自动化监测远程监控系统在基坑工程中的试验应用*

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

0 引言

城市的快速发展使得超高层建筑、超大型深基坑不断涌现。上海世博会地区B02、B03地块涉及多家开发单位，场地及周边规划道路下将开发大型地下空间，基坑安全施工关系到整个地块开发建设的成败，而基坑监测是基坑安全施工的保证。目前国内基坑监测方法仍然以人工监测为主，这种监测的优点是投入少，缺点是数据采集及分析效率低，数据滞后性严重，不能够及时指导基坑工程施工；而自动监测系统有操作安全、工作效率高、数据准确的显著优点。鉴于重大基坑工程对数据准确性和及时性的要求，世博央企总部基地基坑工程进行了自动化监测技术和远程监控系统的研发及试验应用[1,2]。

1 工程概况

本工程为某央企总部基地基坑工程，位于世博园地块，东西宽约95 m，南北长约120 m，基坑开挖面积约11 000 m2，地下3层，地下建筑深度为13.50 m，开挖深度为15.40 m，地块属滨海平原地貌类型。

本工程施工分区较为复杂，施工周期很长，施工流程较多且交叉影响。周边市政管线众多，且基坑邻近轨道交通13号线，环境保护要求较高，需严格控制坑边土体变形，确保周边地下管线、周边建（构）筑物的正常运转及安全使用。

2 自动化监测及远程监控系统

考虑到工程的特殊性，本工程基坑监测中引入自动化监测系统，利用计算机通信技术和互联网技术，构成一个完整的自动化监测系统和远程监控系统管理平台，为基坑施工提供技术支持（图1）。

2.1 自动化监测系统

利用Zigbee无线协议实现传感器数据采集和系统数据采集之间的无线连接。传感器连接端设置1台数据采集发生器，将采集的数据发送给工程现场的数据采集接受终端，数据采集接受终端再将采集的数据通过GPRS无线网络上传到数据处理中心。数据采集接收终端可同时实现与多台数据采集发生器的联系。

图1 自动化监测及远程监控系统工作原理

2.2 远程监控系统

远程监控管理系统是由上海建工集团主导研发的一套集工程项目管理、数据实时监控和文案上传下达于一体的远程监控管理系统。现阶段每天的基坑监测数据需技术人员人工上传到远程监控系统。

项目部远程监控系统负责人员根据当天的施工工况和上传监测数据填写安全评估报告。安全评估报告内容包括当天的施工工况、监测数据上传情况、视频及照片等，并依此填写综合评估报告和建议措施，项目部负责人查阅安全评估报告并依此做出施工决策。

结合工程风险特点，远程监控系统建立三级报警机制，具体如下[3-6]：

1）远程监控系统负责人根据设计单位所确定的报警值判断是否为三级报警。若系三级报警，须启动现场应急预案，同时报项目部管理人员；

2）项目部管理人员对上报的警情进行进一步了解、分析，选择以下一种处置方式：结束报警、采取措施进行处理、将警情升级为二级，同时启动子公司应急预案并上报子集团公司；

3）子集团公司对上报警情进行进一步了解、分析，选择以下一种处置方式：结束报警、采取措施进行处理、将警情升级为一级，同时启动子集团公司应急预案并上报集团总部。子集团公司领导应组织专家会审，形成相应方案后（包括抢险方案）上报集团审批备案，并立即组织相关人员进行抢险。现阶段集团也在积极研发远程监控专家评估系统，针对特殊的项目在系统管理平台上组织专家进行评审。

3 监测项目布点及自动化监测方法

本次自动化监测基于第三方监测，设置了如下相关的试验点：支撑轴力观测点3组，坑外土体深层水平位移观测点1个，坑外潜水位观测点1个，坑外土体分层沉降观测点1个。

3.1 钢筋混凝土支撑轴力监测

根据钢筋混凝土受力时内部钢筋和混凝土协同变形的原理，计算整个支撑（全断面）应力的变化。

ZX-400型智能弦式数码钢筋应力计安装方式见图2。

图2 钢筋应力计安装示意

3.2 坑外土体深层水平位移监测（土体测斜）

本项目监测是用测斜仪自下而上测量预先埋设在土体内的测斜管的变形情况，以了解基坑开挖施工过程中，与测斜管共同作用的坑外土体在各深度上的水平位移情况。测斜仪具体工作原理如图3所示。

图3 测斜仪工作原理

本项监测采用固定式测斜仪。固定式测斜仪将若干个测斜仪探头组合上下成串地安装在同一个测孔中，各探头连续工作，不断将测得的数据通过电缆传到测孔外。

固定式测斜仪采用了基于现代计算机技术的数据编码技术，将全部（可多达几十个）固定式测斜仪探头的数据传到地面。经过编码的数据在地面用数据采集器采集、存储，并与计算机联机，实现连续监控。

3.3 坑外潜水位监测

预埋水位测管于基坑外的土体内，用水位计测量，了解水位变化。

3.4 坑外土体分层沉降监测

对土体分层沉降的监测采用与本系统配套的智能数码分层沉降计。分层沉降计由多个单点沉降单元与PVC管串接而成。

4 监测数据分析

本基坑共设3道支撑，基坑第1皮土方开挖开始于2012年11月7日，并于2013年2月1日完成基坑大底板浇筑。

4.1 钢筋混凝土支撑轴力监测

不同于传统方法监测得到的数据，自动化监测数据是实时的曲线，较好地反映了支撑轴力的实时状态。第1道支撑施工过程中轴力的变化范围基本在-1 500～+1 000 kN之间（图4），在第1皮土方开挖时，支撑轴力变化较大，待第2道支撑完成后支撑轴力有所减小；在挖第3、第4皮土方时，支撑轴力变化相对较小。大底板浇筑完成后，监测数据趋于平稳，但一处数据有较大突变，这体现了自动化监测数据存在不稳定现象。基坑第2道支撑轴力监测开始于2012年12月6日。第2道支撑轴力的波动性较小，并很快趋于稳定，波动范围在-7 000～0 kN之间。基坑第3道支撑轴力监测开始于2012年12月25日。相比较前2道支撑，该处的支撑轴力明显较大，波动范围在-8 000～0 kN之间。

图4 第1道支撑钢筋计1/断面1

4.2 坑外潜水位监测

由自动化监测方法得到的基坑外潜水位变化曲线如图5所示。图中水位变化曲线显示，与初始潜水位相比，整个水位的变化介于-300～+500 mm之间，属于合理区间。

图5 坑外潜水位监测曲线（自动化方法）

4.3 坑外土体地表沉降监测

由图6可知，在基坑进行土方开挖时，土体有较大沉降；在基坑开挖完成、底板浇筑完成后，土体沉降基本稳定。在沉降数值方面，最大沉降为35 mm，与传统方法监测数值相近。

图6 基坑周边地表沉降曲线（自动化方法）

4.4 坑外土体水平位移监测

截至2013年3月5日，坑外土体的最大水平位移达到38 mm，最大位移点随着基坑开挖，逐渐向下移动，最大位移值也逐渐趋于稳定。这一变化规律符合理论逻辑。

5 结语

自动化监测不受现场条件以及气候等因素的影响，具有操作安全、工作效率高、数据准确的显著优点，具有很好的开发潜力与应用前景。通过本项目的试验研究可知，自动化监测系统所得数据是可信并符合逻辑的。但是自动化监测数据有突变的情况，这也体现了现阶段自动化监测数据采集具有不稳定性，同时自动化监测仪器昂贵的价格也未能使其完全取代人工监测。远程监控系统的建立使项目部管理人员及时了解工程现场的发展情况，包括每天的施工工况（文字描述、照片和录像），各项目监测的实时数据和曲线，突发情况的现场预警（录像、短信提示）。远程监控系统三级报警及各方专家评估系统的建立将对基坑安全施工和组织抢险的决策都有着巨大的帮助[7-9]。