自動化監測系統在深基坑工程中的應用

王洪志

（中國建筑材料工業地質勘查中心吉林總隊，長春 130033）

深基坑工程具有開挖深度大、支護施工要求高等特點，如若沒有做好監測工作，則無法準確掌握深基坑工程實際狀況，無法為后續基坑施工、支護選型、安全管理等提供幫助。采用傳統方式對深基坑工程進行監測，不僅工作效率低，且無法保證所得監測數據結果的精準性。應用自動化監測系統對監測所獲得的數據信息進行綜合分析處理，能幫助施工人員科學制定深基坑工程施工作業方案，在推動深基坑施工有序開展的同時，也能提高整個項目的穩定性和安全性[1]。

1 深基坑的內涵及特點

1.1 內涵

根據城建部門發布的《危險性較大的分部分項工程安全管理規定》，對深基坑工程的內涵進行總結，主要包括：①基坑槽開挖深度達到5 m 或者超過5 m。②基坑開挖深度雖然沒有達到5 m，但是周圍的地質環境比較復雜，實際開展作業會對相鄰建筑物土方開挖、支護施工等帶來極大影響。

1.2 特點

深基坑工程的特點：①基坑支護體系是臨時結構，且具有較大風險性，特別是在基坑內部排水和基坑外部降水方面，若基坑監測工作不到位，會影響后續施工作業整體安全性。②基坑工程有很強的區域性。工程地質和水文地質不同的地基，基坑工程也存在較大差異性，即便是在同一城市的不同區域也有一定差異，這就要求開展基坑土方開挖和支護施工時要堅持因地制宜原則，要根據現場的實際情況進行支護體系設計，這樣才能發揮保障穩定安全的作用。③基坑工程是系統工程。基坑工程主要包括支護體系設計和土方開挖兩部分內容，且土方開挖也會對支護體系帶來直接性影響，尤其是土方出現超挖、與支護施工配合不到位、開挖步驟和速度等出現不合理情況時，極有可能引發支護結構變形、主體結構樁基變位等問題[2]。

2 自動化監測系統的構成

如圖1 所示，自動化監測系統主要是由數據采集、數據處理和成果發布系統所構成。其中，數據采集系統包括數控自動采集、全站儀自動采集等內容，實際操作通過全站儀開展自動采集工作，需要依靠測量機器人實現對坡頂水平位移和豎向位移情況的監測與分析，施工中可以根據現場情況和工作要求，建立永久觀測房，通過配置的全站儀、控制電腦、傳輸軟件等，切實滿足監測點測量、數據采集傳輸等功能要求。數據處理系統是自動化監測系統的中間環節，通過該系統可以對監測所得數據信息進行科學分類和預處理，然后利用自帶的軟件分析系統有效剔除監測數據存在的粗差，在完成基準點的穩定性分析和數據平差計算以后，就可以將最終結果儲存到數據庫中[3]。成果發布系統涉及到的模塊比較多，比如統計分析、視頻管理、發布預警等，通過這些模塊對監測所得數據信息進行統計、分析、處理后，可以根據數據的實際變化量判斷其是否超過規定閾值，若超過就會發布預警，然后借助視頻管理這一輔助監測系統，對現場實際情況進行實時監測管控，避免發生施工安全質量問題。

圖1 自動化監測系統的構成展示圖

3 自動化監測系統在深基坑工程中的應用

自動化監測系統運用于深基坑工程，主要工作流程包括：①了解工程實際情況。在利用自動化監測系統對深基坑工程進行監測分析之前，首先要收集基坑及周邊的工程地質、水文地質和周邊管線埋設的相關資料，其次要深入到實地對深基坑工程展開全面細致的勘察工作，要將工作重點放在基坑開挖實際深度、設計支護結構體系、施工步驟和工程施工具體要求等方面，通過前期勘察所得數據信息對深基坑工程做出系統綜合性評價，然后科學合理安排后續自動化監測任務。②確定基坑監測任務。在準確把握深基坑工程實際狀況后，就可以確定基坑監測的任務目標，依托自動化監測系統開展深基坑工程監測工作來有效把握深基坑地下水位、圍護墻（樁）頂水平和豎向位移、支撐軸力、圍護墻（樁）深層水平位移等情況，并以此為基礎設計預防控制措施，保證整體施工安全、穩定和質量。施工中可以根據工程實際狀況和深基坑施工作業要求，制定基坑自動化監測方案，比如監測坑外地下水位變化情況、監測圍護墻頂水平及豎向位移等[4]。③自動化監測網布設。要通過自動化監測系統更好地把握深基坑工程位移、水位變化等狀況，圍繞設定的監測目標對自動化監測網進行科學規范布設，如圖2 所示。操作中除了要盡可能多地布設監測點位以外，還要注意控制好各監測點位之間的距離，以防止后續作業出現監測數據缺漏、無法反映實際情況等問題，同時要控制好監測點位的布設密度，來提高監測結果的精度。④相關數據采集處理。在完成自動化監測網布設工作后就可以開展深基坑監測和數據采集工作，利用布設安裝的傳感器設備，實現對各監測點采集數據信息的快速收集，然后通過自動化網絡傳輸采集的監測數據信息，再通過數據處理平臺自動剔除采集數據存在的粗差，最后進行平差計算與處理，保證最終呈現數據結果能真實反映深基坑水文地質和實際施工狀況。⑤數據發布預警控制。監測所得數據信息經過系統處理后，所得數據結果會儲存到系統監測平臺的數據庫中，通過開發的基坑在線監測系統，對數據進行發布、預警和控制，同時也會直觀動態地展示出基坑出現的累計沉降量和變形情況，對于超過系統設置閾值的形變情況，系統會及時發出預警，為后續選擇適合措施控制解決預警問題提供有力支持，降低安全質量事故的發生概率[5]。

圖2 深基坑自動化監測科學布設示意圖

4 實際案例分析

某醫院綜合樓建筑位于城市較為繁華的地段，不僅車流量、人流量較大，而且各類市政管線分布較密，在開展深基坑工程施工時，為更好把握基坑水平和豎向位移、地下水位變動等情況，決定對其采用自動化監測系統開展監測分析。其中，該項建筑基坑開挖深度達到12 m，基坑東西方向長度為92.4 m，南北方向寬度為60.3 m，針對基坑側壁采用的是一級安全標準，而開展基坑支護施工作業，所采用的形式是上部放坡和下部單排樁+預應力錨索，整個基坑監測工作擬采用自動化監測系統完成，針對個別監測點被人工鋪道遮擋的問題，采用人工監測補充，這一狀況也不會對基坑監測工作開展和最終質量產生不利影響[6]。

4.1 自動化監測系統應用

4.1.1 明確監測內容

該基坑監測項目，運用自動化監測系統所監測的內容主要有坡頂水平及豎向位移、周邊建筑物和道路位移情況、錨索內力監測、基坑地下水位變化情況等。細致把握這些監測內容后，制定了自動化監測工作方案，然后將重點放在布設監測點、安裝自動化設備和梳理作業流程上，方便后續監測工作順利開展，提高實際監測質量，進而保證基坑安全。

4.1.2 布設監測點

考慮到該醫院綜合樓的基坑周邊都有許多建筑物，實際開展監測作業的空間比較狹窄，為了保證監測工作順利進行以及所得監測數據能夠反映真實情況，在綜合考慮各類因素以后，對自動化監測網進行了科學布設。主要是將觀測站設置在基坑南側醫院門診樓的樓頂處，為了方便后期更好的觀測，對觀測敦進行了壘筑，針對基坑監測平面和水準控制點，采用的是共用點方式，將之設置在道路交叉口、醫院家屬樓和南北兩側居民樓上，同時在整個監測網中還設置了3 個固定棱鏡作為基準點[7]。對于坡頂水平位移及豎向位移監測點的設置，兩者是共用一個監測點，設置在基坑邊坡頂部位置；針對四周建筑物位移監測點，采用的是植筋方式，在建筑外墻每隔20 m 處設置一個監測點，總共布設了16 個監測點；針對周邊道路位移監測點設置，主要采用的是擊入界址釘的方式，總共在道路兩側設置了6 個監測點；針對錨索內力監測，主要是將監測點布設在基坑的四周，并且對于不同監測斷面和不同深度處，需要設置和安裝不同的錨索傳感器，總體數量為35 個；針對地下水位變化監測，依然是將監測點設置在基坑的四周，將每個監測點的位置距離控制在25 m以內，每個監測點還會安放滲壓計，總共有10 個監測點[8]。

4.1.3 安裝相應設備

在完成自動監測網布設工作以后，就可以設置和安裝相應設備，實現對水位變化、位移發生等情況的有效監測，來自動完成監測數據信息的有效采集。實際操作中對相應監測采集設備進行安裝，主要有測斜傳感器、錨索傳感器、滲壓計等，安裝之前要仔細檢查這些設備，避免出現設備損壞情況，在現場安裝作業過程中嚴格按照設計要求進行埋設，待完成這項工作后還要使用數據連接線來連接數據采集箱，實現對不同深度、不同位置的監測數據信息的有效采集。

4.1.4 數據采集處理

結合項目地實際情況，決定利用Trimble 4D 監測平臺傳感器開展基坑監測工作，該設備支持監測數據信息實時采集，監測所得數據信息會通過無線網橋通信技術，傳送至機房數據處理中心，然后依托具有數據處理功能的Trimble 4D 軟件，對采集數據粗差進行自動化剔除，在完成數據復測工作后，開展基準網穩定性分析和測量數據平差處理，對于出現的數據誤差情況，也能依托自主研發的基坑在線監測系統進行有效修正，使監測處理后的數據結果能夠真實地反映各監測點的實際狀況[9]。

4.1.5 數據發布預警

對于平臺處理以后的監測數據，系統會將之存入到SQL Server 數據庫中，采用SOA 的架構建立在線發布與預警系統，由于該項系統有數據查詢分析、視頻管理報警等模塊，操作中只需要點擊鏡頭圖標就能夠看到監測點的累計沉降量、本次沉降量等情況，支持對時間序列曲線進行自動化的繪制與展示，以幫助監測人員更好地分析和把握基坑變形狀況，如圖3 所示。另外，在這一過程中還可以對各監測點設置形變報警閾值，當監測點累計變化量超過這一閾值，系統會自動發布監測結果并報警，為后續控制與解決奠定良好的基礎。

圖3 累計監測基坑水平位移沉降情況

4.1.6 加強分析應對

通過該項目基坑監測，發現基坑開挖和支護體系施工過程中，坡頂出現了水平位移的情況，基坑開挖過半地下水位出現上升情況，在通過自動化監測系統對這些變化情況進行細致分析后，決定采用必要措施進行防護，避免施工過程出現安全問題。在坡頂出現水平位移情況方面，結合監測所得數據信息和分析結果，決定對基坑邊坡采用地下連續墻措施進行加固處理，完成施工后對水平位移情況進行持續監測得到明顯改善，且基坑邊坡整體穩定性也有所提升；在地下水位出現上升情況時，則在深基坑施工過程中對排水系統進行了設置，避免因為地下水位頻繁發生變化對整個基坑施工安全性和質量帶來不利影響。

4.2 需要注意事項

在該項目基坑監測項目中，要確保自動化監測系統應用取得良好工作效果，就要在實際操作中注意以下工作內容：①掌握現場狀況。最好可以在開展監測工作之前，安排專門的人員深入到工程實地進行勘查作業，為后續開展的明確監測內容、布設監測網絡、設計工作方案等工作奠定良好基礎，要將工作重心放在勘查工程項目實際地質水文條件、熟悉分析工程設計圖紙、搜尋掌握周邊道路建筑資料等方面，以實現對建設項目全面系統的了解，為布設自動化基坑監測網絡提供便捷。②明確監測流程。由于本項目涉及到的監測內容比較多，為了避免出現混淆和疏漏情況，圍繞確定的監測內容對各自執行計劃和工作流程進行制定和梳理，然后嚴格按照設計計劃和規定流程進行標準化、規范化作業，這樣既能夠提高監測工作效率，又能夠保證監測結果準確性[10]。③保證數據質量。要保證所得監測數據信息能夠反映真實情況，就要在監測工作開展時結合實際對監測點數量、間距等進行合理設置，同時重視監測數據預處理和平差分析工作，及時發現監測數據出現的誤差較大情況，在加強修正處理中提高數據精準度。④加強結果利用。在完成監測數據信息分析處理工作后，要將監測結果運用到實際深基坑施工指導優化中，以充分發揮出自動化監測系統的應用價值，推動深基坑工程施工安全、順利的完成。

5 結束語

依托自動化監測系統開展深基坑工程監測工作，可以有效彌補傳統監測方式存在的效率低下、質量得不到保證等缺點，為深基坑工程安全可靠施工提供強有力的支持。實際監測過程中，要先對自動化監測系統的構成及應用流程進行全面細致的掌握，然后嚴格遵照相應流程進行規范操作，根據所得監測數據掌握深基坑施工存在安全隱患以后，及時采用有效措施進行控制與處理，以保證整體施工安全和質量。