深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)研究

梁位鴻

(廣東建青工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引 言

在地下結(jié)構(gòu)施工期間，深基坑工程是一項(xiàng)危險(xiǎn)系數(shù)大、專業(yè)性強(qiáng)、系統(tǒng)性完整的工程[1]。目前施工現(xiàn)場的變形監(jiān)測仍較多采用人工監(jiān)測的方式，人力和時(shí)間成本耗費(fèi)量較大，也無法有效保障變形監(jiān)測的連續(xù)性，監(jiān)測效果較差。而采用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)向信息化、自動(dòng)化和數(shù)字化演變，也可以降低人工監(jiān)測的過程中常見的通視制約和環(huán)境因素制約的影響。

1 深基坑自動(dòng)化監(jiān)測研究現(xiàn)狀

當(dāng)前傳統(tǒng)的深基坑工程監(jiān)測以破壞變形為研究對(duì)象、以力學(xué)分析為研究方法，正在向以復(fù)雜問題為研究對(duì)象，以自動(dòng)化監(jiān)測、仿真模擬技術(shù)等為研究方法演變。

目前針對(duì)深基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)已有學(xué)者進(jìn)行了一定的研究工作。曹冬冬[2]進(jìn)行了多種深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測的技術(shù)分析，包括全站儀、3D激光掃描和光纖傳感技術(shù)，同時(shí)對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)闡述。許余亮[3]以上海市楊浦區(qū)松潘排水系統(tǒng)改造工程的泵站深基坑工程為例，介紹了自動(dòng)化監(jiān)測的目的和具體實(shí)施過程。

2 深基坑自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)

2.1 自動(dòng)化監(jiān)測優(yōu)勢(shì)

2.1.1 及時(shí)性

采用深基坑自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，當(dāng)基坑監(jiān)測過程中出現(xiàn)任何異常時(shí)，可以及時(shí)有效地反饋到一線施工人員和管理人員，以便能夠及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行補(bǔ)救。

2.1.2 連續(xù)性

相對(duì)于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測需要換班交接，甚至可能出現(xiàn)監(jiān)測中斷等問題，自動(dòng)化監(jiān)測可以保證24 h不間斷的系統(tǒng)性全方位的監(jiān)測，不受降雨降雪天氣影響，在極端的天氣情況下也可以進(jìn)行監(jiān)測。

2.1.3 準(zhǔn)確性

采用的監(jiān)測儀器精度高并且性能可靠，自動(dòng)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且生成表格，以曲線報(bào)表的形式展示監(jiān)測結(jié)果，可以大大減少人工，提升工作效率。另外，傳感器可以直接感知巖石、土體和結(jié)構(gòu)的變形動(dòng)態(tài)，數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。

2.1.4 延展性

自動(dòng)化監(jiān)測體系中主要針對(duì)基坑的變形等，還可以延伸接入雨量計(jì)和壓力計(jì)等其他方面的監(jiān)測任務(wù)，對(duì)深基坑工程進(jìn)行全方位無死角的立體監(jiān)測。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測對(duì)象

結(jié)合工程自身特點(diǎn)，根據(jù)基坑的安全等級(jí)和環(huán)境等級(jí)對(duì)以下對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測：

(1) 工程支護(hù)結(jié)構(gòu)，包括圍護(hù)樁和各類支撐體系。

(2) 周圍巖土體，包括巖土體、地表沉降、深層水平位移和地下水位。

(3) 周邊環(huán)境，包括建筑物、構(gòu)筑物和管線工程等差異性沉降及傾斜。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目和設(shè)備

深基坑工程中針對(duì)的監(jiān)測項(xiàng)目和運(yùn)用的監(jiān)測設(shè)備具體見表1。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目與設(shè)備

2.4 自動(dòng)化監(jiān)測流程

2.4.1 數(shù)據(jù)收集

利用數(shù)據(jù)傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，并利用無線電信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)收集器，使用計(jì)算機(jī)分析處理收到的初始數(shù)據(jù)，并且在收集、處理過程中建立層級(jí)。

2.4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理與傳輸

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)處理工作，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再利用網(wǎng)絡(luò)將其傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理工作。

2.4.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理工作體積量巨大，主要由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)完成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接收到各層級(jí)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，并控制整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，依據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)和更新。

2.4.4 結(jié)構(gòu)安全評(píng)定

安全評(píng)定系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的最終結(jié)果進(jìn)行全面分析對(duì)比，綜合性地評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)安全評(píng)定報(bào)告。

2.5 自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)分析

2.5.1 全站儀監(jiān)測技術(shù)

目前在深基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測領(lǐng)域，自動(dòng)全站儀監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。全站儀可以自行定時(shí)以及動(dòng)態(tài)瞄準(zhǔn)被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)、角度和距離。數(shù)據(jù)采集完成后，全站儀還可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理，保證施工安全。

2.5.2 3D激光掃描監(jiān)測技術(shù)

3D激光掃描是利用高速激光掃描測量被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，測量的精度和效率都比傳統(tǒng)的測量技術(shù)提高很多。另外，相對(duì)于全站儀監(jiān)測技術(shù)，3D激光掃描無須使用反射棱角，屬于非接觸性監(jiān)測技術(shù)，能更好地適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境，在深基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測中被越來越廣泛地應(yīng)用。

2.5.3 光纖傳感監(jiān)測技術(shù)

光纖傳感技術(shù)具有較高的自動(dòng)化水平，并且能夠?qū)ΡO(jiān)測目標(biāo)實(shí)現(xiàn)全天候動(dòng)態(tài)監(jiān)測，適應(yīng)范圍較廣，可以測定內(nèi)外土體應(yīng)力應(yīng)變、位移變形情況及地下水位等參數(shù)，還可以將監(jiān)測信息建成立體模型，進(jìn)行可視化處理，有利于監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，從而保證深基坑工程的施工質(zhì)量及安全。

3 基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)及設(shè)備的布設(shè)

3.1 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

自動(dòng)化監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)一般應(yīng)為3個(gè)，如圖1所示，設(shè)置在深基坑的邊坡中不受變形影響的位置。作為整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，位置的準(zhǔn)確性十分重要，因此，在施工的過程中需要定時(shí)復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)的位置是否有移動(dòng)的情況出現(xiàn)，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)采集儀如圖2所示。

圖1 基準(zhǔn)點(diǎn)

圖2 數(shù)據(jù)采集儀

3.2 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

針對(duì)不同類型的監(jiān)測點(diǎn)，按照施工圖紙和現(xiàn)場施工條件等資料，進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，確保能得到全方位的監(jiān)測資料，如圖1所示。在監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)時(shí)，需要掌握一定的布設(shè)要點(diǎn)。

圖3 測點(diǎn)標(biāo)示牌

3.2.1 坑頂位移、沉降監(jiān)測點(diǎn)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移、沉降觀測點(diǎn)埋設(shè)如圖4所示。該項(xiàng)目是基坑監(jiān)測的基本項(xiàng)目，它可以反映各個(gè)位置基坑支護(hù)的水平位移變形情況。在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部邊緣埋設(shè)水平位移及沉降一體化觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)采用L形小棱鏡及我院設(shè)計(jì)的L形小棱鏡支座，或采用沖擊鉆鉆孔置入法埋設(shè)。觀測點(diǎn)的埋設(shè)方法：首先采用鉆孔置入法埋設(shè)4根φ16 mm的螺紋鋼，然后用φ110 mm的PVC管將4根螺紋鋼罩住并澆注混凝土墩柱，再將L形小棱鏡用自膨脹螺絲固定，作為水平位移測點(diǎn)標(biāo)識(shí)。

圖4 水平位移及沉降變形監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)示意圖

3.2.2 支撐監(jiān)測點(diǎn)

對(duì)于混凝土支撐，采用振弦式鋼筋計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，在支撐綁扎鋼筋時(shí)，將主筋截?cái)啵摻钣?jì)與支撐主筋焊接，為了能夠真實(shí)反映出支撐桿件的受力狀況，鋼筋計(jì)與主筋最好采用對(duì)焊，如果沒有對(duì)焊條件，也可以用兩根短鋼筋?yuàn)A住接頭以通長焊縫正反兩面焊接(雙側(cè)綁焊)，每個(gè)斷面布設(shè)4個(gè)鋼筋計(jì)，并嚴(yán)格均勻分布鋼筋計(jì)，如圖5所示。鋼筋計(jì)和支撐的主筋焊接時(shí)應(yīng)采取包裹濕布或澆水降溫等措施，保證鋼筋計(jì)的溫度不高于90℃，否則會(huì)使鋼筋計(jì)內(nèi)部元件失靈，無法工作。本工程在兩道內(nèi)支撐上、下對(duì)稱位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，鋼筋計(jì)焊接完成后，導(dǎo)線要分股標(biāo)識(shí)清楚，并保護(hù)起來。

圖5 鋼筋混凝土支撐鋼筋計(jì)埋設(shè)示意圖

3.2.3 地下水位監(jiān)測點(diǎn)

將水位傳感器直接預(yù)埋至水位管內(nèi)，，如圖6所示。固定管口，將傳感器電纜線接線端連接低功耗振弦采集模塊，進(jìn)行地下水位數(shù)據(jù)采集，并可以將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至現(xiàn)場采集單元MCU，通過公共網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控平臺(tái)。本工程中，地下水位監(jiān)測全部實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測，同時(shí)預(yù)留電纜接口，可以進(jìn)行輔助人工監(jiān)測。

圖6 地下水位監(jiān)測

3.2.4 深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)

采用的固定式測斜儀，固定式測斜系統(tǒng)由若干測斜管、傾斜傳感器和數(shù)據(jù)采集器組成。測斜系統(tǒng)的實(shí)施，通常需要在待測區(qū)域鉆孔，然后把測斜管埋入孔中，如圖7所示，并保證測斜管的其中一對(duì)溝槽指向預(yù)期的變形方向，如朝向山體的下坡或者基坑開挖側(cè)。傾斜傳感器首尾按3 m的間隔相連，沿著測斜管的溝槽進(jìn)行安裝。當(dāng)待測區(qū)域發(fā)生形變時(shí)，測斜管也跟隨傾斜，并會(huì)帶動(dòng)其中的測斜傳感器。通過測斜傳感器的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集器獲取，并可將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 測斜管保護(hù)箱示意圖

3.3 基坑頂部位移、沉降工作站布設(shè)

在全站儀的安裝使用過程中，需要保持其底座的穩(wěn)定性。將立桿的底部法蘭盤緊密連接在基礎(chǔ)上，在立桿的頂部放置全站儀。另外，為了避免降雨降雪等環(huán)境影響，在全站儀外側(cè)設(shè)置玻璃保護(hù)箱，如圖8所示。

圖8 全站儀安裝監(jiān)測

4 結(jié)束語

伴隨著城市建設(shè)的腳步不斷向前推進(jìn)，深基坑工程不斷增多，針對(duì)深基坑工程安全監(jiān)測的重要性逐漸顯現(xiàn)。自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)相對(duì)人工監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠提高整個(gè)深基坑工程施工過程的效率，有效消除安全隱患，對(duì)深基坑工程的施工全過程提供動(dòng)態(tài)信息化管理，對(duì)于施工技術(shù)的提升具有重要意義，保障工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。