基坑自动化监测在深基坑抢险施工中的应用

董军兆，韩 璐，董普凡

（1.浙江智谱工程技术有限公司，浙江 湖州 313000；2.江苏师范大学，江苏 徐州 221000）

0 引言

近年来，随着我国城市建设的发展，国力和技术水平的不断上升，地下空间的开发力度越来越大，地下开挖深度已从地表下 5～6 m 发展到 30 m 也不罕见。由于基坑的设计计算理论还不成熟，计算与实际之间会产生较大的差异，因此基坑事故时有发生。而这一切只能依靠加强监测的信息化施工来弥补，因此深基坑工程的施工监测已成为城市建设中基础施工的主要内容。另外，由于城市用地越来越紧张，许多建设用地离一些重要的市政工程项目也越来越近，这就要求后施工的建设项目在施工过程中必须对已存在的重要的市政工程进行全方位的监测，消除隐患于萌芽状态。而目前施工监测市场主要还是依靠手动操作，自动化程度很低；仪器不具备数据传输功能，需要通过数据线连接计算机进行数据的存储和分析。不仅效率低，容易出现错误，而且不能实时监控。并且人工手动监测数据增加了人为因素的影响，发生事故时也不能及时跟进，而自动化监测结合物联网、互联网技术，运用先进的数据采集、数据传输和数据分析技术，结合人工智能技术，运用大数据分析等手段，提高了监测效率，实现数字化监测；所以发展自动化监测已是大势所趋。本文通过对一个临近地铁隧道的深基坑的抢险案例的描述，凸显出了自动化监测目前在工程建设全过程中的重要性。

1 概述

案例 1：某工程地下 2 层，主楼区域为 3 层，开挖深度为 13.68～15.64 m，主楼局部深坑部位开挖深度为 19.59～21.09 m，本工程基坑形状不规则；基坑周长415 m，面积 10 681 m2。基坑北侧、东侧、南侧皆为道路，西侧为轨道交通明挖区间，基坑开挖面距已运营轨道交通区间结构边线最近距离为 27.6 m 。基坑周围环境如图 1 所示。

图1 基坑周边环境图

2 基坑围护设计概况

本基坑工程围护结构采用灌注桩+三轴水泥土搅拌桩，内部设置三道钢筋混凝土支撑［1］。轨道侧的明挖区间结构与基坑的位置关系立面示意图、平面示意图如图 2 所示，明挖区间结构主要位于第 ④-1 层粉土、第 ⑤层粉质黏土夹粉土及第⑥层粉质黏土中［2］。轨道侧南侧地质纵剖面图（近轨道侧）如图 2 所示。

图2 轨道与基坑立面位置关系（单位：mm）

3 险情情况说明

2019 年 7 月 14 日基坑北侧 2 层地库开挖至坑底，于基坑西北角出现渗漏，水量较大。现场情况如图 3 所示。2019 年 8 月 19 日-3 层地库开挖至坑底时，出现一局部坑底渗流点并带有泥沙。现场情况如图 4 所示。

图4 地库西北角坑底涌水

2019 年 8 月 25 日，局部深坑已部分到底，局部深坑区域出现流砂现象，且局部深坑南侧部分区域出现塌陷，如图 5 所示。主楼西侧围护桩漏水点明显且，水量较大如自来水龙头水量，且携带用泥沙。2019 年 9 月 5 日，主楼区域坑底出现暗涌，如图 6 所示。

图5 基坑主楼-3 层南侧局部坍塌

图6 基坑主楼-3 层坑底暗涌

究其险情原因，主要是由于基坑开挖至坑底时，由于正值夏天，台风突然到来，未及时进行底板混凝土浇筑，而雨量又较大，整个基坑被雨水浸泡，后虽及时采取了抽水措施，但由于地下水水位与地表水有联系，地下承压水水位［3］上升，从而坑底发生突涌，导致基坑周边地表沉降，又由于施工原因坑内-2 层的降水井已进行了封井，无法降低坑内承压水水位，从而导致基坑围护桩体位移发生突变，发生了上述的险情。经过多轮专家论证，首先对基坑进行加填处理，防止险情进一步扩大，同时在基坑外侧进行高压旋喷桩施工，阻止坑外地下水继续注入坑内，基坑内侧进行加固，同时在基坑内施工降水井，降低坑内水位，并在施工过程中对临近轨道及道路、水位、围护体位移进行全方位的监测［4］，实时观测轨道侧基坑围护结构及周边土体水位的变化，决定在基坑靠轨道侧进行自动化监测，监测项目包含水位、轴力、测斜三项。自动化监测仪器设备现场图片如图 7、图 8 所示。

图7 固定式测斜仪

3.1 固定式测斜仪

固定式测斜仪由固定式测斜仪本体、承重定位钢索、数据连接电缆、防水连接插头/插座、管口承重装置、测斜系统数据采集模块、无线数据实时发送模块、系统电源、系统集线箱、平台数据等组成。其中固定式测斜仪本体包含两组定位轮组，测斜仪杆身及传感器。定位轮组包括一组定轮，朝向基坑内；一组动轮，朝向基坑外。测斜仪杆身材料为铝合金，采用深度阳极氧化加表面防护漆方式防腐蚀（针对高腐蚀地区，采用其他高强度防腐材料）。采用高精度 MEMS 传感器，最高分辨率可达 0.01 mm，长期稳定性＜±0.01 %。定位钢索单位深度设置卡口，用于定位测斜仪的深度；材料为不锈钢，用以承受测斜系统重量。

使用固定式测斜仪，对选取的测斜孔进行自动化测斜数据的采集。现场在测斜管中布设固定式测斜仪，最短 5 min 采集一次数据，固定式测斜仪通过连接无线数据发射模块，可以最短 5 min 一次向监测平台发送实时测斜数据，监测云平台可以实时接收测斜数据，做到测斜数据的实时上传平台。

3.2 振弦式频率采集系统（见图 9）

图9 频率采集系统及流程图

1）振弦式频率测量仪本体。标配振弦式频率测量仪两台，每台 8 个通道，串联后共 16 个通道。

2）无线数据发送模块。通过无线数据模块，将采集的数据以无线方式发送至数据平台。

3）系统电源。为整个振弦式频率测量系统提供稳定电源。

4）系统集线箱。收纳放置系统数据采集模块、无线数据发送模块和系统电源的箱子。

振弦式频率水位测量系统产品亮点如下。

1）可用于应力、拉力和水位等多种物理量。产品对应的监测项目可以涵盖支撑轴力（钢支撑、混凝土支撑等）、锚杆拉力、土压力、孔隙水压力和水位等。

2）结构简单。体积小巧，单手可拿，安装携带便捷。

3）配置简单。工地安装简易快速，兼容市面上常见的振弦式的监测元件，同时可以采集元件温度。

4）供电方式多样。可采用蓄电池供电或交流电供电两种方式，适应不同的工地环境。

5）实时数据和分析。本产品可以与监测云平台结合紧密，实时反馈所有的数据和分析（见图 10）。

图10 支撑轴力实时数据查看

采用振弦式频率仪对选定的混凝土支撑进行支撑轴力监测，实时监测相应支撑的受力情况，并将监测数据通过物联网实时上传至监测云平台，供技术人员进行分析。

3.3 压敏式水位测量系统

1）压敏式水位测量探头。压敏式水位探头，量程位 0～50 m。

2）无线数据发送模块。通过无线数据模块，将采集的数据以无线方式实时发送至数据平台。

3）采用可替换的锂电池组。每组电池可用 2 个月。

监测元件使用压敏式水压力计，在现场打好的水位孔中放置压敏式水位监测元件，在水位孔的上部，放置采集模块，采集数据通过轴内置的物联网发射模块，直接将水位原始数据（液面高度）实时发送至监测云平台。平台中将液面高度实时转换和存储为水位高程。不需要人为测量和干预。

上述水位测量方法优势：水位数据可以做到最短 1 min 一次测量，并且数据实时上传，不需要人工干预。需要现场监测单位购置压敏式水位测量系统（见图 11）。压敏式水位测量系统精度为 1 mm，精度高于人工测量手段。同时设备不受天气因素干扰，设备可以重复使用。

4 监测数据情况

2019 年 8 月 25 日，监测数据显示水位发生突变情况，基坑西侧靠近轨道侧共有 4 个水位观测孔，水位单次变化量由北往南依次为 -480、-2 900、-7 120、-2 150 mm，累计变化量由北往南依次为 -900、-3 300、-7 480、-2 290 mm［5］。均超出单次变化报警值及累计变化控制值，后又逐渐趋于稳定，说明基坑外侧地下水位随着坑外高压放喷桩的施工，渗流通道逐渐被堵塞，坑外水位变化逐渐平缓，如图 12 所示。

图12 水位变化曲线图

在整个加固过程中，混凝土支撑的轴力变化较稳定，并未发生大的变化，说明基坑围护结构整体比较稳定，基坑还处于可控状态，其轴力变化曲线如图13 所示。

图13 轴力变化曲线图

测斜曲线如图 14 所示：加固刚开始时，桩体水平位移变化不大，后因在止水帷幕外侧进行高压旋喷注浆引起围护桩的桩体变形增大，累计最大变量为 57.71 mm超出累计变化控制值 35 mm。后随着注浆结束，又逐渐趋于稳定。

本次抢险共进行了 31 d，测斜、轴力、水位均每1 h 进行一次分析汇总，并及时向设计、业主及专家上报图形与数据，根据自动化监测数据，及时调整抢险进度及抢险范围，实时指导抢险进行，在这次抢险工作中发挥了极大的作用，得到了主管部门及相关各方人员的认可，为下一步自动化监测的大面积的使用提供了良好的实践经验。

图14 测斜变化曲线图

5 结论

1）监测自动化系统是一个集自动化硬件、自动化数据采集、自动化数据实时分发、结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合自动化监测系统工程。

2）监测自动化摒弃了许多人为因素的干扰，实现了实时监测，真正起到了信息化施工的眼睛作用，能及时发现施工期间各项监测项目的变化情况，正确指导施工。并能让项目管理者及时掌握现场施工状况，以便于更好地管理，对于监管部门也具有十分重要的意义。

3）监测在基坑施工中也起着至关重要的作用，对临近重要建筑物、构筑物进行自动化监测有着十分重要的意义，尤其在抢险等关键时刻的作用就显得更加明显。

4）监测单位只有通过不断加强自身的技术创新，不断地向“精细化”“数字化”和“智能化”发展，才能提高核心竞争力，才能赢得更大的监测市场。

5）由于目前自动化监测的成本较高，建议可在城市的一些重要建设项目（如城市轨道交通）上先做一些试验，从而带动整个监测行业的发展。Q