某船閘基坑自動化監測技術可靠性分析*

陳明杰

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎工程環保與安全重點實驗室，廣東 廣州 510230)

隨著城市化進程的推進，各種超高層建筑如雨后春筍，無論是出于使用目的(如停車和人防工程)，還是考慮受力情況(如傾覆和地基土承載力)，建筑物在施工初期基本上都離不開基坑，因此基坑監測愈加普遍，也越來越重要。《建筑基坑工程監測技術標準》[1]列出基坑應加密監測的若干情形，如監測數據報警、基坑及周邊大量積水、長時間連續降雨、監測速率加快、支護結構開裂或其他異常等，當有危險事故預兆時，甚至要求實時跟蹤監測。按照傳統的人工監測不可能達到實時監測，且在惡劣天氣下，單純依靠傳統光學儀器很難完成現場監測工作。《高大模板支撐系統實時安全監測技術規范》[2]規定，為達到監測數據連續的目的，建議自動化測量設備監測頻率不低于2 次∕min。這也從另一個角度反映了連續實時對于采集頻率的要求，而這么高的采集頻率，人工監測無法滿足要求。因此，如何提高監測頻率，并保證在極端天氣下能順利實施是擺在監測人員面前亟待解決的難題。自動化監測的頻率可根據工程重要性、危險性隨時設置，最高頻率甚至達到1 Hz，完全滿足連續實時監測的頻率要求，而且自動化的實施節省了人工成本，長期效益顯著，同時對保障監測人員安全，保證更及時地反映施工信息，對項目實施者更快做出決策和判斷具有重大意義。

目前，自動化應用研究方向在基坑、鐵路[3]、地鐵車站[4]等方面，孫元帝等[5]對基坑自動化監測可靠性方面做了相關闡述，但仍停留在理論分析層面，論述較為籠統；《基坑工程自動化監測技術規范》[6]明確自動化監測必須進行比對測量，比對測量周期應視基坑支護結構安全等級和周邊環境風險等級情況確定，在基坑自動化監測過程中宜1～2 個月1 次，且給出各自動化監測項目具體對應的人工比對方法。《建筑基坑施工監測技術標準》[7]也明確自動化監測宜與人工監測進行對比，相互驗證，存在差異時進行原因分析。每一個監測工程均存在與其他工程不同的地方，比對的方法也不盡相同，針對特定工程，將自動化基坑監測與人工基坑監測對比分析，采用單因素方差分析方法，從監測結果上評價自動化監測的可靠性更加科學。

本文依托某船閘基坑監測工程，針對主體結構基坑邊坡進行自動化監測，并每月進行1 次人工監測比對，其中采用徠卡電子水準儀人工監測與靜力水準儀自動化監測進行比對，采用滑動式測斜儀人工監測與固定式測斜儀自動化監測進行比對。目前自動化基坑監測技術并不很成熟，各監測單位對其了解不深刻，且規范跟進較晚，本文的比對方法可為類似工程提供指導和參考。

1 測試原理

固定式測斜儀主要由伺服傾斜傳感器、金屬桿身、卡入測斜管凹槽的滑輪、用于固定式測斜儀相互之間連接的鋼絲繩、四芯屏蔽電纜等組成，使用雙絞屏蔽聚氨酯電纜線可提高固定測斜儀使用過程中的抗干擾、防雷擊的能力，保證監測數據采集的準確性和傳輸的及時性、安全性。安裝時多支固定式測斜儀通過鋼絲繩串聯吊掛在測斜管內，利用不同高程位置金屬桿身內部的傾斜傳感器，測出相應測斜管段的傾斜角，通過相應測斜管段長度與傾斜角正弦值的乘積換算水平位移量，再將水平位移自下而上進行累加，即可得到整根測斜管的變形，通過對比兩個不同時刻的不同形態可得到不同深度位置的變化量。固定式測斜儀應用范圍廣泛，在邊坡、基坑等工程多有使用，且易于回收再利用，有利于降低成本。其輸出為RS485 信號，經過參數設置或公式編輯可輸出水平位移量，利于自動化采集。采集系統可智能識別連接到采集儀的傳感器編號、對應參數等，數據采集后通過4G 卡發射信號，存儲在云端，登錄云平臺即可查看監測數據。該系統在基坑監測中的計算公式如下:

式中:Li為第i支測斜儀的代表標距(mm)，取第i-1 與第i支測斜儀間距的一半加上第i與第i＋1支測斜儀間距的一半，最頂部和最底部的測斜儀間距取全部；Fi為第i支測斜儀某一時刻的加速度測試信號，無量綱；a、b、c、d為第i支測斜儀的率定系數，無量綱；Sn為各測點的水平位移量(mm)，一般自下而上對每測段水平變形進行累加得到。

磁電式靜力水準系統由若干儲液容器組成，其互相連通，形成連通器。儲液容器利用磁致伸縮桿的磁致伸縮效應、感應儲液容器內浮球的上下變動確定液位高度變化。儲液容器用通氣管相連，整個系統氣壓相等，確保液位變化是由重力引起。使用時，其中一個儲液容器置于基準點，假設其高程測試過程中保持不變，其他儲液容器置于待測位置上，當液面穩定時，所有儲液容器的液面位于同一高程，通過液面變化量可求出待測位置上沉降變化量。影響液位變化的因素包括振動、儀器位置高程、氣壓、溫度、液體密度。由于靜力水準儀采用均質防凍液，依靠通液管相連。各靜力水準儀之間，頂部通過通氣管相連，內部氣壓相等且與外界氣壓隔絕，所有的靜力水準儀均在同一環境工作，一般認為氣壓、溫度、液體密度相等，只有振動、儀器位置高程是主要的影響因素。在應用過程中，測點埋設安裝均是在基坑邊坡成型后進行，施工振動忽略不計，可認為液面變化來自于儀器位置高程變化。本文使用的磁電式靜力水準儀量程為300 mm，精度為0.01 mm。系統輸出RS485(MODBUS)數字信號，采用自動化數據采集儀接入多支靜力水準儀，可實現基于物聯網的遠程數據采集，并通過4G 手機卡發送至云端，管理者可隨時隨地通過網絡查看監測數據。該系統在基坑監測中的計算過程為:為便于公式推導，在初始時刻，假設基準點位置的靜力水準儀的液面高度讀數為h0，液面刻度為0 的位置高程為H0，測點位置的靜力水準儀的液面高度讀數為hi，液面刻度為0 的位置高程為Hi；任意時刻，基準點位置的靜力水準儀的液面高度讀數為，液面刻度為0 的位置高程仍為H0，測點位置的靜力水準儀的液面高度讀數為，液面刻度為0 的位置高程為，則有如下等式:

由式(3)(4)可得:

式中:ΔHi為測點的下沉量，下沉時為正值，反之為負值；Δhi為測點的液面變化量；Δh0為基準點的液面變化量。式(6)表明，測點的沉降量與測點位置靜力水準儀液面變化量、基準點位置靜力水準儀液面變化量密切相關，為二者之差。

2 工程概況

某船閘工程基坑呈狹長形布置，基坑采用自然放坡的支護形式。由于主體結構施工工期長、地質情況復雜、汛期降雨量大、開挖深度大，基坑發生滑坡的風險較高。該邊坡較遠位置為棄土區，主體結構段開挖最大深度28.4 m，又逢汛期，危險性較大，采用一般的人工監測，頻率較低且極端天氣下一般的光學測量儀器誤差較大，測量實施難度大，測點基本位于基坑邊坡，測量人員測試過程中風險較大，難以保障極端條件下基坑邊坡的安全性，因此采用自動化監測并輔以人工監測對自動化監測結果進行復核。總共布設5 個沉降監測點和5 個深層水平位移監測點，根據現場情況，盡可能將二者布置在同一斷面，可互相驗證和校對，確由于客觀因素無法布置在同一斷面的，也盡可能使二者斷面靠近，報警值見表1，測點布置見圖1。

圖1 沉降、測斜監測點平面布置

表1 各監測點報警值

蜀山樞紐處以樁號J30＋000 為界，下游段(樁號J29＋530—J30＋000)為弱膨脹土段，上游段(樁號J30＋000—J32＋100)為中膨脹土段，典型地質地層分布見表2。

表2 典型斷面地層分布

3 監測結果分析

3.1 比對頻率及儀器

根據《基坑工程自動化監測技術規范》，比對測量在自動化監測過程中，宜1～2 個月1 次，豎向位移采用靜力水準儀進行監測的宜使用水準儀進行比對測量；深層水平位移采用固定式測斜儀進行監測的，宜使用滑動式測斜儀進行人工監測比對測量。

3.2 沉降結果分析

為方便數據統計和分析，數據的正負做統一規定，其中正值表示下沉，負值表示上升。自動化和人工監測沉降-時間曲線見圖2。可以看出，在監測的初期，人工監測結果相比自動化監測結果偏小，其中CJ5 點相差最大為2.17 mm，主要原因是該階段降雨較頻繁，光學儀器受天氣影響較大，也說明在極端天氣下，人工監測有自身的短板，已不適用于該狀態下的基坑監測；監測中期，二者結果緩慢趨近，該階段汛期已基本過去，天氣對監測結果的影響有限；監測后期，人工監測和自動化監測結果已非常接近。縱觀整個監測過程，人工和自動化監測結果相差均不大，累計值變化較小，曲線較為吻合，說明采用靜力水準儀進行基坑邊坡沉降監測的結果可靠。

圖2 自動化和人工監測沉降-時間曲線

為對比自動化監測和人工監測結果的差異，采用單因素方差分析法(又稱為變異分析法)，對每測點的人工和自動化監測累計沉降-時間曲線進行對比。首先假設顯著性水平為0.05，該顯著性水平下自動化監測和人工監測結果無差異，通過計算二者方差檢驗值和臨界值，在檢驗值小于臨界值時，認為在假設的顯著性水平下原假設可以接受，此為假設檢驗的常用方法。

通過方差分析，匯總相關評價參數見表3。可以看出，檢驗值均小于臨界值，據此判斷在置信度為95%時，自動化監測和人工監測結果無差異的假設是可接受的。

表3 自動化和人工監測方差分析結果

3.3 深層水平位移結果分析

為方便數據統計和分析，數據的正負作統一規定，其中正值表示向基坑內移動，負值表示向基坑外移動。對于自動化監測，由于固定式測斜儀價格相對昂貴，一般按照一定豎向間距進行布置，本工程20 m 以下已經進入巖層，分別在1.4、7.6、13.8、20.0 m 深度位置進行布置，而人工監測只用1 支滑動式測斜儀，額外增加少量人工，費用較少、易于操作且每月只測試1 次進行比對，豎向測試點可密集一些，按照0.5 m 測讀1 次。CX1～CX5 自動化和人工監測水平位移-深度曲線見圖3。可以看出，自2020-08-13 開始初值測量完成后，深層水平位移曲線緩慢發展，各監測點變化較小，其中變形最快的為CX3 點，自動化監測累計最大變形為-24.57 mm，人工監測累計最大變形為-24.66 mm，二者相差很小。對比各深層水平位移監測點，同一天自動化監測和人工監測數據吻合非常好，再次說明采用固定式測斜儀進行深層水平位移監測，其結果可靠性較好，能滿足信息化施工要求。

圖3 自動化和人工監測水平位移-深度曲線

《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》[8]明確了滑動式測斜儀的豎直向測點間距可取0.5 或1.0 m，為建議性規定；固定式測斜儀豎直向間距應根據工程需要選取，宜為1.5～3.5 m，為推薦性規定。該規定可用于指導人工監測的測試點密度和自動化監測傳感器布置的間距。本工程考慮了自然放坡的支護方式，并節約成本，布置4 支固定式測斜儀已能滿足安全要求。由圖3 可以看出，雖然每個測斜孔沿深度只布置4 支固定式測斜儀，但已能夠反映基坑的變化形態。因此，從曲線的吻合程度來看，固定式測斜儀沿深度布置4 個測點是合理和可行的。

文獻[7]歸納了8 種深層水平位移典型曲線形態，分別為喇叭狀、中鼓狀、底部鼓狀、反向位移、不規則變形、土層錯動狀、底部轉動、底部始齒狀。根據深層水平位移發展變化形態，分析產生原因和土層受力情況更有助于指導現場施工和制定應對措施。從曲線變化形態分析，CX1、CX2、CX5 監測點對應水平位移-深度曲線均為典型的喇叭狀變化，其特點是自上而下基本呈由大到小的漸變曲線，曲線類似于張開的半喇叭口狀，既沒有中鼓也沒有底鼓，為典型的無支撐自然放坡變形特點。CX3、CX4 監測點則呈反向位移變化，即均向基坑外移動，主要原因是CX3 位置在基坑外存在深約7 m 的蓄水池塘，且CX3、CX4 監測點基坑外側有棄土，壓路機也在碾壓，邊坡偏壓受力，導致測斜管彎向受力的一側。從曲線變化規律和曲線變化形態上分析，與現場施工狀態吻合。

對每個監測點分別在2020-09-23、2020-10-23、2020-11-13 的曲線進行自動化和人工監測的結果進行方差分析，其方法與沉降分析中的類似，不再贅述。通過方差分析，匯總評價參數見表4。可以看出，檢驗值均小于臨界值，說明在置信度為95%時，二者無明顯差異。

表4 自動化和人工監測方差分析結果

4 結語

1)根據現場測試結果分析，靜力水準儀測試結果與電子水準儀測試結果存在微小差異，可能是由于電子水準儀對天氣較為敏感引起，且二者均遠小于累計報警值，說明靜力水準儀用于自動化監測可靠性較好，測試結果能滿足現場信息化施工要求。

2)固定式測斜儀與滑動式測斜儀測試曲線吻合良好，相同位置、相同時間的測試值相近，證明固定式測斜儀用于自動化監測可靠性良好。

3)固定式測斜儀曲線形態與現場施工狀態相符，表明固定式測斜儀結果反映了基坑邊坡實際變化，再次證明固定式測斜儀測試結果可靠。

4)對靜力水準儀和固定式測斜儀與人工監測進行方差檢驗的結果表明:在置信度為95%時，自動化監測和人工監測結果無差異的假設是可接受的。