深基坑无人化自动监测实施探讨

蒋伟

摘  要：基坑监测技术是随着深基坑工程的发展而不断完善的。由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性，在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施的变化进行监测已成为工程建设必不可少的重要环节。对于风险大、安全性要求高的深大基坑采用传统的监测模式不能满足现阶段的要求。自动化监测技术具有实时监测、自动化性能高和复杂环境下安全保障的特点。随着信息化技术的提高，建立自动采集、数据实时分发及数据查询统计分析平台，实现无人化现场监测是一种趋势。

关键词：自动监测技术  深基坑  地铁  应用

中图分类号：TU433                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（a）-0065-03

Abstract： With the development of deep foundation pit engineering， foundation pit monitoring technology is constantly improved. Due to the complexity of underground soil properties， load conditions and construction environment， monitoring the changes of soil properties， environment， adjacent buildings and underground facilities caused by the construction process has become an essential part of engineering construction. For the deep foundation pit with high risk and high safety requirements， the traditional monitoring mode can not meet the requirements at this stage. Automatic monitoring technology has the characteristics of real-time monitoring， high automation performance and security in complex environment. With the improvement of information technology， it is a trend to establish automatic collection， data real-time distribution and data query statistical analysis platform to realize unmanned on-site monitoring.

Key Words： Automatic monitoring technology; Deep foundation pit; Metro; Application

当前对于风险大、安全性要求高的深基坑采用传统的监测模式不能满足现阶段的要求。自动化监测技术具有实时监测、自动化性能高和复杂环境下安全保障的特点[1]。尤其是在城市轨道交通建设中，遇到基坑开挖深度大、周边建筑物多、市政道路交叉和压力管线密集的情况下，采用自动化监测技术能为基坑监测实时开展提供有力的保障。

1  自动化监测系统

自动化监测系统由传感器、数据采集系统、通信系统和数据处理系统等组成。根据基坑工程本体自动化监测项目需要，传感器有自动水位计、孔隙水压力自动化监测计、土体分层沉降计等自动化观测技术，及时掌握关键水位、孔隙水压力变化;自动化墙体或土体深层水平位移、支撑轴力自动化采集仪，实时反映基坑开挖过程的土体的变化;静力水准仪、隧道自动化收敛、全站仪自动化水平位移，是针对隧道结构变化的实时监测[2]。

在自动化监测技术发展过程中，各种自动化监测设备蜂拥涌入市场。为遵循“实用、可靠、先进、经济”的原则，根据监测等级和监控对象的特点，在该次应用中，相关人员采用了自动化墙体或土体深层水平位移、孔隙水压力自动化监测计和静力水准仪技术进行分析。

1.1 建筑物静力水准仪自动化

自动沉降监测采用静力水准仪，由数据解调仪读取静力水准仪所采集的沉降变化量到计算机，进行计算处理和传输。该仪器依据连通管原理，通过传感器测量每个测点所安置的监测仪器中容器内的液面相对仪器参考点的液面变化，再通过计算求得各点相对于基点的变化量[3]。

静力水准测量系统主要由主体容器、连通管、传感器等部分组成，当仪器主体安装点发生高程变化时，主體容器内液面发生变化，每一容器的液位由一个精密传感器测出，该传感器内有一个自由悬重，一旦液面发生变化，悬重的悬浮力即被传感器感应。

1.2 墙体或土体深层水平位移自动化

在地下连续墙围护顶圈梁施工完毕后，在预留的地墙测斜孔中放置固定式测斜仪，同时将传感导线接入无线测量模块，通过GPRS通信模块实现远程自动监控。

整个系统包含一定数量安装在测斜管里的固定测斜仪传感器，测斜管提供地下测量的入口[4]。测斜管内部的导槽控制着传感器的方向。测斜管安装在垂直的钻孔中，该钻孔穿过地下可能发生位移运动的地区。一组导槽需对准在预期的位移方向。传感器固定在测斜管内，并跨越位移活动地区。当地层发生位移时，测斜管产生位移，从而引起安装在管内的传感器发生倾斜。位移计算的原理与常规深层水平位移测试（测斜）相同。

1.3 孔隙水压力自动化

将孔隙水压力计前端的透水石和开孔钢管卸下，放入盛水容器中热泡，以快速排除透水石中的气泡，然后浸泡透水石至饱和，安装前透水石应始终浸泡在水中，严禁与空气接触。

通过在观测孔内安装振弦式渗压计来测读，同样将渗压计导线接入无线自动化数据采集单元，通过GPRS通信模块实现远程监控。

使用过程中，水压力导致膜的变形而使弦的张紧度和共振频率改变，数据采集器精确测量弦的共振频率并且以周期或线性读数显示，采用渗压计的压力计算公式便可以计算。

自动化监测数据采集频率及发布是自动化系统的重要组成部分。自动化监测数据可以实时进行监测，自动化监测项目原始数据采集频率不低于每10 min进行1次，自动化监测的计算结果信息定时发布，基坑开挖期间发布频率不低于每2 h进行1次;自动化监测实施过程中，进行标准化的定期校验、人工比测，因自动化监测系统故障出现数据错误时立即进行故障排除、数据校正，保证监测数据采集的准确性和数据结果发布的可靠性。

2  项目实施

该项目为地铁工程中间站，车站沿道路南北走向，跨现状路口设置，与已通车的地铁站“十”字换乘，为地下二层岛式车站，站后设单渡线。

该站内净尺寸为350 m×20.06 m，站台宽度为13.06 m，地下一层為站厅层，地二层为站台层。车站基坑开挖深度约为14.5～17.6 m，顶板覆土厚约为2.5 m，该工程基坑采用半逆作顶板盖挖法施工，基坑围护结构均采用0.8 m厚地下连续墙，标准段竖向设置4道支撑（1道钢筋砼支撑+3道钢支撑），工作井竖向设置5道支撑（1道钢筋砼支撑+4道钢支撑）。

根据勘察地质报告，该区域是典型的软土地区，在地面下普遍沉积有厚层软粘性土，其具有含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高等不良工程特性，同时软土还有低渗透性、触变性和流变性等特点[5]。工程建成后，软土引起的工后沉降往往较大，对工程的安全运营影响很大;同时，在上部荷载和震动的长期作用下，软土的触变特点往往会使其强度降低，从而进一步加大构筑物的变形量。

2.1 自动化监测点布置

基坑工程自动化监测点布置要能反映监测对象的实际状态及其变化趋势，监测点布置在变形、应力等的关键特征点上，并满足监控要求，且需放置在不受影响或容易保护的位置[6]。

对于监测等级为一级的基坑，围护墙侧向变形孔2～3幅地墙布设1孔（地下3层及以上车站每2幅布设1孔，地下2层车站每3幅地墙布设1孔）。测孔沿长边对称布设并与围护墙顶变形监测点相对应，每侧边至少有1孔，并确保存活，如不能存活，则在对应位置补设土体测斜孔。为确保实际存活的测斜孔密度，车站主体基坑围护墙体深层水平位移监测点每2幅地墙布设1孔，其中1孔备用。围护墙体深层水平位移监测孔布设在每幅地墙中部，避开地墙接头处布设（见图1）;基坑阳角部位及其他代表性部位的桩（墙）体布设监测点。

2.2 自动化监测数据采集

采用固定式测斜仪，在现场布设好的桩体或者土体测斜孔中进行放置一串与测斜管等深的固定式测斜仪（每1 m布设1根），在测斜孔外部放置一个数据采集盒，利用内置的物联网模块实时上发测斜数据。监测云平台可以实时接收测斜数据，真正做到测斜数据的实时上传。上传过程不需要人工干预。

孔隙水压力计现场布设监测元件的方法和传统监测布设一致，布设完毕之后，在相应轴力断面位置，放置一个振弦式频率采集箱，实时采集轴力元件的频率值和温度值。数据通过压力计采集箱中的物联网发射模块，直接将压力计原始数据（频率+温度）实时发送至监测云平台，不需要人为测量和干预。

数据上传平台后，监测云平台会根据压力监测点所使用的监测元件实时计算和存储相应的水压力值具体见图2。

沉降监测传感器所采集的沉降变化量通过无线网络传输到指定计算机IP，通过配套软件进行数据传输存储管理及计算处理。

3  自动化监测与人工监测数据比较

目前，市场上的监测设备种类繁多，其中固定式测斜仪尤为突出。为验证自动监测结果的准确性和可靠性，在采集自动监测数据时，将2台测斜仪同时放置在同一地墙上，人工监测采用常规测斜仪。在自动化监控点旁边进行位置数据采集，每周手动采集一次数据，将传感器各深度位置水平位移自动监测结果与人工监测结果进行比较。手动监测使用滑动倾角计，并且仅使用一个倾角计探头，探头轴距0.5 m，每提升监测间隔0.5 m。自动监测使用固定测斜仪探头连接为一系列探头，每米一个传感器。

自动监测的结果与人工监测的结果基本一致。自动监测各深度水平位移累计计算修正，得到的变形过程线与人工监测结果趋势一致。监测结果能真实反映基坑墙体水平方向变形情况。

4  结论和建议

（1）自动监控24 h实时监控，尤其是地铁基坑监控，有效预防和减少灾害，免去相关人员多次进入施工现场。

（2）如果基坑存在风险，自动监测可以持续可靠地监测，确定合理的救援方案，对消除基坑风险具有非常积极的作用。

（3）自动监测技术具有高精度、高灵敏度的特点，结合自动数据采集和传输技术的自动监测系统可以克服常规监测的低效率，实现数据的实时采集。

（4）辅助施工管理，非监理专家也可了解基坑变形情况。

（5）结合现有基坑支护结构的变形历史，确定未来一段时间内的变形趋势，结合危险区域的预警和重点监测，造福于施工管理人员和业主的工程。

（6）城市地铁深基坑采用自动监测技术在安全和效率方面是可行的，但投资成本高于常规监测。

参考文献

[1] 张乾坤.滨海区轨道交通深基坑健康自动化监测技术应用研究[D].中国铁道科学研究院，2020.

[2] 周健宝.基于反馈闭环技术的深大基坑自动化监测及预警[D].合肥工业大学，2020.

[3] 范思广.城市地铁车站基坑施工安全自动化监测与变形控制研究[D].青岛理工大学，2018.

[4] 王宇，王鹏，李铭，等.自动化监测系统在深基坑监测中的可靠性分析[J].测绘与空间地理信息，2019，42（3）：222-224.

[5] 赵尘衍，刘全海.自动化监测技术在地铁基坑工程监测中的应用[J].城市勘测，2019（1）：196-200.

[6] 张鸣宇，王绍君.基坑变形监测的自动化建设[J].测绘技术装备，2018，17（3）：55-57.