基坑監測技術研究綜述

李明亮 孫陽陽

（中原工學院建筑工程學院，河南 鄭州 451100）

近年來，一些高度較低的建筑不能較好地滿足社會經濟的發展要求，故而大量的超高建筑快速出現。建筑的穩定性和其基坑有著重要關系，即基坑深度和建筑穩定性成正相關關系。在這種背景下，深基坑工程隨之變多，對于基坑的穩定性要求也越來越嚴格。除了高超的施工技藝，精度較高的監測儀器和較為先進的監測技術也是保證基坑安全不可或缺的。

基坑監測對于基坑工程施工不可或缺，其主要任務是：在基坑施工過程中對該基坑的土性、巖性、支護結構的位移量及坑周環境的變化進行監察和計算分析，得出結果后反饋給施工現場使其優化施工設計數據，以此保證基坑的穩定性。基坑監測項目主要分為位移監測、力監測、水位監測三部分，位移監測又分為水平位移監測、豎向位移監測、深層水平位移監測、傾斜監測、裂縫監測；力監測又分為支護結構的內力監測、各種土壓力監測、錨桿拉力監測、孔隙水壓力監測；水位監測主要為地下水位監測等。

本文概括了基坑監測技術的歷史研究成果，對基坑監測技術的發展進行了展望。

1 研究現狀

1.1 位移監測的研究現狀

2000 年，我國開始研究基坑位移監測技術，并且有機地將施加預應力的鋼支撐和監測技術相結合，形成了鋼支撐軸力自動伺服系統[1]。2004 年，江霞[2]等工程師提出水平位移監測，可使用精密經緯儀或全站儀獲取數據，由這兩種儀器衍生出的三種監測法分別為移位法、小角法，坐標法。2012 年，吳笑非[3]等在對圍護墻頂水平位移進行監測時，提出先采用測量儀器獲得相關數據，根據獲得的數據可以畫出位移曲線圖和測點位移變化速率曲線圖，根據曲線圖變化趨勢即可分析出支護結構的安全性。同樣，在對坑周土體豎向位移監測時，采用精密水準儀對測點進行多次量測，繪制縱向、橫向沉降曲線圖，根據圖形變化趨勢進行監測分析。2021 年，馬雪兵[4]等在處理大面積深基坑監測問題時提出使用測量機器人代替人工監測的新的基坑監測技術。他將新的智能監測技術分為三部分：感知層、網絡層、應用層。所謂感知層即使用智能監測機器人對基坑監測點進行自動監測；網絡層即對基坑監測數據進行采集、傳輸、分析及預警；應用層即基于現有的網絡技術將分析結果及預警信息通過APP 或PC 端提供給技術人員。

1.2 力監測的研究現狀

在對圍護墻體的內力（彎矩）進行監測時，可使用振弦式鋼筋測力計并將其與主要受力筋軸心焊接，通過頻率接收儀接受鋼筋受力后的自振頻率，然后分析主筋受力大小和變化趨勢[5]。李小平[6]等主要利用BIM 技術對基坑監測過程進行數據模擬以此來推算基坑的穩定性。在進行基坑監測前首先建立基坑的數字模型，包括其內力參數、錨桿參數、土體參數等，隨后利用3D 掃描儀、無人機、智能全站儀獲取基坑變形數據導入數據模型中，基于BIM 平臺達到變形數據的實時顯示并上傳云端。吳健[7]等以大厚度濕陷性黃土場地基坑監測為背景，提出了新的監測技術。在各個需要檢測板塊分別放置多個傳感器，如靜力傳感器、傾角傳感器等，通過TCP/IP 網絡將采集到的數據傳輸到處理終端進行分析，分析后將結果實時上傳。李桃源[8]等以太原火車站基坑監測項目為背景，提出以光纖光柵傳感原理為基礎的新的監測技術，其原理主要為：當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變等發生變化時，光柵的周期或折射率發生變化，導致其波長改變，通過其之間的線性關系得到目標結果量的變化趨勢。

1.3 水位監測的研究現狀

在對孔隙水壓力進行監測時可使用振弦式孔隙水壓力計或氣壓式孔隙水壓力計。在使用振弦式孔隙水壓力計時通過測定其頻率的變化量可換算出水壓力大小，在使用氣壓式孔隙水壓力計時可以直接讀取水壓力值的大小[9]。在對坑周地下水位進行監測時可使用電測水位儀進行水位度量，多次測得水位值后制作水位變化量成果表和曲線圖[10]。鄧智中[11]等在監測基坑水位和流量時使用孔壓及流量傳感器，并將python 代碼嵌入到微型電腦中，經過調試后置入基坑中進行監測工作，并通過手機端和電腦端將實時數據提供給用戶。在此監測系統中分為四個板塊：變壓板塊（主要用于給設備提供電源）、傳感器板塊（主要用于感知基坑流量大小和基坑水位）、控制板塊（由微型電腦、信號轉接口、信號轉化器組成）、網絡模塊（由物聯網卡提供數據網絡，由阿里云提供云端平臺，以此提供手機端和PC 端的數據實時顯示功能）。

綜上，現階段的監測儀器半智能化和智能化共存。如鄧智中團隊提出的微型電腦雖屬于智能化范疇，但是其儀器中有變壓裝置仍然受到電力情況的限制。在監測過程中很容易因為擠壓對檢測設備的供電系統造成破壞進而影響監測數據的時效性。相比之下，馬雪兵團隊提出的智能機器人可以做到自行收集數據、處理數據、傳輸數據并發布預警信息，可以說較為智能化。

2 研究評價與展望

2.1 研究特點

在監測技術方面，大家都趨向于智能化研究。李小平等人基于BIM 平臺建立基坑的數據模型，利用現有的儀器獲取數據導入模型中，在BIM 中進行模擬實驗，可以達到實時監測、數據準確的特點。吳健等人主要使用傳感器技術應用于基坑監測中，在不同測量數據板塊中使用不同的傳感器設備獲取數據，利用網絡進行數據共享。李桃源等人利用光纖光柵傳感技術對基坑進行監測，利用光柵的周期或折射率變化進行放大基坑的變化。此技術利用光的折射原理可以較為靈敏及準確地感受到基坑變形數據變化。

在監測儀器方面，大家也趨向于使用智能化儀器。鄧智中團隊提出了使用嵌入代碼的微型電腦，其中微型電腦屬于其監測系統的一部分，也是最重要的部分。微型電腦主要負責信號的接收和轉換，以此獲取基坑變形數據。微型電腦由于其體積較小，可以放入監測點內，可以更好地感知測點水位和流量變化情況。馬雪兵等人提出了使用智能機器人代替人工監測技術。由于現階段基坑建設情況越來越復雜，很多基坑監測環境人類無法適應，使用監測智能監測機器人可以承擔環境復雜甚至是較危險的監測任務。此外，智能化機器人還能減少人工的監測失誤引起的數據錯誤，能更好地保證基坑安全。

2.2 研究不足之處

目前我國存在大量的基坑監測項目，有些項目已經在使用智能化監測技術，但是在監測過程中仍然存在許多不足。在我國，技術人員大多較重視監測點數據的采集和簡單分析，這樣產生的結果并不能很好地做到真實基坑安全預警工作。這些情況的出現和我國監測技術人員缺乏、監測儀器不夠智能化、監測人員人為失誤多是有極大關系的。

現階段我國基坑監測技術主要有三種：智能化監測技術、監測數據收集與處理技術、信息化監測技術。智能化監測技術[12]即在特定環境下能夠實現全天24 小時無人現場監測的新技術，這種技術可以做到節省人工，提高效率和準確度，保障監測人員安全等，可以說我國將來的監測技術發展方向即為智能化監測技術。監測數據的收集與處理技術[13]即較為人為化的一種監測技術。現階段的監測數據的收集與處理還需要大量的人工參與，盡管在數據收集過程中加入了智能化設備，但是仍然需要人工進行操作、計算、分析等，這種技術仍然不能解決傳統監測技術耗時費力、監測數據不夠準確的缺點。信息化監測技術[14]即將基坑數據提前導入某個平臺進行模擬，提前獲取基坑變化結果，提前告知施工人員并提交修改建議，可以做到對后續工程的實時監測。

通過研究發現，人們雖然都趨向于智能化監測研究，但是這種智能化并不是純粹的智能化。比如，李小平團隊在利用BIM 技術時還需要使用全站儀等儀器獲取基坑數據，在獲取數據時仍然需要人工參與。基坑數據對于基坑監測結果十分重要，能產生質的變化，人工測量數據很可能會出現測量失誤的情況。鄧智中團隊提出的微型電腦分為四個模塊，其中有用于提供電源地變壓模塊，而電源對于此技術是不可或缺的，也就是說電源是此技術的一個重要影響因素，監測過程受到電力的限制，其供電系統極容易因擠壓破壞而損毀，進而影響監測數據的時效性，對監測結果產生影響。

2.3 研究展望

基坑監測對于整個工程項目十分重要，智能化的基坑監測技術對于現在及今后的基坑監測工作更為重要[15]。我國現階段主要監測手段依然是人工監測。人工監測不僅費時費力而且測量數據會產生誤差。相比之下，智能化監測技術可以脫離人工，達到省時省力的效果。

除此之外，智能化監測可以較快速、靈敏、準確地獲取監測數據，可以有效消除人為誤差的缺點[16]。人工監測還受到環境變化的影響，而智能化監測技術可以做到全天24 小時不間斷監測，數據實時上傳，可以使技術人員做到發現問題即刻處理的效果。基坑監測技術有以下展望：

2.3.1 監測數據收集智能化

監測數據的收集工作是整個監測工作中最為重要的部分，數據的準確與否直接關系到基坑的安全與否[17]。現階段很多工程項目仍然使用大量的測量員進行人工測量，這會導致某個數據的不準確、不客觀，從而出現監測結果偏差。

在智能化研究方面，我們可以看到也有技術人員使用了較為智能化的技術去獲取數據，如微型電腦、智能機器人等，都在盡可能地減少人工參與。在測量數據時無人參與的發展方向是以后需要普及的，雖然完全的做到無人參與還需要很長的路要走，但是我們要共同努力。

2.3.2 監測數據分析智能化

監測數據的分析一般分為初步分析和綜合分析[18]。在初步分析時主要判斷數據的異常值，如數據的變化趨勢突然改變甚至逆轉、出現與已知原因量無關的變化速率、數據超過最值等；綜合分析時主要進行更加深入的分析，如根據監測數據的變化規律和趨勢預測未來時段的安全狀態，其方法主要有比較法、作圖法、特征值統計法[19]等。

在數據分析階段，較多工程繼續沿用人工操作電腦的方式進行趨勢分析、圖紙繪制等工作。其實，在未來數據分析階段可以與數據收集階段有機合并，共同組成智能化數據收集與處理技術[20]。由于監測數據量巨大，對數據的處理、分析要求較高，所以還需要加大引入大數據技術的力度，提高自動化監測的水平。