020-10-23、2020-11-13 的曲線進(jìn)行自動化和人工監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行方差分析，其方法與沉降分析中的類似，不再贅述。通過方差分析，匯總評價參數(shù)見表4。可以看出，檢驗值均小于臨界值，說明在置信度為95%時，二者無明顯差異。

表4 自動化和人工監(jiān)測方差分析結(jié)果

4 結(jié)語

1)根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果分析，靜力水準(zhǔn)儀測試結(jié)果與電子水準(zhǔn)儀測試結(jié)果存在微小差異，可能是由于電子水準(zhǔn)儀對天氣較為敏感引起，且二者均遠(yuǎn)小于累計報警值，說明靜力水準(zhǔn)儀用于自動化監(jiān)測可靠性較好，測試結(jié)果能滿足現(xiàn)場信息化施工要求。

2)固定式測斜儀與滑動式測斜儀測試曲線吻合良好，相同位置、相同時間的測試值相近，證明固定式測斜儀用于自動化監(jiān)測可靠性良好。

3)固定式測斜儀曲線形態(tài)與現(xiàn)場施工狀態(tài)相符，表明固定式測斜儀結(jié)果反映了基坑邊坡實際變化，再次證明固定式測斜儀測試結(jié)果可靠。

4)對靜力水準(zhǔn)儀和固定式測斜儀與人工監(jiān)測進(jìn)行方差檢驗的結(jié)果表明:在置信度為95%時，自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)果無差異的假設(shè)是可接受的。