智能监测系统在建筑深基坑施工中的应用

李 斌

(中铁十四局集团建筑工程有限公司,山东 济南 250000)

0 引言

传统基坑监测方式存在的费时费力、数据失真或遗漏等难题一直是行业关注的焦点[1]。然而,随着智能监测技术的快速发展,这些问题正在逐步得到解决[2]。在基坑开挖过程中,通过监测支护结构受力、周围土体变形和相邻构筑物稳定性,能够了解基坑工程的安全性以及对周围环境、道路的影响程度[3],及时反馈异常情况,预防工程质量安全事故发生,并能够适时调整施工工艺、修改设计参数,重新指导施工[4]。

在基坑施工领域,智能监测技术的应用前景十分广阔。它不仅可以为工程安全提供有力保障,还能为施工工艺的优化和设计参数的调整提供科学依据[5]。因此,应该积极推广智能监测技术的应用,以提高工程质量和安全水平,同时也为行业的可持续发展贡献力量。与传统监测方式相比,该系统具有更高的精度和效率,能够及时发现问题并采取相应措施,进一步提高基坑施工的安全性和效率[6]。该智能监测系统不仅有助于提升施工安全性,同时还能减少人工成本和时间成本。由于系统能够实时采集数据,从而避免了人工记录和传输数据可能带来的误差和延误。此外,该系统还能实时分析数据,以便及时发现异常情况并采取相应的处理措施,这些无疑对提高基坑施工的安全性和效率起到了积极的作用。

1 基坑智能监测系统介绍

智能监测系统由实地传感网、监测云平台和客户端三部分组成(如图1所示)。

1.1 整体架构

传感网主要由智能感知系统(传感器)和智能采集系统(采集仪)组成。传感器安装在受监控的结构部位,负责感知被监测对象结构参数,采集仪则是将数据采样后,通过4G/5G网实时上传到云平台。

云平台则对送来的数据进行存储、显示、智能分析、预警等处理。

客户端主要实现云平台上的数据显示和监测系统的远程配置,用户可实时通过网页/APP访问采集数据或查看预警信息,并且能够下载相关统计报表和数据分析报告[7]。

1.2 系统功能特点

深基坑智能监测系统的优势[8]在于:1)实时监测。该系统能够自动、高频地采集施工中各种关键参数,包括支护桩的位移、锚索应力、锚杆应力、土体压力、钢支撑轴力、深层水平位移、混凝土应变、地下水位以及周围建筑物的沉降、倾斜、裂缝等。这种高频率的采集使得我们可以进行24 h不间断的监测,从而确保数据的连续性和时效性。这种实时监测不仅有助于我们及时发现潜在问题,而且为决策提供了宝贵的数据支持。2)危情预警。通过系统对数据的分析以及对异常情况的预警提示,可以有效避免安全事故的发生。这种预警机制不仅增强了工程的安全性,而且提高了施工效率,减少了不必要的损失。3)远程监管。深基坑智能监测系统的远程监管功能极大地提高了工作效率,通过手机端即可查看监测数据(如图2所示),这一方面减少了人力检查的成本,另一方面使得我们能够更便捷地了解基坑的状态。此外,系统还支持电话、短信、微信等多种手段的实时预警,这不仅提醒了工作人员和居民对工程安全及时有效处理,而且在紧急时刻还能提醒人员撤离危险区,有效预防工程安全事故的发生。

总的来说,深基坑智能监测系统以其实时监测、危情预警和远程监管的优势,为深基坑施工提供了有力的安全保障,极大地提高了施工效率和质量。

2 应用案例

德云文化广场项目位于山东省济南市,建筑面积约17万 m2,由塔楼、商业裙房及3层地下车库组成,地下车库空间将与济南地铁7号线充分联通,开挖深度11.6 m～14.2 m,内支撑采用1道混凝土支撑+1道型钢支撑,基坑断面如图3所示。为响应双碳减排和高品质建筑的政策要求[9],在基坑开挖过程中拟采用智能监测系统。下面介绍这种系统的应用。

3 基坑监测参数

选择深基坑监测参数时,必须考虑基坑的安全等级、地质环境和周围环境等因素,同时还需要参考相关规范[10]规定,并结合项目实施目标与监测需求进行综合考虑。监测参数示意图如图4所示。

应力、应变监测:对基坑钢结构、混凝土结构、锚杆、锚索等实施应力、应变监测,测定各结构的应力、应变变化情况,了解基坑受力状态。

表面位移监测:对基坑支护桩沉降及其水平位移进行监测,测定支护结构的形变量。

深层位移监测:对基坑内部水平位移进行监测,分为土体位移及支护结构位移,测定不同深度处土体位移来掌握土体的受挤压力变化。

地下水位:对基坑地下水位进行监测,测定基坑地下水含量,评估基坑开挖渗水风险、周围建筑物形变;对基坑周边建筑物沉降、倾斜、裂缝等参数进行监测,测定基坑开挖对周围建筑物影响,指导基坑开挖工艺优化。

周围结构物形变:对基坑周边建筑物或线路的沉降、整体倾斜、墙身裂缝、管线变形等参数进行监测,测定基坑开挖对周围建筑物或线路影响[11],指导基坑开挖工艺优化。

4 基坑监测标准化安装

位移监测点埋设:观测沉降是基坑工程中一项最基本的监测手段,其埋设方式包括地表式和井下式两种[12]。地表式沉降点适用于土方开挖深度较浅的基坑工程,埋设简单方便;井下式沉降点适用于土方开挖较深的基坑工程,能够更精准地监测土体的沉降情况。监测点应当覆盖整个基坑区域(如图5所示),并且按照一定的网格布置,通常间距不超过40 m[13],以便全面监测基坑周边土体的沉降情况。

基坑内土压力盒埋设:盒底应与硬地层接触,以保证盒内压力计不受干扰;盒周围应有足够的支撑,防止压力计变形;压力计应埋设在变形较小的地方,以保证数据的准确性;压力计埋设后,周围不能有大量重物堆放,以免破坏土压力数值的准确性;压力盒应定期进行标定和数据采集,以保证数据的准确性和及时性。

孔隙水压计埋设:埋设位置应选择在基坑周边附近的地层中,一般选择在基坑边缘四周;一般埋设深度应该大于1 m,以保证测量数据的准确性;应该采用专门的钻孔设备,确保钻孔的垂直度和深度准确;在埋设过程中,应该避免孔壁坍塌或泥沙堵塞测管,应该将孔隙水压计固定在测管上,确保测管不受外力影响。

钢筋计埋设:安装位置一般选择在基坑边缘附近,但要避免在不稳定的地层中埋设;应该避开施工荷载较大的区域,以免对钢筋计造成破坏;应该将钢筋计固定在测管上,确保测管不受外力影响,条件允许,可以使用钢筋混凝土护筒进行保护,以保证钢筋计的安全和准确性;在钢筋计的周围应该填充密封材料如膨胀水泥砂浆,以防止外部水或其他物质进入钢筋计的测量部位。

轴力计埋设:安装位置应避开强风化岩层、冰冻线以及地下水位。在岩石裂隙水压力较高地区,应考虑轴力计的承压能力;轴力计应垂直埋设在完整均匀的岩体中,并应尽量布置在基坑周边及受力较大的区域;轴力计应与基岩面垂直,其受力面向外,与基岩面之间的间隙应填实;应考虑基岩面坡度对轴力计的影响,避免坡度过大导致轴力计悬空或卡涩;安装完成后,轴力计顶部一般应高于基坑底面15 cm左右,且保证不积水。

传感器保护:所有的传感器都配备有专门的保护外壳,旨在防止恶劣环境对传感器的影响,如重击、暴晒、暴雨、暴雪等,以确保传感器的稳定运行,并延长仪器使用寿命(见图6)。

管线敷设:所有的连接管线均采用桥架和波纹管进行固定和保护,以防止太阳直晒和环境造成的扰动,确保监测数据的稳定性和准确性(如图7所示)。

采集仪安装:采集设备外加防护箱,能适应各种高温、雨水等恶劣环境,应牢固固定在标桩上,为数据的采集和传输提供可靠保障(如图8所示)。

5 应用成果

传统监测方法往往需要大量的人工干预,效率低下且易出现误差。智能深基坑监测系统通过引入先进的传感器技术和人工智能算法,实现了自动化的实时监测,还能提前预警潜在的安全风险,为基坑工程的顺利施工提供了重要的技术支持。系统可实现下列功能:

自动生成图表:监测结果可自动生成各种图表,如位移曲线、应力变化曲线、水位浮动曲线等,便于直观了解基坑施工状况。

可视化展示:系统提供可视化界面,方便用户实时查看和跟踪监测数据,有利于及时发现和解决问题。

预警阈值设置:系统提前预设预警阈值,一旦监测值超过阈值,即触发告警,便于及时处理潜在的安全风险。

6 结语

通过对比分析实际监测数据与系统计算结果,验证了智能深基坑监测系统的有效性和可行性。结果显示,该系统在本工程基坑施工中发挥了重要作用,为基坑工程的顺利施工提供了有力保障。

智能监测系统在工程项目中的应用场景非常广泛,几乎涵盖所有需要进行基坑施工的项目,如新建高层建筑基坑、地铁隧道、大型商业综合体、桥梁、隧道、地下工程等,基坑监测系统能够为这些工程项目的开展提供重要帮助[14-15]。通过对深基坑智能监测系统在本工程基坑开挖过程中的应用进行研究和实践,发现该系统能够提高工程管理的效率和准确性。它不仅可以实现全天候和多角度监测,自动采集数据,还减少了人工和工作强度,提高了数据的准确性,为工程管理提供了更加便捷和高效的方式。智能深基坑监测系统是基坑工程安全施工的重要工具,其自动化的监测过程、可视化的展示方式以及提前预警的安全保障功能,为基坑工程带来了显著的效益。

但同时也应看到,基坑智能监测系统起步时间不长,工程实践中可能存在一些瓶颈:基坑智能监测系统涉及到的技术领域较广,包括传感器技术、数据采集与分析技术、物联网技术等,需要一定的研发和实施成本,对于一些复杂的工程环境,需要定制化的监测方案,这也增加了系统的成本和实施难度;基坑智能监测系统需要实时采集和处理大量的数据,以便及时发现异常情况,然而目前数据处理和分析能力还存在一定的局限性,对于一些复杂的数据模式和趋势的识别还存在一定的难度;基坑智能监测系统的监测精度和可靠性直接影响着工程的安全和质量,目前一些特殊环境下的监测精度和可靠性还存在一定的挑战,需要进一步的技术研发和改进;目前,基坑智能监测系统的相关法规和标准还不够健全,对于系统的设计、安装、运行、维护等方面缺乏明确的规范和要求,这可能会影响系统的应用范围和推广程度。但可以肯定的是,随着技术的不断进步,该系统在未来的基坑工程中一定会发挥更大的作用。