深基坑工程中自动化监测技术的应用

许余亮

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

1 工程概况

杨浦区松潘排水系统改造工程泵站基坑开挖面积约1 336 m2，周长约160m，开挖深度14.45m，局部15.70 m，基坑安全等级一级，环境保护等级二级。

泵站基坑工程主要采用钻孔灌注桩+四道水平支撑的支护体系：

（1）围护体系：围护桩主要采用钻孔灌注桩

（2）支撑体系

水平支撑：采用一道混凝土水平支撑+三道钢支撑，支撑信息见表1。

表1 支撑体系 mm

（3）止水体系

2 自动化监测目的

（1）替代传统的人工监测模式，系统性地全天候24 h不间断监测；

（2）对于某些重要的监测指标，加大监测频率，及时、准确的提供实时监测数据，满足信息化施工的要求；

（3）实时对比，超报警值时第一时间发出报警，有效保证基坑施工的安全性；

（4）监测高效、数据准确，避免了人工采集的误差。

3 自动化监测实施

3.1 监测内容、频率及报警值

（1）根据基坑的安全等级及环境等级设置以下自动化监测内容：

a.土体深层水平位移（土体测斜）；

b.支撑轴力；

c.周边地表水平、垂直位移；

d.周边建（构）筑物水平、垂直位移。

（2）监测频率的确定以准确连续反应基坑开挖期间周边环境与基坑自身的动态变化为前提，本次监测频率按表2进行安排。

（3）根据《杨浦区松潘排水系统改造工程基坑围护施工蓝图》确定监测报警值，见表3。

3.2 基准点、监测点及仪器布设

3.2.1 基准点布设

在基坑周围布设全站仪后视基准点，后视基准点数量理论情况下不少于2个。本次监测设置后视基准点分别为：东侧项目部墙体与西侧建筑物钢立柱上。

表2 监测频率计划表

表3 监测报警值

工作后视基准点应布设在变形影响范围以外的稳定区域，并且需选择视野开阔、通视条件较好的地点，基点牢固可靠。基准点之间每月定期联测一次，以检查基准点的稳定性。

3.2.2 监测点布设

（1）土体深层水平位移（土体测斜）

土体深层水平位移监测是对基坑开挖阶段围护体系纵深方向的土体位移进行监控，及时掌握土体的变化方向与基坑变形的动态信息。

测斜孔的布设方法：在土体内部钻孔打入高强P V C测斜管，管长应大于测斜深度。测斜管外径为75 mm，管内十字滑槽（用于下放测斜仪探头滑轮）必须与基坑边线垂直。上、下端管口用专用盖子封好，接头部位用胶带密封。测斜管打入土体之后，立即加入黄沙并夯实，并做好测点保护工作，见图1。

图1 测斜孔布设

本次监测共设4个测点，采用固定式测斜仪进行全天24 h不间断观测，每个测点纵向每2.375m布设固定式测斜仪，总测深为28.125 m，监测频率为40 min。监测点位布设见图2。

图2 监测点位布设

（2）支撑轴力

围护墙外侧的侧向土压力由围护墙及支撑体系所承担，当实际支撑轴力与支撑在平衡状态下应能承担的轴力（设计值）不一致时，将可能引起支撑体系失稳。为了监控基坑施工期间支撑的内力状态，需设置支撑轴力监测点。

轴力监测点布设方法：

a.混凝土支撑轴力监测点安装在混凝土支撑中，采用钢筋应力计进行混凝土支撑轴力测量。将钢筋应力计安装在钢筋构架的上、下、左、右四个角点的主筋上，每组安装4只钢筋应力计，与支撑方向平行，见图3。可采用焊接方式安装，焊接长度大于10倍的钢筋直径（200 mm）。焊接平整、充实。焊接时要用湿麻布片或湿毛巾等包裹钢筋应力计并随时浇以冷水降低温度，以保护传感器不受损坏。

图3 钢筋应力计布设

b.钢管支撑轴力监测点安装在钢支撑中，采用表面应变计进行钢支撑的轴力测量。将表面应变计分别焊接在钢支撑截面的两侧，与支撑方向平行，焊接时平整、充实，固定应变计时与结构无扭动间隙，见图4。

图4 表面应变计布设

本次轴力监测第一层混凝土支撑采用钢筋计，其余三层钢支撑采用表面应变计，对支撑轴力进行全天24 h不间断观测，每一层支撑的监测点为4点，监测频率为35 min。监测点位布设见图5～图 8。

图5 第一道混凝土支撑轴力点位布置图

图6 第二道钢支撑支撑轴力点位布置图

图7 第三道钢支撑支撑轴力点位布置图

图8 第四道钢支撑支撑轴力点位布置图

（3）地表与周边建（构）筑物三维位移监测

a.地表监测点的布设（见图9）

首先在地面开Φ120 mm的孔，打入Φ22 mm螺纹钢筋（如果是混凝土路面，钢筋底部至少应进入到路面下的路床上10 cm，并与路面分离），然后在标志钢筋周围填入细砂夯实，为了防止由于路面沉降带到测点沉降影响监测成果数据；

在打入的钢筋上嵌套微型棱镜，微型棱镜中心应高于地面5 mm正对监测仪器方向并用保护罩加以保护，以防止路过车辆或行人碰撞或破坏；

在其基坑周围布设地表竖向位移监测点，每个监测点从基坑围护外侧起算约1～3 m。

b.周边建（构）筑物监测点的布设（见图10）

建筑物监测点设在建筑物的角点、中点、大转角处且与仪器方向通视良好，沿周边布置间距6～20 m；

图10 周边建（构）筑物监测点布设

高低层建筑物、新旧建筑物等交接处的两侧；

圆形、多边形的建（构）筑物宜沿纵横轴线对称布置。

本次监测采用带伺服马达的全站仪进行24 h不间断观测，共布设地表监测点10点，周边建（构）筑物监测点8点，监测频率为13 min。监测点位布设见图11。

图11 监测点位布设

3.2.3 仪器的布设

a.全站仪的布设（见图12）

浇筑全站仪基础应先制作带螺杆的钢筋笼，螺杆共8根，裸露长度约100 mm，分布间隔200 mm，浇筑长度大于400 mm，应与钢筋笼焊接为一体；

立杆底部法兰盘与基础结构连接；

全站仪架设于立杆顶部，在室外架设保护箱进行仪器的防尘防水保护。

b.自动化测斜的布设（见图13）

利用杆件将测斜仪相连或利用机械手段驱动测斜仪，将测斜仪下入测斜孔中；

设备箱放置在对应测斜孔旁。

3.3 监测技术方法及设备

本次基坑自动化监测的主要仪器如全站仪、固定式测斜仪、钢筋计、表面应变计等均选用进口型号，见表4。

图12 全站仪布设

图13 自动化斜测布设

表4 本项目拟使用的主要仪器、设备一览表

3.3.1 水平、竖向位移监测

利用极坐标、三角高程法进行监测点的水平竖向位移监测，后视基准点经过后方交会修正测站坐标，通过温度补偿修正测距精度，监测时采用双盘位消除轴系误差。历史竖向位移是以首次监测数据为基准的相对位移。

某监测点本次测量值减前次测量值的差值为本次偏差值，本次测量值减初始测量值为累计偏差值。

仪器：S O KK I A N E T05AX II；

测距精度：0.8 mm+1 pp m；

测角精度：0.5″。

3.3.2 土体测斜

测斜孔自下而上布设传感器测定该点偏角值（注：传感器与传感器之间钢管相连，一端刚性连接，另一端万向节保证可活动），每个测斜管每测点的初始值为首次测量所获得的数据。施工过程中的日常监测值与初始值的差为其累计水平位移量，本次值与前次值的差值为本次位移量。

仪器：基康固定测斜仪B G K-6150；

精度：±0.1%F S；

测斜计算公式：

式中：Xi为某深度的偏移值（底部起算）；Li为该段的测段长度；αj为该测段测出的倾角。

3.3.3 支撑轴力监测

传感器埋设前需检查其无受力状态时频率f0，当其与出厂标定频率f0在误差范围内时方可采用。应在使用前分两次测定初始读数，取平均值为其初始值。日常监测值与初始值的差值为其累计变化量，本次值与前次值的差值为其本次变化量。

仪器：葛南 V W R-20(钢筋计)/V W S-10F(表面应变计)；

精度：±0.1%F S；

钢筋混凝土支撑轴力计算公式：

式中：Pi为单个钢筋计所测算求得的应力；AS为单根主筋的截面积；∑As为主筋的总面积；ES为钢筋的弹性模量；AC为混凝土的截面积；EC为混凝土的弹性模量。

钢支撑轴力计算公式：

式中：K为表面应变计的灵敏系数；M为测得的频率模量；M0为初始频率模量；b为温度改正系数；α为钢的热膨胀系数；T为测得的温度；T0位初始温度；A为钢支撑截面积；E为钢支撑弹性模量（206）。

3.4 监测数据采集及分析

3.4.1 自动化监测云平台

本次自动化监测的数据采用实时无线传输至远程服务器，通过浏览器在云平台中实时查看监测数据，平台界面见图14。

图14 自动化监测云平台界面

3.4.2 实时数据界面

实时数据界面显示当前时间点下监测项的实时数据：

（1）土体内部位移

内部位移监测项的实时界面显示最近7 d的测斜变化曲线，可单击左边的图例进行某一天曲线的单独查看，见图15。

图15 实时数据界面显示

（2）支撑轴力

支撑轴力监测项的实时界面显示最近一次监测数据，第一层支撑为钢筋混凝土支撑，每一个监测截面由4个传感器构成，图表中下面4个表示每个传感器的应力监测值，最上边的数值表示该支撑当前的轴力监测值，见图16。

图16 支撑轴力

（3）三维位移

三维位移监测项的实时界面显示的为上月平均数据、上周平均数据、前天平均数据、昨天平均数据、当前最新监测数据共5个数据点，见图17。

图17 三维位移

3.4.3 对比分析

本工程在深基坑施工过程中运用自动化监测技术对基坑进行实时数据采集和对比，共出现过两次报警现场，一是地面沉降、二是土体内部位移。出现报警现场后现场立即停工，组织设计及施工单位技术人员分析原因，制定措施，消除安全隐患。

本工程基坑已顺利施工完成，运用自动化监测技术，降低了工程的监测成本，在监测频率上达到了人工监测所不能实现的采集数据频率，并且24 h不间断采集，发生异常情况第一时间报警，高效、准确。本工程中运用自动化监测技术效果非常好。

4 结语

在深基坑施工过程中运用自动化监测技术，尤其是安全等级高、环境等级高的深基坑工程，全面监控施工过程中基坑、周边建（构）筑物及周边环境的变化情况，实现实时监测、24 h不间断采集、自动对比预警，使施工现场能随时了解变形情况，以便及时采取有关措施，调控施工步序与节奏，做到信息化施工，确保基坑施工顺利进行。