基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在深基坑搶險(xiǎn)施工中的應(yīng)用

董軍兆，韓 璐，董普凡

（1.浙江智譜工程技術(shù)有限公司，浙江 湖州 313000；2.江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的發(fā)展，國(guó)力和技術(shù)水平的不斷上升，地下空間的開(kāi)發(fā)力度越來(lái)越大，地下開(kāi)挖深度已從地表下 5～6 m 發(fā)展到 30 m 也不罕見(jiàn)。由于基坑的設(shè)計(jì)計(jì)算理論還不成熟，計(jì)算與實(shí)際之間會(huì)產(chǎn)生較大的差異，因此基坑事故時(shí)有發(fā)生。而這一切只能依靠加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的信息化施工來(lái)彌補(bǔ)，因此深基坑工程的施工監(jiān)測(cè)已成為城市建設(shè)中基礎(chǔ)施工的主要內(nèi)容。另外，由于城市用地越來(lái)越緊張，許多建設(shè)用地離一些重要的市政工程項(xiàng)目也越來(lái)越近，這就要求后施工的建設(shè)項(xiàng)目在施工過(guò)程中必須對(duì)已存在的重要的市政工程進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，消除隱患于萌芽狀態(tài)。而目前施工監(jiān)測(cè)市場(chǎng)主要還是依靠手動(dòng)操作，自動(dòng)化程度很低；儀器不具備數(shù)據(jù)傳輸功能，需要通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。不僅效率低，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，而且不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。并且人工手動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)增加了人為因素的影響，發(fā)生事故時(shí)也不能及時(shí)跟進(jìn)，而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，結(jié)合人工智能技術(shù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析等手段，提高了監(jiān)測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)測(cè)；所以發(fā)展自動(dòng)化監(jiān)測(cè)已是大勢(shì)所趨。本文通過(guò)對(duì)一個(gè)臨近地鐵隧道的深基坑的搶險(xiǎn)案例的描述，凸顯出了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)目前在工程建設(shè)全過(guò)程中的重要性。

1 概述

案例 1：某工程地下 2 層，主樓區(qū)域?yàn)?3 層，開(kāi)挖深度為 13.68～15.64 m，主樓局部深坑部位開(kāi)挖深度為 19.59～21.09 m，本工程基坑形狀不規(guī)則；基坑周長(zhǎng)415 m，面積 10 681 m2?；颖眰?cè)、東側(cè)、南側(cè)皆為道路，西側(cè)為軌道交通明挖區(qū)間，基坑開(kāi)挖面距已運(yùn)營(yíng)軌道交通區(qū)間結(jié)構(gòu)邊線(xiàn)最近距離為 27.6 m 。基坑周?chē)h(huán)境如圖 1 所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)概況

本基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁+三軸水泥土攪拌樁，內(nèi)部設(shè)置三道鋼筋混凝土支撐［1］。軌道側(cè)的明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)與基坑的位置關(guān)系立面示意圖、平面示意圖如圖 2 所示，明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)主要位于第 ④-1 層粉土、第 ⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土及第⑥層粉質(zhì)黏土中［2］。軌道側(cè)南側(cè)地質(zhì)縱剖面圖（近軌道側(cè)）如圖 2 所示。

圖2 軌道與基坑立面位置關(guān)系（單位：mm）

3 險(xiǎn)情情況說(shuō)明

2019 年 7 月 14 日基坑北側(cè) 2 層地庫(kù)開(kāi)挖至坑底，于基坑西北角出現(xiàn)滲漏，水量較大?，F(xiàn)場(chǎng)情況如圖 3 所示。2019 年 8 月 19 日-3 層地庫(kù)開(kāi)挖至坑底時(shí)，出現(xiàn)一局部坑底滲流點(diǎn)并帶有泥沙。現(xiàn)場(chǎng)情況如圖 4 所示。

圖4 地庫(kù)西北角坑底涌水

2019 年 8 月 25 日，局部深坑已部分到底，局部深坑區(qū)域出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，且局部深坑南側(cè)部分區(qū)域出現(xiàn)塌陷，如圖 5 所示。主樓西側(cè)圍護(hù)樁漏水點(diǎn)明顯且，水量較大如自來(lái)水龍頭水量，且攜帶用泥沙。2019 年 9 月 5 日，主樓區(qū)域坑底出現(xiàn)暗涌，如圖 6 所示。

圖5 基坑主樓-3 層南側(cè)局部坍塌

圖6 基坑主樓-3 層坑底暗涌

究其險(xiǎn)情原因，主要是由于基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，由于正值夏天，臺(tái)風(fēng)突然到來(lái)，未及時(shí)進(jìn)行底板混凝土澆筑，而雨量又較大，整個(gè)基坑被雨水浸泡，后雖及時(shí)采取了抽水措施，但由于地下水水位與地表水有聯(lián)系，地下承壓水水位［3］上升，從而坑底發(fā)生突涌，導(dǎo)致基坑周邊地表沉降，又由于施工原因坑內(nèi)-2 層的降水井已進(jìn)行了封井，無(wú)法降低坑內(nèi)承壓水水位，從而導(dǎo)致基坑圍護(hù)樁體位移發(fā)生突變，發(fā)生了上述的險(xiǎn)情。經(jīng)過(guò)多輪專(zhuān)家論證，首先對(duì)基坑進(jìn)行加填處理，防止險(xiǎn)情進(jìn)一步擴(kuò)大，同時(shí)在基坑外側(cè)進(jìn)行高壓旋噴樁施工，阻止坑外地下水繼續(xù)注入坑內(nèi)，基坑內(nèi)側(cè)進(jìn)行加固，同時(shí)在基坑內(nèi)施工降水井，降低坑內(nèi)水位，并在施工過(guò)程中對(duì)臨近軌道及道路、水位、圍護(hù)體位移進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)［4］，實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)軌道側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊土體水位的變化，決定在基坑靠軌道側(cè)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包含水位、軸力、測(cè)斜三項(xiàng)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖 7、圖 8 所示。

圖7 固定式測(cè)斜儀

3.1 固定式測(cè)斜儀

固定式測(cè)斜儀由固定式測(cè)斜儀本體、承重定位鋼索、數(shù)據(jù)連接電纜、防水連接插頭/插座、管口承重裝置、測(cè)斜系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送模塊、系統(tǒng)電源、系統(tǒng)集線(xiàn)箱、平臺(tái)數(shù)據(jù)等組成。其中固定式測(cè)斜儀本體包含兩組定位輪組，測(cè)斜儀桿身及傳感器。定位輪組包括一組定輪，朝向基坑內(nèi)；一組動(dòng)輪，朝向基坑外。測(cè)斜儀桿身材料為鋁合金，采用深度陽(yáng)極氧化加表面防護(hù)漆方式防腐蝕（針對(duì)高腐蝕地區(qū)，采用其他高強(qiáng)度防腐材料）。采用高精度 MEMS 傳感器，最高分辨率可達(dá) 0.01 mm，長(zhǎng)期穩(wěn)定性＜±0.01 %。定位鋼索單位深度設(shè)置卡口，用于定位測(cè)斜儀的深度；材料為不銹鋼，用以承受測(cè)斜系統(tǒng)重量。

使用固定式測(cè)斜儀，對(duì)選取的測(cè)斜孔進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)斜數(shù)據(jù)的采集?，F(xiàn)場(chǎng)在測(cè)斜管中布設(shè)固定式測(cè)斜儀，最短 5 min 采集一次數(shù)據(jù)，固定式測(cè)斜儀通過(guò)連接無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)射模塊，可以最短 5 min 一次向監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送實(shí)時(shí)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)，做到測(cè)斜數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳平臺(tái)。

3.2 振弦式頻率采集系統(tǒng)（見(jiàn)圖 9）

圖9 頻率采集系統(tǒng)及流程圖

1）振弦式頻率測(cè)量?jī)x本體。標(biāo)配振弦式頻率測(cè)量?jī)x兩臺(tái)，每臺(tái) 8 個(gè)通道，串聯(lián)后共 16 個(gè)通道。

2）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3）系統(tǒng)電源。為整個(gè)振弦式頻率測(cè)量系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。

4）系統(tǒng)集線(xiàn)箱。收納放置系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和系統(tǒng)電源的箱子。

振弦式頻率水位測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)品亮點(diǎn)如下。

1）可用于應(yīng)力、拉力和水位等多種物理量。產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以涵蓋支撐軸力（鋼支撐、混凝土支撐等）、錨桿拉力、土壓力、孔隙水壓力和水位等。

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。體積小巧，單手可拿，安裝攜帶便捷。

3）配置簡(jiǎn)單。工地安裝簡(jiǎn)易快速，兼容市面上常見(jiàn)的振弦式的監(jiān)測(cè)元件，同時(shí)可以采集元件溫度。

4）供電方式多樣?？刹捎眯铍姵毓╇娀蚪涣麟姽╇妰煞N方式，適應(yīng)不同的工地環(huán)境。

5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和分析。本產(chǎn)品可以與監(jiān)測(cè)云平臺(tái)結(jié)合緊密，實(shí)時(shí)反饋所有的數(shù)據(jù)和分析（見(jiàn)圖 10）。

圖10 支撐軸力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看

采用振弦式頻率儀對(duì)選定的混凝土支撐進(jìn)行支撐軸力監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相應(yīng)支撐的受力情況，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)，供技術(shù)人員進(jìn)行分析。

3.3 壓敏式水位測(cè)量系統(tǒng)

1）壓敏式水位測(cè)量探頭。壓敏式水位探頭，量程位 0～50 m。

2）無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)模塊，將采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式實(shí)時(shí)發(fā)送至數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3）采用可替換的鋰電池組。每組電池可用 2 個(gè)月。

監(jiān)測(cè)元件使用壓敏式水壓力計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)打好的水位孔中放置壓敏式水位監(jiān)測(cè)元件，在水位孔的上部，放置采集模塊，采集數(shù)據(jù)通過(guò)軸內(nèi)置的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射模塊，直接將水位原始數(shù)據(jù)（液面高度）實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。平臺(tái)中將液面高度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)為水位高程。不需要人為測(cè)量和干預(yù)。

上述水位測(cè)量方法優(yōu)勢(shì)：水位數(shù)據(jù)可以做到最短 1 min 一次測(cè)量，并且數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，不需要人工干預(yù)。需要現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單位購(gòu)置壓敏式水位測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖 11）。壓敏式水位測(cè)量系統(tǒng)精度為 1 mm，精度高于人工測(cè)量手段。同時(shí)設(shè)備不受天氣因素干擾，設(shè)備可以重復(fù)使用。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況

2019 年 8 月 25 日，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示水位發(fā)生突變情況，基坑西側(cè)靠近軌道側(cè)共有 4 個(gè)水位觀(guān)測(cè)孔，水位單次變化量由北往南依次為 -480、-2 900、-7 120、-2 150 mm，累計(jì)變化量由北往南依次為 -900、-3 300、-7 480、-2 290 mm［5］。均超出單次變化報(bào)警值及累計(jì)變化控制值，后又逐漸趨于穩(wěn)定，說(shuō)明基坑外側(cè)地下水位隨著坑外高壓放噴樁的施工，滲流通道逐漸被堵塞，坑外水位變化逐漸平緩，如圖 12 所示。

圖12 水位變化曲線(xiàn)圖

在整個(gè)加固過(guò)程中，混凝土支撐的軸力變化較穩(wěn)定，并未發(fā)生大的變化，說(shuō)明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體比較穩(wěn)定，基坑還處于可控狀態(tài)，其軸力變化曲線(xiàn)如圖13 所示。

圖13 軸力變化曲線(xiàn)圖

測(cè)斜曲線(xiàn)如圖 14 所示：加固剛開(kāi)始時(shí)，樁體水平位移變化不大，后因在止水帷幕外側(cè)進(jìn)行高壓旋噴注漿引起圍護(hù)樁的樁體變形增大，累計(jì)最大變量為 57.71 mm超出累計(jì)變化控制值 35 mm。后隨著注漿結(jié)束，又逐漸趨于穩(wěn)定。

本次搶險(xiǎn)共進(jìn)行了 31 d，測(cè)斜、軸力、水位均每1 h 進(jìn)行一次分析匯總，并及時(shí)向設(shè)計(jì)、業(yè)主及專(zhuān)家上報(bào)圖形與數(shù)據(jù)，根據(jù)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整搶險(xiǎn)進(jìn)度及搶險(xiǎn)范圍，實(shí)時(shí)指導(dǎo)搶險(xiǎn)進(jìn)行，在這次搶險(xiǎn)工作中發(fā)揮了極大的作用，得到了主管部門(mén)及相關(guān)各方人員的認(rèn)可，為下一步自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的大面積的使用提供了良好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

圖14 測(cè)斜變化曲線(xiàn)圖

5 結(jié)論

1）監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)集自動(dòng)化硬件、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分發(fā)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)等高新技術(shù)于一體的綜合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工程。

2）監(jiān)測(cè)自動(dòng)化摒棄了許多人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，真正起到了信息化施工的眼睛作用，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工期間各項(xiàng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化情況，正確指導(dǎo)施工。并能讓項(xiàng)目管理者及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)施工狀況，以便于更好地管理，對(duì)于監(jiān)管部門(mén)也具有十分重要的意義。

3）監(jiān)測(cè)在基坑施工中也起著至關(guān)重要的作用，對(duì)臨近重要建筑物、構(gòu)筑物進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)有著十分重要的意義，尤其在搶險(xiǎn)等關(guān)鍵時(shí)刻的作用就顯得更加明顯。

4）監(jiān)測(cè)單位只有通過(guò)不斷加強(qiáng)自身的技術(shù)創(chuàng)新，不斷地向“精細(xì)化”“數(shù)字化”和“智能化”發(fā)展，才能提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，才能贏(yíng)得更大的監(jiān)測(cè)市場(chǎng)。

5）由于目前自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的成本較高，建議可在城市的一些重要建設(shè)項(xiàng)目（如城市軌道交通）上先做一些試驗(yàn)，從而帶動(dòng)整個(gè)監(jiān)測(cè)行業(yè)的發(fā)展。Q