谈自动化监测在深基坑项目中的应用

池玮波 胡岳岚 袁国梁 李东旭 夏振勇

(1.北京城建道桥建设集团有限公司,北京 100022; 2.北京城建华晟交通建设有限公司，北京 102444)

1 概述

基坑是指为进行建(构)筑物地下部分的施工由地面向下开挖出的空间，其内容覆盖地质工程、岩土工程以及结构工程等多个学科，也是基础设施建设行业最为常见的一种结构形式，基坑开挖又是基础设施工程建设的第一个环节，其施工过程受地质、水文、环境以及施工工艺等多个因素的影响，而且基坑开挖回填后属于隐蔽工程，使用期间的质量问题很难被直接观察到，所以其施工安全性在整个结构物建设过程中尤为重要，必须要进行施工过程中的质量检测。

2 基坑检测的现状

基坑坍塌的原因有很多，包括地质勘察不严谨，开挖设计不合理，支撑围护不规范，防渗水手段欠缺、检测手段落后等，坍塌形式可分为基坑整体失稳、坑底隆起变形、围护结构失稳、支锚体系失稳、渗水导致的结构破坏等。具体坍塌的因素包含人为因素和环境因素两种，由此可见基坑安全的复杂性，也突出了基坑检测/监测的必要性。

基坑开挖安全是工程界一个很大的难题，也成为国际工程界最为关注安全的领域之一。现在的基坑检测手段一般是人工参与为主的第三方检测，形式多为对结构位移、结构内力等几个关键因素进行现场人工观察及测量，再通过对所测数据进行分析，进而判断基坑的整体或者局部失稳的可能性，以及构件的安全储备度，这种检测方法存在如下缺点：

1)受空间限制较大，基坑施工面有限，空间有限，设备人员聚集，人工测量很难找到合适的观测点进行较长时间的观测，往往不停变换观测地点，由此带来测量误差，在复杂环境检测，同时也会有较大的安全隐患。2)受时间因素影响，基坑一般是24 h不间断施工，观测人员很难全天候精力完全集中，特别是夜间观测，受光线影响较大，主观误差也会较大。3)检测目标有限，潜在危险因素如周边环境情况、地下水等因素的人工观测，多数是低频甚至滞后于实时的施工进程，导致不能第一时间做出应急反应。4)检测数据分析不同步，检测一般是分工检测，检测完成后再汇总各方数据后进行分析，这样就会产生分析的严重的滞后性，不能第一时间发现潜在危险源并且迅速做出响应。

3 自动化监测概述

自动化监测是采用物联网、大数据技术，通过安装在构筑物上的传感设备实时不间断的采集并且展现数据，让技术人员对结构的实时受力状态及结构破坏趋势做出判断的一种新兴监测手段。其实施流程图如图1所示。

自动化监测有效降低了人员的参与度，特别是在基坑开挖这种施工空间局促导致人员观测不方便的环境下，优势会更加突出，另外自动化监测是长期不间断的数据采集过程，数据同步且连续，有助于对结构破坏的趋势做出较早的判断，及时采取补救手段。相对于人工检测，自动化监测的优点主要如表1所示。

表1 人工检测与自动化健康监测对比表

4 基坑自动化监测实例

赣江新区鸿信大厦建成后为南昌又一地标建筑，工程总投资约72 634.62万元，项目总面积134 500 m2，主楼高164.7 m。本项目基坑开挖长度163 m，宽度141 m，开挖深度平均12 m。

本项目需开挖基坑地理位置重要、基坑深而大、地下水量大、施工通道条件限制、施工工艺较多、施工难度及强度大、施工要求质量高、施工周期长，所以安全防范及施工检测在本项目施工过程中尤其重要。综合各方面因素，最终决定本项目的检测采用自动化健康监测的方式进行，监测因素主要包含土体水平位移及竖向位移、支撑轴力、锚杆内力、挡墙应力、雨量计、地下水位及空隙水压力等监测。

本文重点对土体位移和支撑轴力做重点分析，土体位移监测是按照开挖深度分层安装位移计，长度方向两个边等间距布置12支，宽度方向等间距布置10支，深度方向按照开挖进度布置4层，合计88支。轴力计按照设计文件给出的最不利支撑位置安装，本项目合计38支。

为方便数据分析及处理，监测系统采用知物云系统，本系统有数据采集、数据接收、数据异常告警、报表生成、数据分析对比、数据预测等功能，可对本项目实施的整个过程提供安全支撑。

通过知物云在线监测系统，部分监测结果如图2，图3所示。

从监测结果看，同一平面内的两个观测点随着开挖深度的加大，平面方向位移在不断加大，结果和实际施工进程高度吻合，且两个变化趋势一致，同时数据结果满足规范要求，如图4所示。

另外通过同一高度两个锚杆轴力数据结果可知，轴力随着施工开挖过程而变化，变化在规范允许范围之内，且变化趋势也相同，也说明监测结果准确可信。

通过以上采集结果，还可以看出自动化监测数据的实时连续，数据采集贯穿整个基坑开挖的全过程，除了极值，更可以通过在线监测结果看出变化趋势，从而推断结构指标发展的趋势，做到病害早发现，早预防，这是人工检测很难实现的一个点。

5 结论及建议

通过对背景工程实施自动化监测过程可知，自动化监测在基坑监测项目中可以更便捷的加以实施，特别是本背景项目，有施工环境复杂，施工空间受限，施工周期较长等特点，此类情况下自动化监测优势会更加明显，不但有效的解决了人工检测面临的作业面局促的问题，也有效的保障了复杂环境下作业人员的安全问题，整个监测过程不受作业空间和时间的影响，另外由于自动化监测采集的数据具有连续不间断的特点，数据采集贯穿整个施工过程，庞大的数据量可以充分用来分析结构物的变化趋势，从而做到早预防，早干预，有效减小安全事故的发生，所采集的数据和施工工艺同步，也可以用来与设计对比，为以后此类项目的设计提供借鉴。

自动化监测尽管在很多方面优势突出，但弊端是系统受传感设备掣肘，设备必须要满足精度和稳定两方面的要求，对现场设备安装也有很高要求。另外自动化监测数据量巨大，但是当前主流分析方法依然是极值法，导致大量数据的浪费，基于统计学的大数据分析方法对破坏趋势的研究，相信将是接下来自动化监测发展中的一个重点方向。