自动化智能监测技术在深基坑中的应用

陈家伟 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院

黄 宇 广西建工集团智慧制造有限公司

潘 阳 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院

赵佩莹 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院

黄振皓 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院

韦居霖 桂林电子科技大学建筑与交通工程学院

随着社会经济的不断发展，高层建筑的数量越来越多，对地基深度有着更高的要求，也催生出了大量深基坑工程。通常，深基坑工程主要位于城市交通拥挤地带，施工环境较为复杂，若施工过程发生问题，必然会严重影响城市道路交通，甚至威胁人们的生命安全。基于此，施工单位必须切实做好深基坑监测工作，科学运用技术手段来确保支护结构与附近建筑物的安全性和平稳性。由于深基坑所处的位置比较特殊，且无法通视，传统的基坑方法（导线测量法、测小角法、视准线法等）无法获得精确和稳定的监测结果，存在基准不够稳定、精度不够高等问题，因此，要想克服这些不足和问题，实现高质量、高精度的基坑监测，就需要充分利用自动化智能监测技术[1]。

1 深基坑的概述

基坑主要指建设工程施工中结合勘察设计图纸，在工程的基础设计位置按基底标高和基础平面尺寸向下开挖出新的地下空间。而深基坑主要指往下开挖的深度超过5 m，且地下室层数在3 层以上，或是往下开挖的深度未超过5 m，但基坑周围的地质条件比较复杂。深基坑工程具有很强的综合性，不仅包括边坡支护、土方挖运，还涉及基坑排水。正因为深基坑工程的复杂性，如要降低深基坑工程施工的危险系数，就必须借助专业的技术作为支撑。

深基坑工程普遍具有很大危险性，其主要原因为：深基坑的支护结构均没有进行固定，属于临时性结构。在深基坑工程建设前，必须综合考虑工程施工中支护结构的稳定情况，针对支护结构可能发生的不稳定问题，提前制定应急预案，并确保应急措施的有效性与可行性。同时，由于深基坑工程的综合性较强，因此，要求参与施工的人员必须充分掌握施工技术知识、土力学知识、测量勘探知识与结构力学知识，只有确保施工人员的专业性，才能够保证工程的安全有序开展[2]。另外，深基坑工程还具备一定的环境效益，在基坑开挖过程中极易受到地下水、土体、周围建筑等因素的影响，因此必须提前制订行之有效的工程施工方案。

2 深基坑工程监测的重要性

2.1 降低对周围环境的影响

在深基坑工程开挖中，不仅要保证工程自身的安全，还要注重控制工程附近的地层移动，进而保护施工现场周围环境。尤其是部分地层土质比较差的区域，深基坑开挖施工往往会导致周围土体出现明显的形变，会在很大程度上影响基坑周围的城市道路、管线、建筑物等的稳定性，严重威胁居民的人身安全。而在城市中心地段开展深基坑开挖施工作业时，由于施工现场非常狭窄，深基坑施工现场周围又存在很多建筑物、管线等，因此保护施工环境非常重要。若支护结构被破坏，将会严重影响周围建筑物和城市设施的安全性，且较大程度的变形会对周围建筑物的安全性带来一定的破坏。基于此，相较于对深基坑工程稳定性的维护，保护深基坑工程施工现场周围的管线和建筑物更加重要。另外，深基坑工程开挖时可能由于施工不当而造成施工现场地面下沉，致使道路、建筑结构出现开裂问题，甚至会导致煤气主管道发生折断问题。为避免出现上述问题，施工单位必须借助有效的监测技术手段，对可能影响施工现场周围建筑物、管线等方面的因素进行明确，以便提前采取有效防范措施[3]。

2.2 减少土体变形情况

在深基坑工程开挖过程中，很可能会出现周围地层移动、坑底隆起变形、围护结构位移等问题。在整体层面上，深基坑周围地层移动情况主要体现为构筑挡土结构发生变形、基坑开挖不合理引发变形，深基坑工程开挖在本质上属于卸载负荷的过程，由于受到卸荷的影响，基坑底部土体会产生向上为主的位移，从而导致围护墙体在两侧压力差的作用下出现横向水平位移。针对这些问题，施工单位必须切实做好深基坑工程监测工作，根据监测结果采取相应的预防措施。

3 深基坑工程中自动化智能监测技术的应用

3.1 自动化智能监测技术的原理

自动化智能监测系统主要由数据采集、数据处理与成果发布3 个模块构成。由于深基坑工程施工的周期较长、施工难度较高，为确保整个工程的建设质量，必须采用专业的技术手段，严格按照工程勘察设计图纸进行施工。基于这一情况，开展深基坑工程监测显得至关重要，不仅可以为施工人员提供正确的指导，还可以在最大程度上减少深基坑工程施工过程中可能发生的风险。而深基坑工程自动化智能监测系统通过对数据采集、数据处理与成果发布等功能相结合，借助高效能的检测设备来实现对整个深基坑工程的动态监测。

3.1.1 数据采集

在深基坑工程监测工作中，可利用数据传感器来收集各种与工程建设相关的数据信息，并利用无线电信号来迅速传递大量的工程施工信息，从而提高工程施工效率。相较于传统的人工监测手段，自动化智能监测手段的监测效率更高，可实现全天候、持续性的监测工作，并能及时反馈获取的数据信息，一旦工程施工中出现问题，相关人员能够在第一时间抵达问题发生现场，采取有效措施进行处理，以此来确保工程施工作业的顺利开展[4]。

3.1.2 数据处理

借助自动化智能监测技术不仅可以获取大量的数据信息，还便于后续开展数据处理工作。数据处理主要涉及预处理与处理两个环节，其中预处理工作能够直接在数据采集系统中进行，即待收集到多样化的深基坑工程数据信息后，系统内部能够将这些数据信息直接转变成数字信号，并借助数据传输网络对数据信号进行二次传输，从而在数据处理中心对这些数据信号进行有效处理。深基坑工程处理主要是利用数据处理系统与控制系统，前者负责数据信息的接收与分析，后者负责对这些数据信息进行更加个性化与针对性的处理。

3.1.3 成果发布

在完成数据处理后，需要对监测的数据信息进行综合分析，将当前数据信息与历史监测中获取的数据信息进行对比，然后结合对比结果，客观、综合地分析建筑结构的安全性与可靠性，最终生成与建筑工程实际情况相符合的结构安全报告，以便相关人员查看。

3.2 应用要点

3.2.1 科学布设基准点

在深基坑工程监测工作中，可在工程施工现场周围区域合理布设基准点，通常需要设置5 个以上的全站仪，且基准点最好布设在对基坑边坡变形影响较小的位置，以此更加全面地了解深基坑工程施工状况，在最大限度上减少工程施工对周围环境的影响，有效保障深基坑建设的安全性与可靠性。同时，针对基准点的布设，相关人员必须对工程施工现场进行全面勘察，尤其是对土体位移变化情况的勘察，还需实时监测深基坑工程整个土体开挖中的土体位移变动状况，精准地掌握基坑动态变化情况，从而更加科学、有效地设置基准点。

3.2.2 合理布设监测点

深基坑工程中的支撑结构和围护墙承担着一定的荷载，若在具体施工中发生具体支撑轴力和设计图纸规范不一致的情况，必然会造成支护体系逐渐丧失稳定性与安全性，给整个工程造成严重的危害。所以要想确保深基坑工程的安全有序开展，必须合理布设检测点，且对轴力大小加以动态监测，在支撑构件处设置轴力监测点。为减少深基坑开挖对周围建筑物的影响，需要对这些建筑物进行监测点布设工作，尽量选择在视野开阔、清晰的区域进行布设，为达到全方位监测的目的，可充分利用高低建筑物与角点等位置的优势[5]。同时，为提高基坑支护体系的安全性与可靠性，需要在围护墙土体中施加一定大小的纵向荷载力，还要安装应力器，实现对轴力大小的实时监测，通常可选择在混凝土支撑处安装应力器，确保焊接紧密，无任何缝隙。另外，为确保监测点布设的有效性，须综合考虑深基坑工程中基坑的监测等级、设计参数特性、施工参数特点，尤其是基坑维护侧边中部、受力较大等位置，务必合理布置监测点，并加强监测工作。

3.2.3 布设监测元器件

针对深基坑工程中监测元器件的布设，具体包括以下几点。一是严格监测围护体顶部水平位移情况。在基坑开挖过程中，可借助拉线式位移计对围护体顶部的水平位移情况进行全面监测。安装该仪器时，应注意在监测位置砌两个与基坑支护结构顶部表面相平行的水泥墩，一端固定钢丝端，另一端固定位移计本体，通过调节钢丝长度来读取相关数值，通常需将仪器拉伸到满量程的1/2 左右。二是严格监测深层水平位移情况。在深基坑工程的土体开挖过程中，往往由于围护体两侧受力不均匀而产生压力差，进而发生围护体变形问题，对于这一问题的处理，可采用滑轮式固定测斜仪探头对预先埋在围护体内部的测斜管变化情况进行测量。从而获得围护体不同深度上的水平位移情况。三是有效监测支撑轴力。需在基坑维护结构受力比较大的位置布设支撑轴力监测点，将钢筋计焊接到断面位置，从而明确基坑维护结构的支撑轴力。四是严格监测四周建筑物的沉降与倾斜情况。在基坑土体开挖过程中，可能会影响基坑外一定范围内的建筑物，一旦这些建筑物出现较大的变形问题，必然会影响建筑物的正常、安全使用，因此，需在这些建筑物上安装倾角仪、静力水准仪，从而实现对建筑物倾斜与沉降的实时监测。五是科学监测裂缝问题。在基坑土体开挖前，需要对深基坑工程四周的建筑物、道路、管线等对象已存在的裂缝数量、分布位置进行详细记录，并利用裂缝计来测定这些裂缝的宽度、长度及走向，监测标志必须具备可供量测的中心或是明晰断面。六是无线网络的合理运用。基于深基坑自动化智能监测系统将监测元器件进行有效联通，可划分成3 个层级，一级是由现场工作站内的收发器与服务器构成的网络，二级是由分布在工作站与基坑之间的多个中继器构成的网络，三级是由分布在基坑内部每一个监测点的采集器构成的网络。3 个层级之间分工明确，相辅相成，实现对监测信息及时有效的收集、传递及处理。

3.2.4 自动化智能监测平台的运用

在深基坑工程监测工作中，自动化智能监测平台可以对工程现场所有监测元器件收集到的数据信息进行收集和汇总，然后借助相关软件对这些数据信息进行处理、分析及预测，即利用该平台所具备的原始监测数据筛选和变形数据计算等功能，实现对深基坑变形数据的统计分析与短时预测，能够很好地满足深基坑工程现场施工监测的要求。针对变形数据统计分析而言，可基于各个监测点所获得的数据变化趋势情况生成测点数据趋势图，结合其规律走向，明确工程施工中是否存在施工风险；可基于各个断面监测点所获得的数据变化趋势情况，生成对应测点数据趋势图，根据其规律走向，明确不同测点趋势走向的潜在的联系，从而为后续工程监管工作提供科学、有效地支撑。针对变形趋势短期预测分析而言，需结合水文学、力学、地质学等专业内容，依托非线性科学、系统科学、数学等理论知识，借助数字模型来模拟、展现深基坑变形体的动态特征和变形特征，并借助多元线性回归方法等对深基坑变形数据进行短期预测，然后在此基础上明确下一监测时刻的预测值。

4 结语

深基坑变形监测直接关系到深基坑工程施工的质量，还会影响深基坑支护结构及其四周建筑物的安全性、平稳性。因而在深基坑工程施工过程中，施工单位必须高度重视深基坑变形监测工作，积极运用自动化智能监测技术来实现对整个工程施工的自动监测、实时监测，切实提高监测结果的精准度和实效性，从而尽可能减少深基坑施工中发生变形的风险，确保整个工程施工工作的安全、顺利开展。