自動化結構安全監測系統在基坑監測中的應用

張志強,紀文武,薛瓊瑤,胡 月,劉道學,楊曉徐

（1.濟南軌道交通集團有限公司,山東 濟南 250000; 2.中鐵四局集團有限公司,安徽 合肥 230023）

0 引言

城市地下空間的深入開發，使得越來越多的基坑工程不斷涌現。在開挖基坑的施工過程中，環境效應極為重要。如果不能有效控制基坑的變形，將會導致基坑本身嚴重變形，并影響附近的建筑物和結構物的正常使用。最嚴重時，可能導致基坑坍塌、周圍建筑物倒塌以及管線斷裂等一系列危險情況的發生。所造成的經濟損失和社會影響難以估量。因此，在基坑施工過程中，為了確保安全性和可靠性，必須采取相應措施控制基坑本身變形，以抑制其對周邊環境的影響，不僅要保證基坑的安全，更要確保基坑周邊的被保護對象不會發生變形或控制在極為嚴格的范圍之中[1]。為了達到這一目標，實時監測是不可或缺的工具。通過對實時監測數據進行處理和分析，能夠推斷出施工過程對結構變形的影響，并總結出相應的規律，據此實現對基坑變形的實時控制，從而保證基坑施工中各結構的安全與穩定，減小基坑對周圍環境的影響[2]。

1 基坑監測方案對比

基坑監測具有監測點位多、范圍大、數據類型多、監測任務重的特點，人工監測效率低下、不可控因素更多，出錯概率高，難以及時發現和預報安全隱患。與人工監測相比，自動化結構安全監測系統具備諸多優點，實時監測以及遠程自動化可以讓施工管理人員在任意時間與地點簡單地通過便攜式設備如電腦或手持設備就可以完成管理工作，體現了自動化結構安全監測系統的時效性、準確性、連續性、便捷性和安全性[3]，能夠實現基坑的安全、信息化施工，并提供及時有效的反饋。

人工監測與自動化結構安全監測優缺點對比如表1所示。

2 自動化結構安全監測系統架構

自動化結構安全監測系統利用先進的信息化、自動化、物聯網[4]等技術，實現土木工程結構物的在線可視化實時監測。該系統利用自動化的傳感器數據采集、分析、傳輸和管理，能夠精確監測范圍內結構物的實時健康狀況，在降低人工監測成本的同時確保監測數據的連續性和智能化管理，從而預防安全事故的發生。

在基坑監測中，自動化結構安全監測系統的現場數據采集層由多種測點組成，包括機器視覺測量儀、傾角儀、固定式測斜儀、投入式水位計、軸力計、靜力水準儀等。這些測點用于獲取基坑周圍地表沉降、基坑立柱沉降、周圍建筑物及管線沉降、支撐軸力、坑外水位、深層水平位移、圍護結構頂部的沉降和位移、傾斜等數據。借助這些數據，系統能夠全面了解基坑的監測情況，并迅速采取相應的安全措施。監測數據由通用網關經無線網絡上傳至云服務器，展現于數據管理平臺上，在辦公室對現場結構物安全與健康進行實時遠程監控。監測系統架構如圖1 所示。

圖1 監測系統總體架構

3 自動化監測系統數據采集層傳感器

基坑自動化監測所需的傳感器列于表2 中。其中，機器視覺測量儀和固定式測斜儀是新型傳感器，其特征和原理在3.1 和3.2 節中有詳細介紹。

表2 基坑監測各測項數據傳感器

3.1 TH-ISM 系列機器視覺測量儀

如圖2 所示，機器視覺測量儀是一種智能攝像機，擁有邊緣計算能力。它內置了并行機器視覺算法，并采用嵌入式Linux 系統和專用的機器視覺硬件電路。該測量儀能夠精準地識別靶標的坐標。靶標的坐標會隨著被測結構物的平面位移發生相應改變，從而得到被測物體的水平和垂直位移。這種機器視覺測量儀借助高效的算法和智能化系統，可以可靠地實現對結構物位移的監測，提供可靠的測量方法。具體參數如表3 所示。

圖2 機器視覺測量儀

表3 機器視覺測量儀參數表

機器視覺測量儀應安裝在現場的穩定位置，要求能夠觀測到安裝于被測點位的靶標。用戶可以使用專用的移動應用程序，在他們的手機或平板電腦上進行本地調試和設置測量儀，以觀察靶標識別的情況。測量儀在設置好后將自動進入長期監測狀態，將測量數據源源不斷地上傳至監測管理平臺。正常運轉時，為減小流量與功耗，測量儀僅向云平臺傳輸坐標數據，如果現場異常，還可以在平臺上遠程查看現場圖片，也能設置異常圖片自動上傳，用于調試與系統維護。

3.2 固定式測斜儀

深層水平位移監測主要關注基坑側部土體不同深度處的水平位移。量測方法如下：

（1）首先，將垂直測斜管埋設于深度足夠的預定位置。測斜管內部有4 個導槽，互成90°，使其中一對互成180°的導槽與基坑變形方向一致。

（2）將配有導輪的測斜儀放入測斜管中并沿著導槽滑動。測斜儀能夠測量出測管在土體作用下的傾斜度θi。接著，將該位置的測斜儀上下導輪之間（或分段長度）的位置偏差Δd進行計算和記錄：

式中，l——量測點的分段長度。自下而上累加可知各點處的水平位置：

與初位置的測值相減便可以得到各點該次量測的水平位移。

固定式測斜儀及其原理如圖3~4 所示，設備參數如表4 所示。

圖3 固定式測斜儀設備示意圖

圖4 固定式測斜儀設備原理示意圖

表4 固定式測斜儀技術參數

4 數據管理平臺功能

作為自動化結構安全監測系統的核心組成部分，智能化數據管理平臺功能強大。該平臺能夠智能地管理監測工程的信息，實現監測方案布點圖的導入，以及以曲線或表格等形式查看數據。用戶可以根據需要自定義數據的標定系數和公式，并進行預警設置和用戶管理等操作。

此外，該數據管理平臺不僅支持在計算機上顯示數據，還提供了適用于Android 和IOS 手機的應用程序。這意味著用戶可以通過移動設備進行數據管理和展示，實現便捷的移動端操作。

5 工程實例

5.1 工程概況

濟南市R2 線一期工程是一條城市軌道交通線路，起始于槐蔭區的王府莊站，止于歷城區彭家莊站。全長約36.4 km，地下線約34.5 km，高架線約1.6 km，過渡段約0.3 km，設有車站18 座，17 座為地下車站，1 座為高架車站。

濟南市R2 線土建工程的六標段是該線路的組成部分，包括歷黃路站、歷黃路站至歷山北路站之間的區間以及歷山北路站，總長度約為1.03 km。歷山北路站是R2 線、環線和M4 線的三線換乘車站，位于歷山路和北園大街的交叉路口，中心里程為CK18+488.365。環線和M4 線沿著歷山路南北向布置，R2 線沿著北園大街東西向布置。

R2 線的車站采用地下雙層雙柱三跨式設計，車站的主體總長度為522.71 m（內凈），標準結構段寬度為21.3 m（內凈），覆土厚度約為3.6 m。車站的小里程端線采用緩和曲線進站，車站平面布置為曲線形狀。縱向坡度自32 軸向東西向以2‰的坡度降坡。標準段底板埋深約19.6 m。基坑采用明挖順作法施工。

環線和M4 線的車站采用地下三層平行雙島式設計，主體總長188.58 m（內凈），結構標準段寬度47.8 m（內凈），覆土厚度約2.3~5.5 m。端頭井段的底板埋深約為26.8 m，而標準段的底板埋深約為25.1 m。基坑采用逆作法施工。

5.2 自動化結構安全監測系統實施

依據基坑周邊環境變形規律、基坑本體，根據相關技術規范，監測內容如下。自動化監測儀器及其安裝如表5 所示。

表5 自動化監測儀器及安裝

（1）圍護結構深層水平位移（測斜）監測。

（2）鋼支撐監測。

（3）混凝土支撐監測。

（4）基坑外潛水水位監測。

（5）圍護結構樁頂垂直和水平位移監測。

（6）周邊地表沉降監測。

（7）支撐立柱沉降監測。

5.3 數據分析

在該次現場試驗中，深層水平位移、圍護結構墻頂水平位移和豎向位移監測項的自動化監測設備周圍都設置了人工監測點。通過對比自動化以及人工監測數據，以驗證自動化監測系統的準確性。

該次試驗采用了每5 min 進行一次自動化監測的頻率設置。監測數據被存儲和管理在專用的數據管理平臺中，該平臺可以承載大量的監測數據。結合基坑開挖的工序，從數據管理平臺中提取了關鍵時間節點的數據，時間范圍為2019 年12 月12 日至2020 年3 月29 日。

5.3.1 深層水平位移數據分析

自動化測斜孔用于監測深層水平位移，頂部測斜測點的埋深為0.5 m，相鄰測斜測點的豎向間距為1 m。底部測斜測點的埋深為17.5 m。與之相鄰的人工測斜孔標識為ZQT19。

需要注意的是，由于該次自動化測斜孔的深度限制，僅能反映基坑開挖深度范圍內的深層水平位移變化情況，應當謹記此限制，并綜合考慮其他監測手段進行全面評估。

自動化測斜孔自0.5 m 埋深開始，每1 m 豎向間距設置1 個測斜點，共計18 個測斜點形成該孔在0.5~17.5 m深度范圍內的深層水平位移情況。

據圖5 所示，在18 m 深度范圍內，深層水平位移隨基坑開挖深度的增加而增加。在0~12 m 深度范圍內，深層水平位移隨深度增加而增大，在12 m 深度處出現約25 mm 的水平位移極值。而在12~18 m 的深度范圍內，深層水平位移隨深度增加而略微減小，整體呈現出中部凸起的曲線形態。

圖5 自動化測斜孔與ZQT-19 測斜曲線

通過與ZQT-19 人工監測深層水平位移曲線進行對比，可以觀察到在已探測的深度范圍內，自動化監測數據與人工監測數據在曲線形態、發展趨勢、極值大小和極值位置等方面十分接近。這充分證明了自動化測斜孔在實際工程應用中的準確性和實用性。

5.3.2 圍護樁頂沉降和水平位移數據分析

在該次試驗中，針對圍護墻頂部的豎向和水平位移，分別設置了豎向位移-1 和水平位移-1 兩個自動化監測點，以及兩個人工監測點，分別為ZQC/ZQS-19 和ZQC/ZQS-21。其中，ZQC/ZQS-19 與豎向位移-1 相鄰，而ZQC/ZQS-21 與水平位移-1 相鄰。

通過對比圖6~7 所示的四個監測點的監測數據，可以得出以下結論：圍護墻頂豎向位移的人工監測數據與自動化監測數據一致，除了短時間內的波動外，整體呈現穩定狀態。而圍護墻頂水平位移的自動化監測數據與深層水平位移曲線中0 m 埋深的人工監測數據保持一致，呈現緩慢增大的趨勢。然而人工監測數據基本保持不變，這表明自動化監測數據在測量墻頂水平位移方面更可靠。

圖6 圍護墻頂豎向位移隨時間變化曲線

圖7 圍護墻頂水平位移隨時間變化曲線

6 結語

（1）該文通過對自動化結構安全監測系統在某地鐵基坑監測工程實例中的應用原理和方法的論述，以及對自動化監測系統數據進行分析，得出結論：自動化監測數據對基坑開挖過程中各監測項的實時變化情況反映良好。這驗證了在基坑變形監測方面應用自動化監測系統的技術可行性和數據準確性。

（2）通過對比分析人工監測數據和自動化監測數據，發現雖然兩者存在微小差異，但基本保持一致，自動化監測數據甚至更可靠。

上述分析表明，基坑監測中應用自動化結構安全監測系統是可行的，能夠保障基坑及周圍建筑物的安全。因此，該技術應用前景廣闊。