自動化監測在基坑施工中的應用

熊飛，牟谷一，袁彬彬

（中國建筑第二工程局有限公司）

1 引言

基坑開挖是建筑施工中一項重要的工程，涉及地質學、結構工程和巖土工程等多個學科。基坑開挖就是在建筑地面向下挖出空間進行基礎和地下建筑建設，是建筑工程中最常見的一種結構形式。建筑施工的第一道工序就是基坑開挖，基坑施工過程受到土壤、地質和水文以及施工環境和工藝等多個方面的影響，同時基坑開挖后還需要進行回填，屬于隱蔽工程，施工質量監測比較困難，基坑施工以及其安全性對整個建筑物至關重要，因此必須進行基坑質量檢測[1-4]。

2 基坑檢測的現狀

基坑開挖施工作業是一項高、大、危的工程，是受到國內外關注的安全工程之一。造成基坑坍塌的因素包括環境因素和人為因素，例如，地質勘察不到位、施工方案不合理、防滲水措施不完善、支撐維護不科學等都可能造成基坑坍塌。基坑坍塌的形式也很多，坑底隆起變形、滲水、基坑整體和圍護體系失穩都會導致基坑的結構受到破壞，引發基坑坍塌。

由此可見，基坑開挖過程中任一環節的失誤都會影響基坑的安全，基坑施工的復雜性也決定了基坑檢測的必要性。現階段，工程項目中一般采用第三方機構進行基坑檢測，檢測多采用人工現場觀察和測量為主，主要對結構內力和結構位移進行檢測，通過對上述一些參數進行分析和計算，可以判斷出基坑局部或者整體失穩的概率，以及構件的安全度。然而，這種基坑檢測方案還有一些缺點。

1）空間限制

由于基坑施工作業面積有限，人工檢測時受制于設備及人員占據較大空間，無法找到合適的檢測點，需要不停地改變方位或者角度，甚至變換方案進行檢測。因此，除了增大誤差以外，還會造成復雜作業環境下的安全隱患。

2）時間限制

基坑開挖作為一項重大危險工程，其作業量和難度都較大，需要晝夜不間斷施工。此外，檢測人員全過程進行測量觀察難于集中精力，特別是光線較差的夜間施工，會造成檢測人員的主觀誤差。

3）對象限制

人工現場檢測主要是人工觀察和測量，及時發現周邊環境危險情況或者潛在的隱患等，這些現象往往滯后于施工進度，當發生肉眼可見的異常情況時已經為時已晚。

4）數據限制

現場人工檢測往往是多組人員分工行動，并在檢測結束后對數據進行匯總分析，檢測結果滯后于施工進度，無法第一時間計算和分析出現場存在的隱患和及時做出響應。

3 自動化監測概述

現代基坑監測采用自動化手段，基于物聯網、5G通信和大數據等技術的自動化監測系統，通過在基坑作業現場安裝傳感器等，并將傳感器現場采集到的數據回傳至計算中心，檢測技術人員可以通過計算機后臺操作實現對基坑作業過程中基坑結構和受力情況的實時監測和判斷。相比傳統人工檢測，自動化監測系統降低了人工勞動量，同時保證了檢測人員的安全和檢測數據的精確。自動化監測系統對基坑進行不間斷地數據采集和分析，排除了傳統檢測方法受制于時間和空間的限制，使檢測數據精準，能夠及時發現基坑安全隱患和破壞趨勢，便于及時執行相應對策。

4 基坑自動化監測實例

某工程建筑面積為1.4萬㎡，基坑寬為141m，開挖長度163m，平均開挖深度12m。本工程所需開挖的基坑地理位置比較特殊，施工道路通行條件較差，基坑開挖大而深，地下水量較大，導致施工工藝多、難度大、周期長、質量要求高。因此，該基坑開挖工程安全防范措施和施工檢測至關重要。結合項目實際情況，本基坑施工采用自動化監測系統進行施工檢測，主要監測基坑開挖過程中支撐軸力、擋墻應力、錨桿內力、土方的水平位移和縱向位移、地下水位和空隙水壓力等數值的變化。本項目基坑監測中最重要的是對支撐軸力和土方位移進行監測，采用軸力計對支撐軸力進行監測，按照施工方案安裝在最不利支撐的位置，共計38支；采用位移計監測土體位移，按照開挖深度平均布置四層裝置，且每層分別在長、寬方向平均布置12支和10支位移計。

自動監測系統采用物聯網技術和云處理技術相結合的知物云系統，通過現場各傳感器進行數據采集，并經由專網傳遞到后臺處理中心，進行數據分析和比對、異常告警、數據預測和生成報表等操作，實時在線監測基坑開挖全過程并提供安全保障。監測系統部分監測結果如圖1和圖2所示。根據圖示監測數據顯示，同一平面內，兩個數據監測點隨著開挖向下深度變大，其水平面方向的位移逐漸增大，監測數據變化趨勢與施工進度一致且數據符合相關標準規范。

圖1 基坑X向位移曲線

圖2 基坑Y向位移曲線

圖3是同一高度兩個錨桿軸力的數據。隨著施工開挖的不斷深入，軸力監測數據也在不斷變化，且變化趨勢符合現場施工進度。

圖3 基坑部分錨桿軸力曲線

通過對監測裝置采集數據分析，可以得出自動監測裝置的數據具有實時性和不間斷性，實現了對基坑開挖的全過程監測，確保監測數據精確可靠。除了極端數值外，后臺分析系統可以對監測系統通過對監測數據的分析和比對，及時預測現場結構的變化趨勢，對于突發情況和異常及時預警，告別人工檢測的滯后性。

5 結語

本文通過對建筑工程的基坑開挖施工現狀進行論述，并提出優于人工檢測方法的自動化監測系統，并結合某施工環境復雜、空間受限、周期長的基坑開挖項目，通過采用自動化在線監測系統，避免了人工監測作業面臨的各種限制，確保了基坑復雜環境中檢測人員的人身安全。自動化監測系統擺脫了基坑作業時間和空間的各種限制，可以實現對基坑施工的全過程監測。通過對不間斷采集的數據進行分析和研究，可以預測基坑結構的變化趨勢，及時發現并消除施工過程中可能發生的隱患，降低施工事故發生概率。現場采集的數據可以用來對結構設計或者下一步施工進行檢驗或指導，為以后項目設計提供借鑒。同時，自動化監測系統也存在很多弊端，自動化監測系統的計算優勢取決于現場傳感器設備，因此對現場傳感器設備安裝的精度和穩定要求較高。自動化監測系統對現場的不間斷實時在線監測采集的數據量較大，目前仍然采用極值法進行數據分析，大量的數據無法發揮價值，且占據較大的系統運算和存儲空間。下一步將對自動化監測系統進行進一步的優化更新，以期更好地發揮其在基坑監測中的作用。