自動化智能監測技術在深基坑中的應用

陳家偉 桂林電子科技大學建筑與交通工程學院

黃 宇 廣西建工集團智慧制造有限公司

潘 陽 桂林電子科技大學建筑與交通工程學院

趙佩瑩 桂林電子科技大學建筑與交通工程學院

黃振皓 桂林電子科技大學建筑與交通工程學院

韋居霖 桂林電子科技大學建筑與交通工程學院

隨著社會經濟的不斷發展，高層建筑的數量越來越多，對地基深度有著更高的要求，也催生出了大量深基坑工程。通常，深基坑工程主要位于城市交通擁擠地帶，施工環境較為復雜，若施工過程發生問題，必然會嚴重影響城市道路交通，甚至威脅人們的生命安全?；诖耍┕挝槐仨毲袑嵶龊蒙罨颖O測工作，科學運用技術手段來確保支護結構與附近建筑物的安全性和平穩性。由于深基坑所處的位置比較特殊，且無法通視，傳統的基坑方法（導線測量法、測小角法、視準線法等）無法獲得精確和穩定的監測結果，存在基準不夠穩定、精度不夠高等問題，因此，要想克服這些不足和問題，實現高質量、高精度的基坑監測，就需要充分利用自動化智能監測技術[1]。

1 深基坑的概述

基坑主要指建設工程施工中結合勘察設計圖紙，在工程的基礎設計位置按基底標高和基礎平面尺寸向下開挖出新的地下空間。而深基坑主要指往下開挖的深度超過5 m，且地下室層數在3 層以上，或是往下開挖的深度未超過5 m，但基坑周圍的地質條件比較復雜。深基坑工程具有很強的綜合性，不僅包括邊坡支護、土方挖運，還涉及基坑排水。正因為深基坑工程的復雜性，如要降低深基坑工程施工的危險系數，就必須借助專業的技術作為支撐。

深基坑工程普遍具有很大危險性，其主要原因為：深基坑的支護結構均沒有進行固定，屬于臨時性結構。在深基坑工程建設前，必須綜合考慮工程施工中支護結構的穩定情況，針對支護結構可能發生的不穩定問題，提前制定應急預案，并確保應急措施的有效性與可行性。同時，由于深基坑工程的綜合性較強，因此，要求參與施工的人員必須充分掌握施工技術知識、土力學知識、測量勘探知識與結構力學知識，只有確保施工人員的專業性，才能夠保證工程的安全有序開展[2]。另外，深基坑工程還具備一定的環境效益，在基坑開挖過程中極易受到地下水、土體、周圍建筑等因素的影響，因此必須提前制訂行之有效的工程施工方案。

2 深基坑工程監測的重要性

2.1 降低對周圍環境的影響

在深基坑工程開挖中，不僅要保證工程自身的安全，還要注重控制工程附近的地層移動，進而保護施工現場周圍環境。尤其是部分地層土質比較差的區域，深基坑開挖施工往往會導致周圍土體出現明顯的形變，會在很大程度上影響基坑周圍的城市道路、管線、建筑物等的穩定性，嚴重威脅居民的人身安全。而在城市中心地段開展深基坑開挖施工作業時，由于施工現場非常狹窄，深基坑施工現場周圍又存在很多建筑物、管線等，因此保護施工環境非常重要。若支護結構被破壞，將會嚴重影響周圍建筑物和城市設施的安全性，且較大程度的變形會對周圍建筑物的安全性帶來一定的破壞。基于此，相較于對深基坑工程穩定性的維護，保護深基坑工程施工現場周圍的管線和建筑物更加重要。另外，深基坑工程開挖時可能由于施工不當而造成施工現場地面下沉，致使道路、建筑結構出現開裂問題，甚至會導致煤氣主管道發生折斷問題。為避免出現上述問題，施工單位必須借助有效的監測技術手段，對可能影響施工現場周圍建筑物、管線等方面的因素進行明確，以便提前采取有效防范措施[3]。

2.2 減少土體變形情況

在深基坑工程開挖過程中，很可能會出現周圍地層移動、坑底隆起變形、圍護結構位移等問題。在整體層面上，深基坑周圍地層移動情況主要體現為構筑擋土結構發生變形、基坑開挖不合理引發變形，深基坑工程開挖在本質上屬于卸載負荷的過程，由于受到卸荷的影響，基坑底部土體會產生向上為主的位移，從而導致圍護墻體在兩側壓力差的作用下出現橫向水平位移。針對這些問題，施工單位必須切實做好深基坑工程監測工作，根據監測結果采取相應的預防措施。

3 深基坑工程中自動化智能監測技術的應用

3.1 自動化智能監測技術的原理

自動化智能監測系統主要由數據采集、數據處理與成果發布3 個模塊構成。由于深基坑工程施工的周期較長、施工難度較高，為確保整個工程的建設質量，必須采用專業的技術手段，嚴格按照工程勘察設計圖紙進行施工?；谶@一情況，開展深基坑工程監測顯得至關重要，不僅可以為施工人員提供正確的指導，還可以在最大程度上減少深基坑工程施工過程中可能發生的風險。而深基坑工程自動化智能監測系統通過對數據采集、數據處理與成果發布等功能相結合，借助高效能的檢測設備來實現對整個深基坑工程的動態監測。

3.1.1 數據采集

在深基坑工程監測工作中，可利用數據傳感器來收集各種與工程建設相關的數據信息，并利用無線電信號來迅速傳遞大量的工程施工信息，從而提高工程施工效率。相較于傳統的人工監測手段，自動化智能監測手段的監測效率更高，可實現全天候、持續性的監測工作，并能及時反饋獲取的數據信息，一旦工程施工中出現問題，相關人員能夠在第一時間抵達問題發生現場，采取有效措施進行處理，以此來確保工程施工作業的順利開展[4]。

3.1.2 數據處理

借助自動化智能監測技術不僅可以獲取大量的數據信息，還便于后續開展數據處理工作。數據處理主要涉及預處理與處理兩個環節，其中預處理工作能夠直接在數據采集系統中進行，即待收集到多樣化的深基坑工程數據信息后，系統內部能夠將這些數據信息直接轉變成數字信號，并借助數據傳輸網絡對數據信號進行二次傳輸，從而在數據處理中心對這些數據信號進行有效處理。深基坑工程處理主要是利用數據處理系統與控制系統，前者負責數據信息的接收與分析，后者負責對這些數據信息進行更加個性化與針對性的處理。

3.1.3 成果發布

在完成數據處理后，需要對監測的數據信息進行綜合分析，將當前數據信息與歷史監測中獲取的數據信息進行對比，然后結合對比結果，客觀、綜合地分析建筑結構的安全性與可靠性，最終生成與建筑工程實際情況相符合的結構安全報告，以便相關人員查看。

3.2 應用要點

3.2.1 科學布設基準點

在深基坑工程監測工作中，可在工程施工現場周圍區域合理布設基準點，通常需要設置5 個以上的全站儀，且基準點最好布設在對基坑邊坡變形影響較小的位置，以此更加全面地了解深基坑工程施工狀況，在最大限度上減少工程施工對周圍環境的影響，有效保障深基坑建設的安全性與可靠性。同時，針對基準點的布設，相關人員必須對工程施工現場進行全面勘察，尤其是對土體位移變化情況的勘察，還需實時監測深基坑工程整個土體開挖中的土體位移變動狀況，精準地掌握基坑動態變化情況，從而更加科學、有效地設置基準點。

3.2.2 合理布設監測點

深基坑工程中的支撐結構和圍護墻承擔著一定的荷載，若在具體施工中發生具體支撐軸力和設計圖紙規范不一致的情況，必然會造成支護體系逐漸喪失穩定性與安全性，給整個工程造成嚴重的危害。所以要想確保深基坑工程的安全有序開展，必須合理布設檢測點，且對軸力大小加以動態監測，在支撐構件處設置軸力監測點。為減少深基坑開挖對周圍建筑物的影響，需要對這些建筑物進行監測點布設工作，盡量選擇在視野開闊、清晰的區域進行布設，為達到全方位監測的目的，可充分利用高低建筑物與角點等位置的優勢[5]。同時，為提高基坑支護體系的安全性與可靠性，需要在圍護墻土體中施加一定大小的縱向荷載力，還要安裝應力器，實現對軸力大小的實時監測，通?？蛇x擇在混凝土支撐處安裝應力器，確保焊接緊密，無任何縫隙。另外，為確保監測點布設的有效性，須綜合考慮深基坑工程中基坑的監測等級、設計參數特性、施工參數特點，尤其是基坑維護側邊中部、受力較大等位置，務必合理布置監測點，并加強監測工作。

3.2.3 布設監測元器件

針對深基坑工程中監測元器件的布設，具體包括以下幾點。一是嚴格監測圍護體頂部水平位移情況。在基坑開挖過程中，可借助拉線式位移計對圍護體頂部的水平位移情況進行全面監測。安裝該儀器時，應注意在監測位置砌兩個與基坑支護結構頂部表面相平行的水泥墩，一端固定鋼絲端，另一端固定位移計本體，通過調節鋼絲長度來讀取相關數值，通常需將儀器拉伸到滿量程的1/2 左右。二是嚴格監測深層水平位移情況。在深基坑工程的土體開挖過程中，往往由于圍護體兩側受力不均勻而產生壓力差，進而發生圍護體變形問題，對于這一問題的處理，可采用滑輪式固定測斜儀探頭對預先埋在圍護體內部的測斜管變化情況進行測量。從而獲得圍護體不同深度上的水平位移情況。三是有效監測支撐軸力。需在基坑維護結構受力比較大的位置布設支撐軸力監測點，將鋼筋計焊接到斷面位置，從而明確基坑維護結構的支撐軸力。四是嚴格監測四周建筑物的沉降與傾斜情況。在基坑土體開挖過程中，可能會影響基坑外一定范圍內的建筑物，一旦這些建筑物出現較大的變形問題，必然會影響建筑物的正常、安全使用，因此，需在這些建筑物上安裝傾角儀、靜力水準儀，從而實現對建筑物傾斜與沉降的實時監測。五是科學監測裂縫問題。在基坑土體開挖前，需要對深基坑工程四周的建筑物、道路、管線等對象已存在的裂縫數量、分布位置進行詳細記錄，并利用裂縫計來測定這些裂縫的寬度、長度及走向，監測標志必須具備可供量測的中心或是明晰斷面。六是無線網絡的合理運用?；谏罨幼詣踊悄鼙O測系統將監測元器件進行有效聯通，可劃分成3 個層級，一級是由現場工作站內的收發器與服務器構成的網絡，二級是由分布在工作站與基坑之間的多個中繼器構成的網絡，三級是由分布在基坑內部每一個監測點的采集器構成的網絡。3 個層級之間分工明確，相輔相成，實現對監測信息及時有效的收集、傳遞及處理。

3.2.4 自動化智能監測平臺的運用

在深基坑工程監測工作中，自動化智能監測平臺可以對工程現場所有監測元器件收集到的數據信息進行收集和匯總，然后借助相關軟件對這些數據信息進行處理、分析及預測，即利用該平臺所具備的原始監測數據篩選和變形數據計算等功能，實現對深基坑變形數據的統計分析與短時預測，能夠很好地滿足深基坑工程現場施工監測的要求。針對變形數據統計分析而言，可基于各個監測點所獲得的數據變化趨勢情況生成測點數據趨勢圖，結合其規律走向，明確工程施工中是否存在施工風險；可基于各個斷面監測點所獲得的數據變化趨勢情況，生成對應測點數據趨勢圖，根據其規律走向，明確不同測點趨勢走向的潛在的聯系，從而為后續工程監管工作提供科學、有效地支撐。針對變形趨勢短期預測分析而言，需結合水文學、力學、地質學等專業內容，依托非線性科學、系統科學、數學等理論知識，借助數字模型來模擬、展現深基坑變形體的動態特征和變形特征，并借助多元線性回歸方法等對深基坑變形數據進行短期預測，然后在此基礎上明確下一監測時刻的預測值。

4 結語

深基坑變形監測直接關系到深基坑工程施工的質量，還會影響深基坑支護結構及其四周建筑物的安全性、平穩性。因而在深基坑工程施工過程中，施工單位必須高度重視深基坑變形監測工作，積極運用自動化智能監測技術來實現對整個工程施工的自動監測、實時監測，切實提高監測結果的精準度和實效性，從而盡可能減少深基坑施工中發生變形的風險，確保整個工程施工工作的安全、順利開展。