自動化監測技術在地鐵深基坑中的應用

林翔宇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-2187

摘? 要：基坑監測技術是隨著深基坑工程的發展而不斷完善的。由于地下土體性質、荷載條件、施工環境的復雜性，對在施工過程中引發的土體性狀、環境、鄰近建筑物、地下設施的變化進行監測已成為工程建設必不可少的重要環節。對于風險大、安全性要求高的深大基坑采用傳統的監測模式不能滿足現階段的要求。自動化監測技術具有實時監測、自動化性能高和復雜環境下安全保障的特點。隨著信息化技術的提高，建立自動采集、數據實時分發及數據查詢統計分析平臺，實現無人化現場監測是一種趨勢。

關鍵詞：自動監測技術? 深基坑? 地鐵? 應用

中圖分類號：U231.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2021）05（a）-0014-03

Application of Automatic Monitoring Technology in Deep Foundation Pit of Subway

LIN Xiangyu

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Shanghai， 200092? China）

Abstract： With the development of deep foundation pit engineering， foundation pit monitoring technology is constantly improved. Due to the complexity of underground soil properties， load conditions and construction environment， monitoring the changes of soil properties， environment， adjacent buildings and underground facilities caused by the construction process has become an essential part of engineering construction. For the deep foundation pit with high risk and high safety requirements， the traditional monitoring mode can not meet the requirements at this stage. Automatic monitoring technology has the characteristics of real-time monitoring， high automation performance and security in complex environment. With the improvement of information technology， it is a trend to establish automatic collection， data real-time distribution and data query statistical analysis platform to realize unmanned on-site monitoring.

Key Words： Automatic monitoring technology; Deep foundation pit; Metro; Application

當前對于風險大、安全性要求高的深大基坑采用傳統的監測模式已不能滿足現階段的要求。自動化監測技術具有實時監測、自動化性能高和復雜環境下安全保障的特點[1]。尤其是在城市軌道交通建設中，遇到基坑開挖深度大、周邊建筑物多、市政道路交叉和壓力管線密集的情況下，采用自動化監測技術能為基坑監測實時開展提供有力的保障。

1? 自動化監測系統

自動化監測系統由傳感器、數據采集系統、通訊系統和數據處理系統等組成。根據基坑工程本體自動化監測項目需要，傳感器有自動水位計、孔隙水壓力自動化監測計、土體分層沉降計等自動化觀測技術，及時掌握關鍵水位及孔隙水壓力變化;自動化墻體或土體深層水平位移、支撐軸力自動化采集儀，實時反映基坑開挖過程中土體的變化;靜力水準儀、隧道自動化收斂、全站儀自動化水平位移，是針對隧道結構變化的實時監測[2]。

在自動化監測技術發展過程中，各種自動化監測設備蜂擁涌入市場。為遵循“實用、可靠、先進、經濟”的原則，根據監測等級和監控對象的特點，在本次應用中，采用了自動化墻體或土體深層水平位移、孔隙水壓力自動化監測計和靜力水準儀技術進行分析。

1.1 建筑物靜力水準儀自動化

自動沉降監控采用靜力水準儀，數據解調器將靜力水準儀收集的沉降更改讀取到計算機中，以進行計算、處理和傳輸。根據連接管道的原理，儀器通過傳感器測量每個測量點相對于儀器參考點的監測儀器中容器液位的變化，然后計算相對于基準的每個點的變化[3]。

靜力水準測量系統主要由主容器、連接管、傳感器等部分組成。當儀器主體的安裝點的高度改變時，主容器中的液位改變與每個容器中的液位由精密傳感器測量。傳感器上有自由懸掛的重物。一旦液位變化，傳感器就會檢測到懸吊重物的懸浮力。

1.2 墻體或土體深層水平位移自動化

地下連續墻上部環梁施工完成后，在固定的土墻斜孔中放置固定的測斜儀，并將傳感器電纜連接至無線測量模塊，以通過GPRS通信模塊實現遠程自動監控。

整個系統包含安裝在測斜管中的多個固定測斜傳感器，測斜管為地下測量提供了入口[4]，測斜儀內部的導向槽控制傳感器的方向。測斜管安裝在垂直井中，該井穿過地下可能發生位移的區域。一組導向槽需要在預期的行進方向上對齊，傳感器安裝在測斜管上并橫穿位移活動區域。當土壤移位時，測斜儀管將移位，從而導致安裝在管中的傳感器傾斜。位移計算原理與常規深水平位移測試（測斜儀）相同。

1.3 孔隙水壓力自動化

將孔隙水壓力計前端的透水石和開孔鋼管卸下，放入盛水容器中熱泡，以快速排除透水石中的氣泡，然后浸泡透水石至飽和，安裝前透水石應始終浸泡在水中，嚴禁與空氣接觸。

通過在觀測孔內安裝振弦式滲壓計來測讀，同樣將滲壓計導線接入無線自動化數據采集單元，通過GPRS通信模塊實現遠程監控。

使用過程中，水壓力導致膜的變形而使弦的張緊度和共振頻率發生改變，數據采集器可以精確測量弦的共振頻率并且以周期或線性讀數顯示，最后通過采用滲壓計的壓力計算公式便可以計算得出結果。

自動化監測數據采集頻率及發布是自動化系統的重要組成部分。自動化監測數據可以實時進行監測，自動化監測項目原始數據采集頻率不低于10min/次，自動化監測的計算結果信息定時發布，基坑開挖期間發布頻率不低于2h/次;自動化監測實施過程中，進行標準化的定期校驗、人工比測，因自動化監測系統故障出現數據錯誤時立即進行故障排除、數據校正，保證監測數據采集的準確性和數據結果發布的可靠性。

2? 項目實施

該項目為地鐵工程中間站，車站沿道路南北走向，跨現狀路口設置，與已通車的地鐵站“十”字換乘，為地下二層島式車站，站后設單渡線。

本站內凈尺寸為350m×20.06m，站臺寬度13.06m，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層。車站基坑開挖深度約為14.5～17.6m，頂板覆土厚約2.5m，本工程基坑采用半逆作頂板蓋挖法施工，基坑圍護結構均采用0.8m厚地下連續墻，標準段豎向設置四道支撐（1道鋼筋砼支撐+3道鋼支撐），工作井豎向設置五道支撐（1道鋼筋砼支撐+4道鋼支撐）。

根據地質調查報告，該地區是典型的軟土地區。厚厚的軟粘土層通常沉降在土壤下面。它具有高含水量、大空隙率、低強度、高可壓縮性和其他不利的工程特性，且具有低滲透性、觸變性和流變性的特征[5]。工程竣工后，軟土引起的施工后沉降通常較大，對工程的安全運行影響很大。同時，在高載荷和振動的長期作用下，軟土的觸變性傾向于降低其強度，從而進一步降低其強度，增加結構的變形。

2.1 自動化監測點布置

基坑工程自動化監測點布置要能反映監測對象的實際狀態及其變化趨勢，監測點應布置在變形、應力等的關鍵特征點上，并滿足監控要求，且需放置在不受影響或容易保護的位置[6]。

對于監測等級為一級的基坑，圍護墻側向變形孔2～3幅地墻布設1孔（地下3層及以上車站每2幅布設1孔，地下2層車站每3幅地墻布設1孔）。測孔沿長邊對稱布設并與圍護墻頂變形監測點相對應，每側邊至少有1孔，并確保存活，如不能存活，則在對應位置補設土體測斜孔。為確保實際存活的測斜孔密度，車站主體基坑圍護墻體深層水平位移監測點每2幅地墻布設一孔，其中1孔備用。圍護墻體深層水平位移監測孔布設在每幅地墻中部，避開地墻接頭處布設（如圖1所示）;基坑陽角部位及其他代表性部位的樁（墻）體布設監測點。

2.2 自動化監測數據采集

采用固定式測斜儀，在現場布設好的樁體或者土體測斜孔中進行放置一串與測斜管等深的固定式測斜儀（1m布設一根），在測斜孔外部放置一個數據采集盒，利用內置的物聯網模塊實時上傳測斜數據。監測云平臺可以實時接收測斜數據，真正做到測斜數據的實時上傳。上傳過程不需要人工干預。

孔隙水壓力計現場布設監測元件的方法和傳統監測布設一致，布設完畢之后，在相應軸力斷面位置，放置一個振弦式頻率采集箱，實時采集軸力元件的頻率值和溫度值。數據通過壓力計采集箱中的物聯網發射模塊，直接將壓力計原始數據（頻率+溫度）實時發送至監測云平臺。不需要人為測量和干預。

數據上傳平臺后，監測云平臺會根據壓力監測點所使用的監測元件實時計算和存儲相應的水壓力值（如圖2所示）。

沉降監測傳感器所采集的沉降變化量通過無線網絡傳輸到指定IP計算機，通過配套軟件進行數據傳輸存儲管理及計算處理。

3? 自動化監測與人工監測數據比較

目前市場上的監測設備品種多樣，其中以固定式測斜尤為突出。為了檢驗自動化監測成果的精度和可靠性，在自動化監測數據采集的同一時間、同一地點，在同一幅地墻上布置2個測斜孔，使用傳統測斜儀在自動化監測點旁的人工監測點進行數據采集工作，每周人工采集一次數據。將各深度位置處傳感器水平位移量自動化監測成果與人工監測成果進行對比。人工監測采用滑動式測斜儀，只采用一根測斜探頭。探頭的輪距為0.5m，每次提拉監測的間距為0.5m。而自動化監測是采用固定式測斜探頭，通過一連串探頭相連的方式，每米設置一個傳感器。

自動監測結果與人工監視的結果基本一致。對每個深度的水平位移進行自動監測，并進行累計校正，得到的變形過程線與人工監測結果的趨勢相吻合。監測結果實際上可以反映出基孔壁在水平方向上的變形。

4? 結語

（1）自動化監測24h實時監測，無需人員多次進入施工現場，尤其在地鐵基坑監測中有效做到防災減災。

（2）在基坑出現風險時，自動化監測也可連續穩定的進行監測，從而確定合理的搶險方案，這對消除基坑險情有著非常積極的作用。

（3）自動化監測技術具有高精度、高靈敏度等特點，結合數據自動化采集與傳輸技術構成的自動化監測系統，能夠克服傳統監測工作效率低下等問題，實現數據的實時采集。

（4）輔助施工管理，非監測專業人員同樣可以看懂基坑變形情況。

（5）結合已有的基坑圍護結構的變形歷史判斷未來一段時間的變形趨勢，對危險位置提前預警重點監測，有利于施工管理人員和業主方的工程施組決策。

（6）對于城市地鐵深基坑部分采用自動化監測技術，雖投入成本比傳統監測高，從安全和效率方面是可行的。

參考文獻

[1] 張乾坤.濱海區軌道交通深基坑健康自動化監測技術應用研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2020.

[2] 周健寶.基于反饋閉環技術的深大基坑自動化監測及預警[D].合肥：合肥工業大學，2020.

[3] 范思廣.城市地鐵車站基坑施工安全自動化監測與變形控制研究[D].青島：青島理工大學，2018.

[4] 王宇，王鵬，李銘，等.自動化監測系統在深基坑監測中的可靠性分析[J].測繪與空間地理信息，2019，42（3）：222-224.

[5] 趙塵衍，劉全海，謝友鵬，等.自動化監測技術在地鐵基坑工程監測中的應用[J].城市勘測，2019（1）：196-200.

[6] 張鳴宇，王紹君.基坑變形監測的自動化建設[J].測繪技術裝備，2015，17（3）：55-57.