自動化監(jiān)測技術(shù)在管道基坑中的應(yīng)用

中圖分類號：TV551.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0189-04

Abstract：Thesafetyissueoffoundationpitexcavationhasalwaysbeenoneofthesafetyisuesthathasatracted the atentionof domesticand foreignconstructioncompaniesduring theconstructionandproductionprocessThispapertakesthe pipelinefoundationpitofaroadprojectinBeihaiCityusingautomatedmonitoring technologyasanexample.Theexcavation depth of the foundation pit ranges from 3m to13m，and the horizontal displacement and deformation value of the automated monitoringdeepfoundationpitincreasesfrom4mmto28mm，anincreaseofabout6times，andstillincreasesmultiplewiththe excavatiodepth；whentheexcavationdepthreaches11m，thecumulativehorizontaldisplacementanddeformationvalueofthe deep foundation pit exceeds 60 % ofthe alowable value， and the automated monitoring system automatically provides early warning.Meanwhile，itisprovedthatthehorizontaldisplacementanddeformationofthefoundationpitcontinuetoexpandwith theincreaseof excavationdepth.When theexcavationdepthreachesacertaincrticalvalue，theautomatedmonitoringsystem canquicklyreflect it，providing guarantee for project safety.

Keywords：deep foundationpit;automatedmonitoring;pipeline foundationpit;engineeringsafety;automaticearlywarning

基坑開挖施工安全一直是國內(nèi)外建筑行業(yè)重點關(guān)注的安全問題之一，因為基坑工程一旦發(fā)生安全事故，輕則造成工程停工，延誤工程進度，重則危及工程施工人員的生命安全，造成巨大的經(jīng)濟損失。隨著我國建筑行業(yè)的高速發(fā)展，僅僅在地面上修建建筑物已無法滿足人們的需求，地下空間開挖及利用成為建筑行業(yè)的必要趨勢，而基坑工程是地下開挖并利用的重要作業(yè)之一，其危險性及危害程度更是隨著開挖深度的變化呈線性指數(shù)關(guān)系上升。隨著我國城市人口的大幅度增長及城市化的高速發(fā)展，使得城市建筑工程的發(fā)展從相對安全的地面施工轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠y度的地下施工1，工程中的基坑開挖更是朝著大面積、高深度的方向發(fā)展，如高層建筑的地下空間常規(guī)均達到 10m 以上，局部的地下軌道將達到 20m ，國內(nèi)最深的引水龍泉倒虹吸盾構(gòu)接收井基坑，開挖深度達 77.3m 。因此，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測深基坑變形的方法已無法滿足現(xiàn)代工程建設(shè)的需求，“互聯(lián)網(wǎng) + 自動化監(jiān)測技術(shù)”的應(yīng)用是當前保證深基坑開挖施工安全的重要課題之一[2-4]。

國內(nèi)外學者在自動化監(jiān)測深基坑變形取得了眾多成果，如葛繼空等研究了基于測量機器人技術(shù)更為全面、安全的深基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)。蔡順將自動化監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在深基坑施工監(jiān)測，從多方面探討了自動化監(jiān)測運用方法，讓自動化監(jiān)測技術(shù)在基坑監(jiān)測中更科學、準確，有效提高了監(jiān)測工程質(zhì)量。賴國梁等[7]從基坑自動化監(jiān)測及預警系統(tǒng)出發(fā)，為施工企業(yè)管理開發(fā)了基坑自動化監(jiān)測及預警系統(tǒng)，不僅讓基坑監(jiān)測響應(yīng)更加迅速，更能從監(jiān)測系統(tǒng)中及時獲取監(jiān)測基坑的形變數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的備份與分析，為基坑監(jiān)測提供更加準確、規(guī)范化的數(shù)據(jù)結(jié)果。何烈民等以武漢諶家磯大道基坑工程為實例，通過“互聯(lián)網(wǎng) + 自動化監(jiān)測技術(shù)”，構(gòu)建了基坑自動化監(jiān)測與智能預警云平臺，實現(xiàn)了基坑開挖全過程中自動化監(jiān)測、智能動態(tài)預測與風險評估。綜上所述，現(xiàn)有的自動化監(jiān)測技術(shù)在深基坑的研究中，極大部分是針對個別超深基坑的位移變形和預警監(jiān)測，或構(gòu)建自動化監(jiān)測系統(tǒng)對高危險深基坑實現(xiàn)全自動化監(jiān)測，以保證工程建設(shè)的施工安全。而自動化監(jiān)測技術(shù)在管道深基坑中的應(yīng)用卻少有提及，本文以北海市某道路工程管道深基坑為例，研究自動化監(jiān)測技術(shù)在管道深基坑中的應(yīng)用，為后期類似線性工程深基坑安全穩(wěn)定或其他方面的監(jiān)測實現(xiàn)自動化提供參考。

1深基坑自動化監(jiān)測應(yīng)用

眾所周知，道路工程中的管道基坑具有數(shù)量多、開挖深度不一、分布散、風險性大、測量難度大等特點，采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方式對管道工程深基坑安全穩(wěn)定性、位移及變形進行監(jiān)測，不僅需要消耗大量的人力和時間，后期通過Word或Excel對已有監(jiān)測數(shù)據(jù)進行存儲和處理，存在處理效率低、反饋結(jié)果不及時、不利于后續(xù)查詢和分析等缺點，會導致管理人員處理不及時，而造成施工人員的生命安全和巨大的經(jīng)濟損失。故，應(yīng)用自動化監(jiān)測技術(shù)對線性道路工程管道深基坑進行監(jiān)測，及時綜合分析處理數(shù)據(jù)信息，可以有序地推動管道工程深基坑的開挖施工，也可以幫助項自管理人員實時了解深基坑的開挖狀態(tài)，有效提高項目的穩(wěn)定性和安全性。

1.1 監(jiān)測儀器的選擇

本文道路工程管道基坑采用自動化監(jiān)測儀器壓差式靜力水準儀，它是通過水管與多個傳感器連接，組成靜力水準測試系統(tǒng)，是測量基坑沉降變形的高精度、大量程的靜力水準系統(tǒng)。同時具有體積小、響應(yīng)速度快和長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被國內(nèi)外施工企業(yè)廣泛應(yīng)用于橋梁撓度、大壩位移，以及路面非均勻和剖面非線性沉降的精密測量，設(shè)備如圖1所示。

1.2 工作原理

壓差式靜力水準儀監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器在出廠前均進行校核、標定，可有效消除系統(tǒng)誤差。測量前先選定一個不動點作為參考點，其他測點為監(jiān)測點，測量結(jié)果由數(shù)字信號將監(jiān)測點傳感器與參考點傳感器之間的壓力差值，通過RS-485端口接收線傳送至總線采集模塊，再經(jīng)過計算相對參考點的位移變化，從而得到監(jiān)測點的變形值。監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、水管、氣管和水箱等組成，通過連通器工作原理，將傳感器與水管、氣管連接，水管與帶液體水箱相連，氣管一端與水箱空腔相連，另一端與大氣相連，這樣不僅能保持液位穩(wěn)定，還能保持氣壓恒定。系統(tǒng)采用測量測點水壓變化的方法，從而反推深基坑具體變化值，該方法相比傳統(tǒng)的液位測量，具有響應(yīng)速度更快、精度更準確等特點。

1.3監(jiān)測報警值及預警

位移變化累計值是判斷基坑穩(wěn)定、可靠的重要因素之一，根據(jù)GB50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[]，以鉆孔灌注樁為支護結(jié)構(gòu)的基坑，其允許位移變形值及變化速率見表1。當變形值達到最大允許變形值的 60% 時，立即發(fā)出黃色預警；當達到 80% 時，立即發(fā)出橙色報警；當超過時，立即發(fā)出紅色報警，且相關(guān)單位需即刻下達停止施工指令，要求現(xiàn)場作業(yè)人員撤出現(xiàn)場，待消除安全后再恢復施工，具體報警流程如圖2所示。

2 工程案例分析

2.1 工程背景

北海市某道路工程，是北海城區(qū)連接鐵山港工業(yè)區(qū)的主要城市干路，全長 44.8km ，實施寬度 120m ，其中管道寬度 56m/63m ，路面設(shè)計標高為 4.77～28.88m 。全線設(shè)置輔路 2×10m ，綠道由 2.5m 自行車道和1.5m 人行步道組成，建設(shè)時綠道沿線布置公交站臺、應(yīng)急車道等相關(guān)服務(wù)設(shè)施。沿線有南北高速樞紐互通

1處、南珠大道立交1處?？绾訕蛄?座，上跨鐵路跨線橋1處，另有通道、涵洞、機耕橋。根據(jù)施工圖統(tǒng)計，本工程沿途設(shè)計管道基坑超 3m 以上的有62個，超 5m 以上具有超大危險性的有30個，最深基坑更是達到 13m ，其他開挖深度低于 3m 的基坑不計其數(shù)，且沿線分散于新建道路工程中各處。

2.2 測點布置

位移監(jiān)測的目的是檢驗基坑安全穩(wěn)定性的實際效果，所以布測點要能掌握全線在基坑開挖期間基坑頂部水平、豎向位移等變化情況，有效防范基坑開挖施工時對臨近環(huán)境的不利影響。測點孔布設(shè)在基坑頂部外側(cè)靠近建（構(gòu)）筑物的附近，按基坑每邊至少布置一個觀測點，一般布設(shè)3～4組，通常布置在基坑拐角處。

2.3 測點埋設(shè)

根據(jù)施工圖紙上管道基坑分布及現(xiàn)場實際情況，對已選取的測點，使用鉆機將鉆孔深度鉆到測點位置，再將管徑約 50mm 的濾水塑料套管埋入測孔內(nèi)。測孔壁與套管空隙用干凈細砂完全充填，再用清水沖洗孔底，直至干凈，防止測孔堵塞；測管布置應(yīng)高出地面約 100～200mm ，管四周用磚塊砌筑，頂部加蓋蓋板，防止雨水進入側(cè)管及防止車輛行駛過程中對測點造成損壞。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

項目基坑采取自上而下分層開挖方式，以 2m 為一層，每開挖完一層后需使用支撐進行支護，一直實施至坑底。本文基坑自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)均選自深基坑頂部水平位移，其開挖深度分別為 3、5、7、9、11、13m 六個等級，各等級深基坑選取累計變化值最大的進行統(tǒng)計，并采用人工監(jiān)測方法對累計位移變化值最大的深基坑進行復核，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)可知，當開挖深度為 3m 時，自動化監(jiān)測深基坑水平位移變形值為 4mm ，該值未達到基坑監(jiān)測位移允許值的 60% ，則已安裝的自動化監(jiān)測系統(tǒng)未達到預警條件。隨著基坑開挖深度的不斷增加，當開挖深度達到 11m 時，自動化監(jiān)測深基坑水平位移沉降為 27mmgt;24mm ，已超過監(jiān)測數(shù)據(jù)的60% ，此時自動化監(jiān)測系統(tǒng)啟動預警功能，向指揮部發(fā)出黃色警報。

由表2與圖3可知，通過自動化技術(shù)監(jiān)測北海市某管道工程中管道深基坑水平位移變化與基坑開挖深度幾乎呈正相關(guān)，且近似于呈線性關(guān)系，擬合后相關(guān)系數(shù) R²=0.9926， ?；娱_挖深度從 3m 逐漸增加到13m 時，自動化監(jiān)測深基坑水平位移形變值從 4mm 上升到 28mm ，上升幅度約6倍，且隨開挖深度仍呈倍數(shù)增加的趨勢。通過基坑水平位移累計變化值的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與開挖深度進行擬合，得到位移累計變化值與基坑不同開挖深度的擬合曲線為

Z=2.4429x-3.7095， （1）

式中： Ψ_x 為開挖深度， .x 取值范圍為 3～13m ，開挖深度以 2m 為一個等級。由圖3可知，基坑位移形變累積量隨基坑開挖深度的增加而不斷增加。主要原因是，隨著基坑開挖深度的不斷增加，機械在施工過程中來回擾動，且上部土料荷載局部臨空、下部土料卸荷支撐能力減弱，造成基坑水平位移變形量隨開挖深度而變大，當形變值達到一定限值時，監(jiān)測系統(tǒng)將會發(fā)出預警，超出限值時，將會存在基坑坍塌風險，嚴重時會直接威脅作業(yè)人員生命安全及經(jīng)濟損失。

由表2與圖4可知，人工復核深基坑水平位移累計變化值與基坑開挖深度二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，擬合后相關(guān)系數(shù) R²=0.9587 。基坑開挖深度從 3m 逐漸增加到 13m 時，自動化監(jiān)測深基坑水平位移形變值從 6mm 上升到 33mm ，上升幅度約4.5倍，且隨開挖深度仍呈倍數(shù)增加的趨勢，該結(jié)果與自動化監(jiān)測結(jié)果一致；其中，開挖深度為 7m 時，人工復核深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)與自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)差值為- -2mm ，原因是人工復核時存在設(shè)備、人工讀數(shù)誤差等因素影響。通過人工復核基坑水平位移累計變化值與開挖深度進行擬合，得到位移累計變化值與基坑不同開挖深度的擬合曲線為

Z₀=0.1607x²+0.1492x+4.6964_c

圖3自動化監(jiān)測位移累計變化值與基坑深度的關(guān)系

4結(jié)論

本文選取北海市某道路工程管道基坑施工階段沿線深基坑采用自動化監(jiān)測技術(shù)進行監(jiān)測，其基坑深度呈階梯性間隔，分別為 3、5、7、9、11、13m 六個等級，根據(jù)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，對每個等級累計變形量最大的深基坑進行人工復核，得到以下主要結(jié)論：

1）根據(jù)自動化監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到基坑水平位移形變累計值隨著基坑開挖深度從 4mm 上升到 28mm ，上升幅度約為6倍，且隨開挖深度仍呈倍數(shù)增加的趨勢。

2）根據(jù)人工監(jiān)測復核數(shù)據(jù)，可知人工復測與自動化監(jiān)測基坑位移差值基本在 2～5mm ，其差值隨開挖深度的增加而成正相關(guān)關(guān)系。

3）道路工程管道基坑開挖具有分布線性、零散、線路長、監(jiān)測困難等特點。通過將自動化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在道路工程管道基坑監(jiān)測可知，基坑的位移變形隨開挖深度的增加而不斷擴大，當開挖深度達到某值時，基坑位移累計值將會達到預警限值，該技術(shù)能及時發(fā)出預警，有效地保障了基坑工程施工安全。

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