自动化测斜技术在深层土体水平位移监测中的应用

【摘 要】基坑开挖后的深层土体水平位移监测是保证正常基坑施工的重要数据回馈，然而常规的人工基坑水平位移监测手段在监测频率和人工投入上存在着很大的问题，因此为保证监测水平和监测质量，文章采取了当前国外较为流行的自动化测斜技术，该技术利用无线数据传输信息技术进行数据的传输，监测人员即可利用数据终端接收数据后进行分析，得到准确的基坑倾斜信息。

【关键词】自动化测斜技术；土体水平位移；无线传输

我国当前绝大多数的土体测斜监测都采用人工监测方式进行，但是人工监测由于监测的频率低、人员投入大、设备周转问题、工作效率问题、天气原因等多种因素的影响而导致监测工作会受到很多影响。笔者认为通过自动化倾斜技术来进行基坑深层土体水平位移监测是一种较为合理的解决方案，文中将对方案进行介绍。

一、自动化监测系统基本构成

本次研究选取的自动化监测结构基本上可以分为四个组成部分。第一部分为测斜仪。本次研究选用了固定式测斜仪，固定式测斜仪能够实现全天候的时时土体水平位移监测，并且在能够避免雨水天气和大风天气对仪器的影响，也能够保证监测数据的准确性。第二部分为数据采集结构。数据采集结构利用传感器和保护结构构成，传感器利用重力加速度计作为基本测量原理来实现土体位移测量。第三部分是数据传输结构。本系统利用无线传输作为数据传输通道，无线传输相较于有线传输能够节省资源投入并且能够提升数据传输通道的抗外界影响能力，无线传输系统为ZigBee协议系统，ZigBee协议是一种低功耗的局域网数据传输协议，虽然数据传输速度较慢，但是能够满足自动化监测系统数据传输的要求。第四部分为数据接收终端。本次接收终端采用计算机作为数据接受终端，并且能够实现数据的接收、存储、处理等操作。（如图1所示。）

二、自动化监测系统优势及不足

虽然自动化检测技术相较于传统的人工测斜技术存在着一些优点，但是仍然避免不了自身系统存在着一定的缺点。自动化监测系统的优势表现在：（1）能够实现基坑水平位移的实时监控，保证监测数据的连续性，能够更好的分析出基坑土體的运动趋势。（2）减少了人力投入。自动化监测系统布设过程、日常维护、终端监测工作都需要人力投入，但是在人员投入上仍远远小于人工测斜技术。（3）保证了数据准确性。人工测斜技术在数据的采集、处理和存储过程中都会由于人员问题导致数据的精确程度不高，但是自动化检测技术利用计算机终端来实现数据的接收和处理工作，能够有效的避免这一问题。（4）能够实现自动预警。正是因为数据的接收终端使用了计算机终端，可以在终端制定一定的数据预警方案，在接收数据达到预警阈值时即可实现报警功能，避免基坑坍塌事故。（5）天气适应性更强。传统的人工测斜技术在光线不好、恶劣天气中都会对设备或人员造成影响，进而导致测量工作的中断或数据出现误差。但是自动化检测系统能够较好的实现恶劣天气的数据测量工作，同时无线传输数据通道在恶劣天气的数据传输表现上也值得称道。

自动化监测系统的缺陷表现在：

（1）前期投入较高。目前国内市场的固定式测斜仪价格参差不齐，但是常用的测斜仪价格普遍为5000-8000元之间，在实际工程使用当中，一个测孔的测斜仪布设量为10-20个，因此一个测孔前期投入则需要5-15万左右，成本过高。但是部分公司加大了测斜仪使用的保养力度，让测斜仪重复使用次数更多，在多次使用后即可获得一定的利润。

（2）现场施工埋设要求较高。自动化测斜需要测斜管在基坑测量的时间内保证长时间的相对固定，如果发生了测斜管的移动，则会产生较大的误差。另外，在测斜仪埋设过程中还要做好电子元件防水工作，避免测斜仪受损。

（3）对人员素质要求较高。传统的人工测斜工作只需要测量人员懂得相关测量知识即可，但是自动化测斜技术需要测量人员具备一定的计算机知识、局域网数据传输知识和电子设备知识等，才能够更好的完成系统布设和日常保养工作。

三、工程实例探讨

（一）工程概况

本次研究选取深圳市龙岗区某深基坑工程，基坑位于城区中心地带，东西长度约为200m南北宽度约为130m，基坑周长约672.3m，占地面积约为25340m2，基坑深度最大值为35m。基坑工程为建设2栋高层建筑而设计，楼高260m，2栋楼之间设有4层总高度32m左右的商业楼建筑。地下室设计为4层，总建筑面积为2615200m2。基坑围护采用地下连续墙结构，墙体厚度1.0m，深度55m。基坑分区施工，明挖顺做，共设置6道混凝土支撑。

本次研究选取的工程案例因为地处市中心，基坑施工过程中周边环境复杂，基坑北侧靠近地铁车站（正在运营中），东北侧有既有结构物，南侧和西侧有水管、煤气管道、排水管道、地下电缆等多种管线，复杂程度较高。因为此处基坑施工难度较大，并且如果发生基坑坍塌会造成整体城市运转的中断，后果不堪设想，故此选择了自动化测斜技术作为深基坑水平位移监测手段。

（二）监测项目和布设

根据基坑周边的实际情况和自动化监测设备运行需要的环境来分析，自动化监测系统在保留并且不影响原有的人工检测情况下，在基坑的东部、北部、南部三侧布设测斜孔，每侧测控数量1-2个，共布设5个测孔，测控深度65m，大于围护墙深度10m。布设方式采用钻孔式布设，即基坑开挖之前利用小型钻孔机在基坑围护墙外侧进行钻孔操作，钻孔孔径比测斜管直径大10cm，钻孔过程采用泥浆护壁，孔深度满足后即可放入测斜管。

自动化测斜技术的硬件薄弱点就是传感器与电缆线之间的连接，在固定式测斜仪埋设过程中应当利用防水电工胶带将传感器与电缆线连接好，并且与测斜仪连杆固定，然后塞入测斜管内部，按照设计要求逐个将传感器与连杆固定并且放入测斜管内部。电缆线连接过程中要注意正负向统一，如果发生混结可能导致传感器损坏。另外注意测斜仪的导轮需要放置在同一个平面上，利用螺母固定。

全部测斜仪放入测斜管之后需要将测斜管与钻孔之间的缝隙进行填满压实，填充材料可以选择西沙或者原土层中小粒径的土体（在此过程中注意一定要将缝隙压实，如果压实工作做的不好可能导致测量结果出现较大的误差）。等测斜管的底部沉降稳定后即可进行第一次读数，并检测数据传输的顺畅性。

本次研究每个测斜空放置20个测斜仪，测斜仪间距采用平均间距，保证在3m左右，根据工程实际情况，自动化监测频率设置为1次/h。因为本次研究地处市区，信号干扰源较多，如果采用直接进行无线数据传输很有可能造成数据丢失或者数据不准，故此在固定式测斜仪和数据采集箱进行有线连接，数据采集箱中设置预存储设备，将采集信号进行第一步存储，然后利用数据采集箱中的无线通讯模块进行无线数据传输，数据接收终端采用计算机进行数据储存和分析工作。

（三）检测结果及数据处理

本次检测频率为1次/h，整个工程施工持续6个月，导致自动检测结果所获得数据较多，数据采集过程中由于工人施工时施工机械操作不当导致测孔3处的数据采集箱的无线传输功能模块受损，但是由于数据采集箱中预先放置了数据储存设备，在修理后获得了相关的测量数据。数据获得后利用人工判读的方式来进行数据筛选，甄选出正确数据20万条左右，将数据编制入软件后进行分析和处理，得到土体水平位移曲线，其中测孔1与测孔3、4曲线及数据极为相似，测孔2与测孔5数据相似，故此本次研究以测孔1与测孔2的土体水平位移曲线作为研究对象（曲线情况如图2所示）。

本次研究过程还出现由于现场断电而造成的设备信息采集工作中断和计算机终端的关机。但是数据保存情况良好，出现断电情况后立即接入备用电源让系统重新工作，断电时间持续15分钟，对系统未造成影响。

通过测孔1和测孔2土体水平位移曲线的观察我们发现，在特定时间内出现了几次土体位移偏大的情况。笔者在工程进行过程中一一进行了排查，主要的原因如下：一、当地雨水导致地下水含量增加，土体含水量上升导致土体水平位移增大。二、基坑南侧排水管道施工过程中发生了破裂，导致土体的含水量增加，土体从固态变为可塑态，导致测斜管松动出现数据异常。三、施工刚开始时基坑北侧的小路并没有限制通行车辆的数量与重量，在测量过程中发生了水平位移过大后笔者立即决定对此处的交通进行限制，避免过重的车辆通行给土体带来较大的影响，交通限行后土体水平位移恢复正常。

四、结语和讨论

通过本次的研究笔者发现，自动化测斜技术在实际的工程使用中会由于很多细微的因素影响而导致测量数据出现波动或者异常，可以认为这种技术的外界因素敏感度较大，然而在实际的应用过程中技术人员应当加大监测数据的处理频率，随时处理随时观察，对出现异常的数据要进行及时现场考察后做出处理。笔者认为自动化测斜技术在工程实际应用中应当注意如下几个问题：第一，注意测斜管的回填压实度，保证在工程持续时间内不发生松动或者位移。第二，在施工过程中尽量避免外力或者机械的扰动或者机械干扰。第三，使用自动化测斜技术要注意土质，对地下水影响较大的土质要及时进行地下水位的监测工作。第四，深层土体水平位移监测过程应当设置备用电源，因为自动化测斜系统在断电情况下会造成数据接收终端和传输通道的工作中断，有可能造成数据丢失情况，即便数据不丢失，也会增加工作人员的工作量。最后，避免基坑周边的重物堆叠或者增加地表荷载的干扰。

通过本次研究我们发现，自动化深层土体水平位移监测系统在实际工程使用中也能获取很好的效果，本次研究共投入人员7人次，相较于传统的人工水平位移监测节约了大量的人力资源，另外也在深基坑土体发生水平位移异常时及时发出了预警，通过技术人员的排查和分析，避免了深基坑的塌陷事故。本次研究的数据采集、传输、接收、处理等环节均为出现异常，获得数据基本为准确数据，证明ZigBee协议在数据传输过程中具备良好的表现，适合自动化监测系统的使用。

另外，笔者认为未来自动化监测系统在城市和野外都能够胜任，当然未来的自动化监测系统应当将更多的功能进行集成，例如测孔数量精简、数据采集与存储一體化、数据传输速度和范围扩大、数据分析系统误差消除、数据分析系统预警功能完善等，这些都是未来自动化测斜技术的发展方向，因为自动化测斜技术在大型城市特殊基坑上有一定的优势，这类基坑周边的建筑数目较多、地表荷载较大、地下管线众多，这些特点都要求深基坑土体水平位移监测工作要做到更大的监测频率，相对来说对人工测斜技术影响较大。然而我国当前利用自动化测斜技术进行深基坑土体水平位移监测工作的案例相对较少，经验尚不足，所以笔者认为可以在大范围进行技术推广和试点工程，通过积累大量的经验来加快自动化测斜技术的推广和使用。

参考文献

[1] 沈雯.自动化采集及传输技术在深基坑施工中的应用[J].建筑施工，2016，38（03）：133-134.

[2] 焦仓文，陆士立，邓明等.基于磁阻和重力加速度传感器的数字连续测斜仪[J].自动化与仪器仪表，2014（10）：65-67.

作者简介：陈昊（1980.04- ），本科，中级职称，研究方向：工程测绘。