深基坑工程中自動化監測技術的應用

許余亮

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

楊浦區松潘排水系統改造工程泵站基坑開挖面積約1 336 m2，周長約160m，開挖深度14.45m，局部15.70 m，基坑安全等級一級，環境保護等級二級。

泵站基坑工程主要采用鉆孔灌注樁+四道水平支撐的支護體系：

（1）圍護體系：圍護樁主要采用鉆孔灌注樁

（2）支撐體系

水平支撐：采用一道混凝土水平支撐+三道鋼支撐，支撐信息見表1。

表1 支撐體系 mm

（3）止水體系

2 自動化監測目的

（1）替代傳統的人工監測模式，系統性地全天候24 h不間斷監測；

（2）對于某些重要的監測指標，加大監測頻率，及時、準確的提供實時監測數據，滿足信息化施工的要求；

（3）實時對比，超報警值時第一時間發出報警，有效保證基坑施工的安全性；

（4）監測高效、數據準確，避免了人工采集的誤差。

3 自動化監測實施

3.1 監測內容、頻率及報警值

（1）根據基坑的安全等級及環境等級設置以下自動化監測內容：

a.土體深層水平位移（土體測斜）；

b.支撐軸力；

c.周邊地表水平、垂直位移；

d.周邊建（構）筑物水平、垂直位移。

（2）監測頻率的確定以準確連續反應基坑開挖期間周邊環境與基坑自身的動態變化為前提，本次監測頻率按表2進行安排。

（3）根據《楊浦區松潘排水系統改造工程基坑圍護施工藍圖》確定監測報警值，見表3。

3.2 基準點、監測點及儀器布設

3.2.1 基準點布設

在基坑周圍布設全站儀后視基準點，后視基準點數量理論情況下不少于2個。本次監測設置后視基準點分別為：東側項目部墻體與西側建筑物鋼立柱上。

表2 監測頻率計劃表

表3 監測報警值

工作后視基準點應布設在變形影響范圍以外的穩定區域，并且需選擇視野開闊、通視條件較好的地點，基點牢固可靠。基準點之間每月定期聯測一次，以檢查基準點的穩定性。

3.2.2 監測點布設

（1）土體深層水平位移（土體測斜）

土體深層水平位移監測是對基坑開挖階段圍護體系縱深方向的土體位移進行監控，及時掌握土體的變化方向與基坑變形的動態信息。

測斜孔的布設方法：在土體內部鉆孔打入高強P V C測斜管，管長應大于測斜深度。測斜管外徑為75 mm，管內十字滑槽（用于下放測斜儀探頭滑輪）必須與基坑邊線垂直。上、下端管口用專用蓋子封好，接頭部位用膠帶密封。測斜管打入土體之后，立即加入黃沙并夯實，并做好測點保護工作，見圖1。

圖1 測斜孔布設

本次監測共設4個測點，采用固定式測斜儀進行全天24 h不間斷觀測，每個測點縱向每2.375m布設固定式測斜儀，總測深為28.125 m，監測頻率為40 min。監測點位布設見圖2。

圖2 監測點位布設

（2）支撐軸力

圍護墻外側的側向土壓力由圍護墻及支撐體系所承擔，當實際支撐軸力與支撐在平衡狀態下應能承擔的軸力（設計值）不一致時，將可能引起支撐體系失穩。為了監控基坑施工期間支撐的內力狀態，需設置支撐軸力監測點。

軸力監測點布設方法：

a.混凝土支撐軸力監測點安裝在混凝土支撐中，采用鋼筋應力計進行混凝土支撐軸力測量。將鋼筋應力計安裝在鋼筋構架的上、下、左、右四個角點的主筋上，每組安裝4只鋼筋應力計，與支撐方向平行，見圖3。可采用焊接方式安裝，焊接長度大于10倍的鋼筋直徑（200 mm）。焊接平整、充實。焊接時要用濕麻布片或濕毛巾等包裹鋼筋應力計并隨時澆以冷水降低溫度，以保護傳感器不受損壞。

圖3 鋼筋應力計布設

b.鋼管支撐軸力監測點安裝在鋼支撐中，采用表面應變計進行鋼支撐的軸力測量。將表面應變計分別焊接在鋼支撐截面的兩側，與支撐方向平行，焊接時平整、充實，固定應變計時與結構無扭動間隙，見圖4。

圖4 表面應變計布設

本次軸力監測第一層混凝土支撐采用鋼筋計，其余三層鋼支撐采用表面應變計，對支撐軸力進行全天24 h不間斷觀測，每一層支撐的監測點為4點，監測頻率為35 min。監測點位布設見圖5～圖 8。

圖5 第一道混凝土支撐軸力點位布置圖

圖6 第二道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

圖7 第三道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

圖8 第四道鋼支撐支撐軸力點位布置圖

（3）地表與周邊建（構）筑物三維位移監測

a.地表監測點的布設（見圖9）

首先在地面開Φ120 mm的孔，打入Φ22 mm螺紋鋼筋（如果是混凝土路面，鋼筋底部至少應進入到路面下的路床上10 cm，并與路面分離），然后在標志鋼筋周圍填入細砂夯實，為了防止由于路面沉降帶到測點沉降影響監測成果數據；

在打入的鋼筋上嵌套微型棱鏡，微型棱鏡中心應高于地面5 mm正對監測儀器方向并用保護罩加以保護，以防止路過車輛或行人碰撞或破壞；

在其基坑周圍布設地表豎向位移監測點，每個監測點從基坑圍護外側起算約1～3 m。

b.周邊建（構）筑物監測點的布設（見圖10）

建筑物監測點設在建筑物的角點、中點、大轉角處且與儀器方向通視良好，沿周邊布置間距6～20 m；

圖10 周邊建（構）筑物監測點布設

高低層建筑物、新舊建筑物等交接處的兩側；

圓形、多邊形的建（構）筑物宜沿縱橫軸線對稱布置。

本次監測采用帶伺服馬達的全站儀進行24 h不間斷觀測，共布設地表監測點10點，周邊建（構）筑物監測點8點，監測頻率為13 min。監測點位布設見圖11。

圖11 監測點位布設

3.2.3 儀器的布設

a.全站儀的布設（見圖12）

澆筑全站儀基礎應先制作帶螺桿的鋼筋籠，螺桿共8根，裸露長度約100 mm，分布間隔200 mm，澆筑長度大于400 mm，應與鋼筋籠焊接為一體；

立桿底部法蘭盤與基礎結構連接；

全站儀架設于立桿頂部，在室外架設保護箱進行儀器的防塵防水保護。

b.自動化測斜的布設（見圖13）

利用桿件將測斜儀相連或利用機械手段驅動測斜儀，將測斜儀下入測斜孔中；

設備箱放置在對應測斜孔旁。

3.3 監測技術方法及設備

本次基坑自動化監測的主要儀器如全站儀、固定式測斜儀、鋼筋計、表面應變計等均選用進口型號，見表4。

圖12 全站儀布設

圖13 自動化斜測布設

表4 本項目擬使用的主要儀器、設備一覽表

3.3.1 水平、豎向位移監測

利用極坐標、三角高程法進行監測點的水平豎向位移監測，后視基準點經過后方交會修正測站坐標，通過溫度補償修正測距精度，監測時采用雙盤位消除軸系誤差。歷史豎向位移是以首次監測數據為基準的相對位移。

某監測點本次測量值減前次測量值的差值為本次偏差值，本次測量值減初始測量值為累計偏差值。

儀器：S O KK I A N E T05AX II；

測距精度：0.8 mm+1 pp m；

測角精度：0.5″。

3.3.2 土體測斜

測斜孔自下而上布設傳感器測定該點偏角值（注：傳感器與傳感器之間鋼管相連，一端剛性連接，另一端萬向節保證可活動），每個測斜管每測點的初始值為首次測量所獲得的數據。施工過程中的日常監測值與初始值的差為其累計水平位移量，本次值與前次值的差值為本次位移量。

儀器：基康固定測斜儀B G K-6150；

精度：±0.1%F S；

測斜計算公式：

式中：Xi為某深度的偏移值（底部起算）；Li為該段的測段長度；αj為該測段測出的傾角。

3.3.3 支撐軸力監測

傳感器埋設前需檢查其無受力狀態時頻率f0，當其與出廠標定頻率f0在誤差范圍內時方可采用。應在使用前分兩次測定初始讀數，取平均值為其初始值。日常監測值與初始值的差值為其累計變化量，本次值與前次值的差值為其本次變化量。

儀器：葛南 V W R-20(鋼筋計)/V W S-10F(表面應變計)；

精度：±0.1%F S；

鋼筋混凝土支撐軸力計算公式：

式中：Pi為單個鋼筋計所測算求得的應力；AS為單根主筋的截面積；∑As為主筋的總面積；ES為鋼筋的彈性模量；AC為混凝土的截面積；EC為混凝土的彈性模量。

鋼支撐軸力計算公式：

式中：K為表面應變計的靈敏系數；M為測得的頻率模量；M0為初始頻率模量；b為溫度改正系數；α為鋼的熱膨脹系數；T為測得的溫度；T0位初始溫度；A為鋼支撐截面積；E為鋼支撐彈性模量（206）。

3.4 監測數據采集及分析

3.4.1 自動化監測云平臺

本次自動化監測的數據采用實時無線傳輸至遠程服務器，通過瀏覽器在云平臺中實時查看監測數據，平臺界面見圖14。

圖14 自動化監測云平臺界面

3.4.2 實時數據界面

實時數據界面顯示當前時間點下監測項的實時數據：

（1）土體內部位移

內部位移監測項的實時界面顯示最近7 d的測斜變化曲線，可單擊左邊的圖例進行某一天曲線的單獨查看，見圖15。

圖15 實時數據界面顯示

（2）支撐軸力

支撐軸力監測項的實時界面顯示最近一次監測數據，第一層支撐為鋼筋混凝土支撐，每一個監測截面由4個傳感器構成，圖表中下面4個表示每個傳感器的應力監測值，最上邊的數值表示該支撐當前的軸力監測值，見圖16。

圖16 支撐軸力

（3）三維位移

三維位移監測項的實時界面顯示的為上月平均數據、上周平均數據、前天平均數據、昨天平均數據、當前最新監測數據共5個數據點，見圖17。

圖17 三維位移

3.4.3 對比分析

本工程在深基坑施工過程中運用自動化監測技術對基坑進行實時數據采集和對比，共出現過兩次報警現場，一是地面沉降、二是土體內部位移。出現報警現場后現場立即停工，組織設計及施工單位技術人員分析原因，制定措施，消除安全隱患。

本工程基坑已順利施工完成，運用自動化監測技術，降低了工程的監測成本，在監測頻率上達到了人工監測所不能實現的采集數據頻率，并且24 h不間斷采集，發生異常情況第一時間報警，高效、準確。本工程中運用自動化監測技術效果非常好。

4 結語

在深基坑施工過程中運用自動化監測技術，尤其是安全等級高、環境等級高的深基坑工程，全面監控施工過程中基坑、周邊建（構）筑物及周邊環境的變化情況，實現實時監測、24 h不間斷采集、自動對比預警，使施工現場能隨時了解變形情況，以便及時采取有關措施，調控施工步序與節奏，做到信息化施工，確保基坑施工順利進行。