深基坑工程中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

許余亮

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

1 工程概況

楊浦區(qū)松潘排水系統(tǒng)改造工程泵站基坑開(kāi)挖面積約1 336 m2，周長(zhǎng)約160m，開(kāi)挖深度14.45m，局部15.70 m，基坑安全等級(jí)一級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)二級(jí)。

泵站基坑工程主要采用鉆孔灌注樁+四道水平支撐的支護(hù)體系：

（1）圍護(hù)體系：圍護(hù)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(jiàn)表1。

表1 支撐體系 mm

（3）止水體系

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)目的

（1）替代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)模式，系統(tǒng)性地全天候24 h不間斷監(jiān)測(cè)；

（2）對(duì)于某些重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，加大監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)、準(zhǔn)確的提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足信息化施工的要求；

（3）實(shí)時(shí)對(duì)比，超報(bào)警值時(shí)第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警，有效保證基坑施工的安全性；

（4）監(jiān)測(cè)高效、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，避免了人工采集的誤差。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)施

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容、頻率及報(bào)警值

（1）根據(jù)基坑的安全等級(jí)及環(huán)境等級(jí)設(shè)置以下自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)容：

a.土體深層水平位移（土體測(cè)斜）；

b.支撐軸力；

c.周邊地表水平、垂直位移；

d.周邊建（構(gòu)）筑物水平、垂直位移。

（2）監(jiān)測(cè)頻率的確定以準(zhǔn)確連續(xù)反應(yīng)基坑開(kāi)挖期間周邊環(huán)境與基坑自身的動(dòng)態(tài)變化為前提，本次監(jiān)測(cè)頻率按表2進(jìn)行安排。

（3）根據(jù)《楊浦區(qū)松潘排水系統(tǒng)改造工程基坑圍護(hù)施工藍(lán)圖》確定監(jiān)測(cè)報(bào)警值，見(jiàn)表3。

3.2 基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)及儀器布設(shè)

3.2.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

在基坑周圍布設(shè)全站儀后視基準(zhǔn)點(diǎn)，后視基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量理論情況下不少于2個(gè)。本次監(jiān)測(cè)設(shè)置后視基準(zhǔn)點(diǎn)分別為：東側(cè)項(xiàng)目部墻體與西側(cè)建筑物鋼立柱上。

表2 監(jiān)測(cè)頻率計(jì)劃表

表3 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

工作后視基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在變形影響范圍以外的穩(wěn)定區(qū)域，并且需選擇視野開(kāi)闊、通視條件較好的地點(diǎn)，基點(diǎn)牢固可靠。基準(zhǔn)點(diǎn)之間每月定期聯(lián)測(cè)一次，以檢查基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

3.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

（1）土體深層水平位移（土體測(cè)斜）

土體深層水平位移監(jiān)測(cè)是對(duì)基坑開(kāi)挖階段圍護(hù)體系縱深方向的土體位移進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)掌握土體的變化方向與基坑變形的動(dòng)態(tài)信息。

測(cè)斜孔的布設(shè)方法：在土體內(nèi)部鉆孔打入高強(qiáng)P V C測(cè)斜管，管長(zhǎng)應(yīng)大于測(cè)斜深度。測(cè)斜管外徑為75 mm，管內(nèi)十字滑槽（用于下放測(cè)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(cè)斜管打入土體之后，立即加入黃沙并夯實(shí)，并做好測(cè)點(diǎn)保護(hù)工作，見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)斜孔布設(shè)

本次監(jiān)測(cè)共設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用固定式測(cè)斜儀進(jìn)行全天24 h不間斷觀測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)縱向每2.375m布設(shè)固定式測(cè)斜儀，總測(cè)深為28.125 m，監(jiān)測(cè)頻率為40 min。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)見(jiàn)圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

（2）支撐軸力

圍護(hù)墻外側(cè)的側(cè)向土壓力由圍護(hù)墻及支撐體系所承擔(dān)，當(dāng)實(shí)際支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應(yīng)能承擔(dān)的軸力（設(shè)計(jì)值）不一致時(shí)，將可能引起支撐體系失穩(wěn)。為了監(jiān)控基坑施工期間支撐的內(nèi)力狀態(tài)，需設(shè)置支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法：

a.混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝在混凝土支撐中，采用鋼筋應(yīng)力計(jì)進(jìn)行混凝土支撐軸力測(cè)量。將鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝在鋼筋構(gòu)架的上、下、左、右四個(gè)角點(diǎn)的主筋上，每組安裝4只鋼筋應(yīng)力計(jì)，與支撐方向平行，見(jiàn)圖3。可采用焊接方式安裝，焊接長(zhǎng)度大于10倍的鋼筋直徑（200 mm）。焊接平整、充實(shí)。焊接時(shí)要用濕麻布片或濕毛巾等包裹鋼筋應(yīng)力計(jì)并隨時(shí)澆以冷水降低溫度，以保護(hù)傳感器不受損壞。

圖3 鋼筋應(yīng)力計(jì)布設(shè)

b.鋼管支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝在鋼支撐中，采用表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行鋼支撐的軸力測(cè)量。將表面應(yīng)變計(jì)分別焊接在鋼支撐截面的兩側(cè)，與支撐方向平行，焊接時(shí)平整、充實(shí)，固定應(yīng)變計(jì)時(shí)與結(jié)構(gòu)無(wú)扭動(dòng)間隙，見(jiàn)圖4。

圖4 表面應(yīng)變計(jì)布設(shè)

本次軸力監(jiān)測(cè)第一層混凝土支撐采用鋼筋計(jì)，其余三層鋼支撐采用表面應(yīng)變計(jì)，對(duì)支撐軸力進(jìn)行全天24 h不間斷觀測(cè)，每一層支撐的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為4點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻率為35 min。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)見(jiàn)圖5～圖 8。

圖5 第一道混凝土支撐軸力點(diǎn)位布置圖

圖6 第二道鋼支撐支撐軸力點(diǎn)位布置圖

圖7 第三道鋼支撐支撐軸力點(diǎn)位布置圖

圖8 第四道鋼支撐支撐軸力點(diǎn)位布置圖

（3）地表與周邊建（構(gòu)）筑物三維位移監(jiān)測(cè)

a.地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)（見(jiàn)圖9）

首先在地面開(kāi)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(yīng)進(jìn)入到路面下的路床上10 cm，并與路面分離），然后在標(biāo)志鋼筋周圍填入細(xì)砂夯實(shí)，為了防止由于路面沉降帶到測(cè)點(diǎn)沉降影響監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)；

在打入的鋼筋上嵌套微型棱鏡，微型棱鏡中心應(yīng)高于地面5 mm正對(duì)監(jiān)測(cè)儀器方向并用保護(hù)罩加以保護(hù)，以防止路過(guò)車輛或行人碰撞或破壞；

在其基坑周圍布設(shè)地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)從基坑圍護(hù)外側(cè)起算約1～3 m。

b.周邊建（構(gòu)）筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)（見(jiàn)圖10）

建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在建筑物的角點(diǎn)、中點(diǎn)、大轉(zhuǎn)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(gòu)）筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

高低層建筑物、新舊建筑物等交接處的兩側(cè)；

圓形、多邊形的建（構(gòu)）筑物宜沿縱橫軸線對(duì)稱布置。

本次監(jiān)測(cè)采用帶伺服馬達(dá)的全站儀進(jìn)行24 h不間斷觀測(cè)，共布設(shè)地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)10點(diǎn)，周邊建（構(gòu)）筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)8點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻率為13 min。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)見(jiàn)圖11。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)

3.2.3 儀器的布設(shè)

a.全站儀的布設(shè)（見(jiàn)圖12）

澆筑全站儀基礎(chǔ)應(yīng)先制作帶螺桿的鋼筋籠，螺桿共8根，裸露長(zhǎng)度約100 mm，分布間隔200 mm，澆筑長(zhǎng)度大于400 mm，應(yīng)與鋼筋籠焊接為一體；

立桿底部法蘭盤與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接；

全站儀架設(shè)于立桿頂部，在室外架設(shè)保護(hù)箱進(jìn)行儀器的防塵防水保護(hù)。

b.自動(dòng)化測(cè)斜的布設(shè)（見(jiàn)圖13）

利用桿件將測(cè)斜儀相連或利用機(jī)械手段驅(qū)動(dòng)測(cè)斜儀，將測(cè)斜儀下入測(cè)斜孔中；

設(shè)備箱放置在對(duì)應(yīng)測(cè)斜孔旁。

3.3 監(jiān)測(cè)技術(shù)方法及設(shè)備

本次基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要儀器如全站儀、固定式測(cè)斜儀、鋼筋計(jì)、表面應(yīng)變計(jì)等均選用進(jìn)口型號(hào)，見(jiàn)表4。

圖12 全站儀布設(shè)

圖13 自動(dòng)化斜測(cè)布設(shè)

表4 本項(xiàng)目擬使用的主要儀器、設(shè)備一覽表

3.3.1 水平、豎向位移監(jiān)測(cè)

利用極坐標(biāo)、三角高程法進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平豎向位移監(jiān)測(cè)，后視基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)過(guò)后方交會(huì)修正測(cè)站坐標(biāo)，通過(guò)溫度補(bǔ)償修正測(cè)距精度，監(jiān)測(cè)時(shí)采用雙盤位消除軸系誤差。歷史豎向位移是以首次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的相對(duì)位移。

某監(jiān)測(cè)點(diǎn)本次測(cè)量值減前次測(cè)量值的差值為本次偏差值，本次測(cè)量值減初始測(cè)量值為累計(jì)偏差值。

儀器：S O KK I A N E T05AX II；

測(cè)距精度：0.8 mm+1 pp m；

測(cè)角精度：0.5″。

3.3.2 土體測(cè)斜

測(cè)斜孔自下而上布設(shè)傳感器測(cè)定該點(diǎn)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(wàn)向節(jié)保證可活動(dòng)），每個(gè)測(cè)斜管每測(cè)點(diǎn)的初始值為首次測(cè)量所獲得的數(shù)據(jù)。施工過(guò)程中的日常監(jiān)測(cè)值與初始值的差為其累計(jì)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(cè)斜儀B G K-6150；

精度：±0.1%F S；

測(cè)斜計(jì)算公式：

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

3.3.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)

傳感器埋設(shè)前需檢查其無(wú)受力狀態(tài)時(shí)頻率f0，當(dāng)其與出廠標(biāo)定頻率f0在誤差范圍內(nèi)時(shí)方可采用。應(yīng)在使用前分兩次測(cè)定初始讀數(shù)，取平均值為其初始值。日常監(jiān)測(cè)值與初始值的差值為其累計(jì)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(jì))/V W S-10F(表面應(yīng)變計(jì))；

精度：±0.1%F S；

鋼筋混凝土支撐軸力計(jì)算公式：

式中：Pi為單個(gè)鋼筋計(jì)所測(cè)算求得的應(yīng)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(jì)算公式：

式中：K為表面應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)；M為測(cè)得的頻率模量；M0為初始頻率模量；b為溫度改正系數(shù)；α為鋼的熱膨脹系數(shù)；T為測(cè)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(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及分析

3.4.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采用實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過(guò)瀏覽器在云平臺(tái)中實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，平臺(tái)界面見(jiàn)圖14。

圖14 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)界面

3.4.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面顯示當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)下監(jiān)測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：

（1）土體內(nèi)部位移

內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)界面顯示最近7 d的測(cè)斜變化曲線，可單擊左邊的圖例進(jìn)行某一天曲線的單獨(dú)查看，見(jiàn)圖15。

圖15 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面顯示

（2）支撐軸力

支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)界面顯示最近一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，第一層支撐為鋼筋混凝土支撐，每一個(gè)監(jiān)測(cè)截面由4個(gè)傳感器構(gòu)成，圖表中下面4個(gè)表示每個(gè)傳感器的應(yīng)力監(jiān)測(cè)值，最上邊的數(shù)值表示該支撐當(dāng)前的軸力監(jiān)測(cè)值，見(jiàn)圖16。

圖16 支撐軸力

（3）三維位移

三維位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)的實(shí)時(shí)界面顯示的為上月平均數(shù)據(jù)、上周平均數(shù)據(jù)、前天平均數(shù)據(jù)、昨天平均數(shù)據(jù)、當(dāng)前最新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，見(jiàn)圖17。

圖17 三維位移

3.4.3 對(duì)比分析

本工程在深基坑施工過(guò)程中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和對(duì)比，共出現(xiàn)過(guò)兩次報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)，一是地面沉降、二是土體內(nèi)部位移。出現(xiàn)報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)后現(xiàn)場(chǎng)立即停工，組織設(shè)計(jì)及施工單位技術(shù)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(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，降低了工程的監(jiān)測(cè)成本，在監(jiān)測(cè)頻率上達(dá)到了人工監(jiān)測(cè)所不能實(shí)現(xiàn)的采集數(shù)據(jù)頻率，并且24 h不間斷采集，發(fā)生異常情況第一時(shí)間報(bào)警，高效、準(zhǔn)確。本工程中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)效果非常好。

4 結(jié)語(yǔ)

在深基坑施工過(guò)程中運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，尤其是安全等級(jí)高、環(huán)境等級(jí)高的深基坑工程，全面監(jiān)控施工過(guò)程中基坑、周邊建（構(gòu)）筑物及周邊環(huán)境的變化情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、24 h不間斷采集、自動(dòng)對(duì)比預(yù)警，使施工現(xiàn)場(chǎng)能隨時(shí)了解變形情況，以便及時(shí)采取有關(guān)措施，調(diào)控施工步序與節(jié)奏，做到信息化施工，確保基坑施工順利進(jìn)行。