深基坑圍護結(jié)構(gòu)自動化變形監(jiān)測與分析

趙 笠 楊嘉威

（廣東省重工建筑設(shè)計院有限公司,廣東 廣州 510670）

0.引言

近年來，城市軌道交通在我國發(fā)展迅速。全國各大城市為合理規(guī)劃城市交通，拓展城市空間，完善城市基礎(chǔ)設(shè)施，地鐵建設(shè)被大面積推廣。地鐵建設(shè)過程中面臨著一系列的安全因素，如，地鐵車站深基坑的開挖建設(shè)，由于地鐵的開挖位置通常處于城市核心區(qū)域，而地鐵車站基坑開挖的深度較深，嚴重破壞該區(qū)域土體內(nèi)力平衡狀態(tài)，從而引起土體位移變形，進而對周圍環(huán)境造成影響[1]。為避免造成嚴重后果，在地鐵深基坑開挖過程中，需進行嚴格的基坑支護工作，有效的基坑支護可產(chǎn)生緩沖，最大程度地維護土體平衡，降低基坑開挖對周圍環(huán)境的影響。在基坑開挖過程中，由于基坑支護內(nèi)部的支撐力降低，支護結(jié)構(gòu)受力變大，支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，若超過其承載力則會造成嚴重后果，因此需要對支護結(jié)構(gòu)本身及其周圍環(huán)境進行監(jiān)測，尤其在某些地質(zhì)情況較差的地區(qū)，需要重點對支護結(jié)構(gòu)深層水平位移、基坑附近地下水位、基坑內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)受力情況進行實時監(jiān)測[2]。

自動化監(jiān)測技術(shù)可進行基坑動態(tài)化監(jiān)測，利用不同的傳感器結(jié)合監(jiān)測云平臺，即時獲取各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況。為驗證自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑變形監(jiān)測中的可行性，本文將自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在某地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的深基坑中[3]，驗證其監(jiān)測效果，分析該技術(shù)可行性。

1.工程概況

1.1 工程位置及周邊環(huán)境

深基坑監(jiān)測項目為地鐵十二號線官洲站換乘站，位于螺旋大道以北、寰宇三路以南之間，呈南北向與螺旋大道垂直布設(shè)。車站東側(cè)為沙布崗邊坡，西側(cè)有城市綠地、天瓏廣場寫字樓（地下室距離車站地續(xù)墻凈距約8.6m），西南側(cè)為既有四號線官洲站（既有四號線車站位于地塊內(nèi)，與螺旋大道呈45度角布設(shè)）；目前既有四號線官洲站正在運營，且未預(yù)留遠期接口。本期實施十二號線車站及與既有車站接口的改造如圖1所示。

圖1官洲站周邊建筑物相對位置關(guān)系圖

1.2 基坑環(huán)境風險分析

車站基坑開挖深度約為27.4-29.2 m，屬一級基坑，危險系數(shù)較高，需注意圍護結(jié)構(gòu)安全。開挖場地內(nèi)殘積土較厚，遇連續(xù)雨天易產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，且土層側(cè)向土壓力較大，在基坑開挖較快時易造成圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形。因此需重點關(guān)注支護結(jié)構(gòu)墻體深層水平位移、支撐軸力、周邊建筑物沉降等。

車站基坑的東側(cè)靠近高30 m土質(zhì)邊坡，邊坡坡腳距基坑圍護結(jié)構(gòu)距離約4 m，邊坡支護體系為抗滑樁+格構(gòu)梁+錨桿/錨索形式，車站基坑在開挖過程中易造成山體擾動，導(dǎo)致邊坡發(fā)生滑坡的可能性較大。

車站基坑西側(cè)距某商場廣場地下室約8.6 m，基坑開挖可能導(dǎo)致房屋發(fā)生沉降、傾斜。因此應(yīng)對周邊邊坡、建（構(gòu)）筑物進行變形監(jiān)測，密切關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況。

車站基坑西南側(cè)為既有地鐵站，車站基坑支護小間距約為5.2 m，基坑開挖時可能導(dǎo)致既有線沉降及位移較大而影響運營，嚴重時可導(dǎo)致既有車站結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)破壞。因此除車站基坑自身監(jiān)測外，還需考慮對既有地鐵站進行監(jiān)測。

基于車站基坑自身風險以及周邊環(huán)境安全性考慮，針對車站基坑的圍護結(jié)構(gòu)墻體深層水平位移、地下水位及支撐軸力等項目，選擇自動化監(jiān)測技術(shù)進行實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析。

2.基坑自動化監(jiān)測技術(shù)

基坑自動化監(jiān)測技術(shù)是在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，融合多種傳感器技術(shù)，以監(jiān)測信息云平臺為基礎(chǔ)，組合傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)傳輸單元[4]。自動化監(jiān)測實現(xiàn)過程是利用不同傳感器設(shè)備，實時采集數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)實時傳輸，利用監(jiān)測云平臺收集、整理、分析數(shù)據(jù)，并結(jié)合設(shè)計值發(fā)出預(yù)警信息[5]。基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 不同監(jiān)測項目自動化實現(xiàn)

采用自動化監(jiān)測項目，其傳感器的埋設(shè)方法、計算原理與常規(guī)人工監(jiān)測相同，主要區(qū)別在于現(xiàn)場增加固定的采集端或采集設(shè)備（如，傳感器、采集器等）和持續(xù)供電的設(shè)施，以實現(xiàn)對預(yù)埋測點或傳感器的連續(xù)采集，并通過通信設(shè)備遠程將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺進行數(shù)據(jù)儲存、處理、展示和發(fā)布等。

2.1.1深層水平位移自動化監(jiān)測

圍護結(jié)構(gòu)層水平位移采用固定測斜儀實現(xiàn)自動化監(jiān)測，由固定測斜儀、采集模塊、供電與通信模塊組成。

固定測斜儀自動化測斜方法是將多個測斜傳感器按固定間距串聯(lián)并固定在測斜管中，測量時由采集模塊自動讀取各深度測斜傳感器的讀數(shù)，其原理和計算方法與傳統(tǒng)滑動式測斜儀相同。與傳統(tǒng)方法相比，其區(qū)別僅在于數(shù)據(jù)采集和傳輸采用遠程自動化進行控制和處理。

2.1.2支撐軸力自動化監(jiān)測

支撐軸力自動化監(jiān)測系統(tǒng)由軸力計或鋼筋計等傳感器、采集模塊和通信模塊組成，傳感器的埋設(shè)位置、埋設(shè)方法和常規(guī)方法相同，線路通過PVC小導(dǎo)管走線至圍擋護欄上，連接至供電與采集端，通過云平臺設(shè)置定時監(jiān)測參數(shù)，采集模塊根據(jù)定時參數(shù)對各傳感器進行測量，采集數(shù)據(jù)后通過傳輸模塊傳輸回服務(wù)器進行處理。

2.1.3地下水位自動化監(jiān)測

地下水位自動化監(jiān)測系統(tǒng)由滲壓計、采集模塊和通信模塊組成，其埋設(shè)方式與常規(guī)人工監(jiān)測大致相同，主要區(qū)別如下：

（1）將儀器下放至安裝高程，并在孔口固定線纜，記錄放置深度H。

（2）孔口設(shè)置保護裝置，電纜線引出孔口后，需要對孔口進行封口處理，防止地表水進入管內(nèi)引起測量誤差。

（3）儀器電纜在地面開槽設(shè)置PVC管進行保護，走線到施工圍蔽內(nèi)的通信及采集端，采集端設(shè)置太陽能電板和保護警醒標志。

（4）數(shù)據(jù)傳輸線由線槽引至機箱，接入綜合采集模塊，一般采用與支撐軸力同斷面同模塊設(shè)置。

2.2 自動化采集數(shù)據(jù)及無線傳輸系統(tǒng)

自動化監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器單元、數(shù)據(jù)采集傳輸單元、監(jiān)測信息管理云平臺三部分組成，其中，數(shù)據(jù)采集傳輸單元是連接傳感器單元和云平臺的樞紐中心，應(yīng)設(shè)置于通信暢通、干擾較小的區(qū)域。

現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)通過采集傳輸單元自動化采集，再通過無線GPRS發(fā)送至監(jiān)控中心，云平臺通過施工區(qū)域內(nèi)覆蓋的4G網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備的采集過程，并進行遠程控制。

2.2.1無線數(shù)傳模塊

DTU無線數(shù)傳是依靠成熟的移動通信網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)可以快速組建數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)實時遠程數(shù)據(jù)傳輸。DTU系列通信模塊內(nèi)置工業(yè)級無線模塊，支持AT指令集，采用通用標準串口對模塊進行設(shè)置和調(diào)試，提供標準的RS485接口。通過軟件多級檢測、硬件多重保護機制以保障設(shè)備穩(wěn)定性。支持三大運營商4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)，接口靈活支持標準RS232、RS485。

2.2.2無線遠程數(shù)傳采集系統(tǒng)滿足條件

（1）支持全網(wǎng)通4G/3G/2G網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)。

（2）易于安裝、維護；使用方便、靈活、可靠，即插即用。

（3）可嵌入互聯(lián)網(wǎng)控制器，具備完整的TCP/IP協(xié)議棧及功能強大的透明傳輸保障機制。

（4）可實現(xiàn)點對點、點對多點多種方式的實時數(shù)據(jù)傳輸。

（5）不依賴運營商交換中心的數(shù)據(jù)接口設(shè)備，可以直接通過Internet隨時隨地構(gòu)建覆蓋全國范圍內(nèi)的移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。

2.3 自動化設(shè)備及平臺運維

2.3.1監(jiān)測設(shè)施的保護

傳感器及其他硬件設(shè)備、傳輸線纜是自動化監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其保護措施是否可控是系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵，主要包括：傳感器、傳輸線纜、數(shù)據(jù)采集子站、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及供電設(shè)備的保護等。

主要采取以下措施：

（1）根據(jù)施工工序和實際情況設(shè)計設(shè)備安裝位置和線纜走向平面圖，并報施工單位核準。

（2）通過交底、簽訂保護協(xié)議書等方式，強調(diào)施工現(xiàn)場硬件設(shè)備保護的重要性。

（3）安裝保護裝置，并作出明顯標識。

（4）定期巡檢，排查可能導(dǎo)致破損的外界因素，并協(xié)調(diào)制止。

2.3.2維護方案

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在傳感器安裝完成、系統(tǒng)集成試運行（1周）完成后，有必要制定系統(tǒng)運行維護方案。

日常運維主要包括兩個方面的維護：硬件維護和平臺維護。

（1）硬件維護包括對感知系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等的維護，對感知系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等使用過程中出現(xiàn)故障或不穩(wěn)定因素進行排查，出現(xiàn)故障及時診斷、維修、替換。根據(jù)需要，對設(shè)備進行升級或更新，保證設(shè)備正常運行。每季度進行一次預(yù)防性巡檢，巡檢內(nèi)容包括感知系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等，主要針對硬件的運行環(huán)境、配置的檢查，并根據(jù)系統(tǒng)自檢信息盡早采取措施，排除故障，維護后提交完整報告。

（2）平臺維護由云計算服務(wù)中心進行管理，需建立針對平臺的維護方案、維護流程：安排專人每周對平臺系統(tǒng)日志進行檢查分析，檢查數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定、連續(xù)等；記錄并解決在使用過程中遇到的各種系統(tǒng)問題，在系統(tǒng)維護時進行數(shù)據(jù)備份；及時更新軟件補丁，完善系統(tǒng)；每半年對系統(tǒng)性能進行測試和調(diào)優(yōu)服務(wù)，保證系統(tǒng)性能不斷改進并在最佳狀態(tài)運行；每季度進行一次數(shù)據(jù)健康巡檢，檢查數(shù)據(jù)備份執(zhí)行情況，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)實際使用情況進行必要的性能調(diào)優(yōu)；進行防病毒軟件日常維護及病毒庫防病毒軟件升級。

3.監(jiān)測成果分析

為驗證自動化監(jiān)測的可行性與準確性，選擇對基坑的深層水平位移監(jiān)測結(jié)果和地下水位監(jiān)測結(jié)果進行試驗對比分析。

試驗一：在同一地下連續(xù)墻內(nèi)埋設(shè)兩條長度相同的側(cè)斜管，對兩個測斜管分布采用人工和自動化兩種數(shù)據(jù)采集方法，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：兩種不同數(shù)據(jù)采集方法所獲得的深層水平位移累計值變化趨勢相似，最大位移變化位置均出現(xiàn)在深度10-20 m位置，符合程度較高，準確反映了地下連續(xù)墻深層水平位移變化，充分驗證了自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑監(jiān)測中的可行性。

圖3深層水平位移人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測對比

圖4地下水位人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測對比

試驗二：距離水位監(jiān)測點DSW 16（該點為自動化水位監(jiān)測點）附近約5 m位置，布設(shè)水位監(jiān)測點DSW 17。DSW 17布設(shè)深度與DSW 16布設(shè)深度相同，監(jiān)測方法為傳統(tǒng)人工測量，監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：通過長期地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，兩個點位地下水位的變化趨勢符合程度較高，且每次出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動較大的時間節(jié)點均相同。自動化監(jiān)測技術(shù)的地下水位監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)人工監(jiān)測結(jié)果一致，驗證了自動化監(jiān)測技術(shù)的可行性。

4.結(jié)束語

自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑監(jiān)測上的應(yīng)用取得了較好效果，實現(xiàn)了基坑實時動態(tài)監(jiān)測，提高了基坑預(yù)警的靈敏度，保障了基坑施工的安全性。本文以地下連續(xù)墻為支護結(jié)構(gòu)的地鐵深基坑為例，詳細闡述自動化監(jiān)測技術(shù)的組成與技術(shù)原理。

（1）結(jié)合不同監(jiān)測項目，分析自動化監(jiān)測技術(shù)的不同實現(xiàn)方法，同時對自動化監(jiān)測技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)施保護進行討論。

（2）為驗證自動化監(jiān)測技術(shù)的可行性，對比分析傳統(tǒng)人工測量方法，結(jié)果顯示：在地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的深基坑中，自動化監(jiān)測技術(shù)可快速準確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了自動化監(jiān)測技術(shù)的可行性。