智能監測系統在建筑深基坑施工中的應用

李 斌

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

傳統基坑監測方式存在的費時費力、數據失真或遺漏等難題一直是行業關注的焦點[1]。然而,隨著智能監測技術的快速發展,這些問題正在逐步得到解決[2]。在基坑開挖過程中,通過監測支護結構受力、周圍土體變形和相鄰構筑物穩定性,能夠了解基坑工程的安全性以及對周圍環境、道路的影響程度[3],及時反饋異常情況,預防工程質量安全事故發生,并能夠適時調整施工工藝、修改設計參數,重新指導施工[4]。

在基坑施工領域,智能監測技術的應用前景十分廣闊。它不僅可以為工程安全提供有力保障,還能為施工工藝的優化和設計參數的調整提供科學依據[5]。因此,應該積極推廣智能監測技術的應用,以提高工程質量和安全水平,同時也為行業的可持續發展貢獻力量。與傳統監測方式相比,該系統具有更高的精度和效率,能夠及時發現問題并采取相應措施,進一步提高基坑施工的安全性和效率[6]。該智能監測系統不僅有助于提升施工安全性,同時還能減少人工成本和時間成本。由于系統能夠實時采集數據,從而避免了人工記錄和傳輸數據可能帶來的誤差和延誤。此外,該系統還能實時分析數據,以便及時發現異常情況并采取相應的處理措施,這些無疑對提高基坑施工的安全性和效率起到了積極的作用。

1 基坑智能監測系統介紹

智能監測系統由實地傳感網、監測云平臺和客戶端三部分組成(如圖1所示)。

1.1 整體架構

傳感網主要由智能感知系統(傳感器)和智能采集系統(采集儀)組成。傳感器安裝在受監控的結構部位,負責感知被監測對象結構參數,采集儀則是將數據采樣后,通過4G/5G網實時上傳到云平臺。

云平臺則對送來的數據進行存儲、顯示、智能分析、預警等處理。

客戶端主要實現云平臺上的數據顯示和監測系統的遠程配置,用戶可實時通過網頁/APP訪問采集數據或查看預警信息,并且能夠下載相關統計報表和數據分析報告[7]。

1.2 系統功能特點

深基坑智能監測系統的優勢[8]在于:1)實時監測。該系統能夠自動、高頻地采集施工中各種關鍵參數,包括支護樁的位移、錨索應力、錨桿應力、土體壓力、鋼支撐軸力、深層水平位移、混凝土應變、地下水位以及周圍建筑物的沉降、傾斜、裂縫等。這種高頻率的采集使得我們可以進行24 h不間斷的監測,從而確保數據的連續性和時效性。這種實時監測不僅有助于我們及時發現潛在問題,而且為決策提供了寶貴的數據支持。2)危情預警。通過系統對數據的分析以及對異常情況的預警提示,可以有效避免安全事故的發生。這種預警機制不僅增強了工程的安全性,而且提高了施工效率,減少了不必要的損失。3)遠程監管。深基坑智能監測系統的遠程監管功能極大地提高了工作效率,通過手機端即可查看監測數據(如圖2所示),這一方面減少了人力檢查的成本,另一方面使得我們能夠更便捷地了解基坑的狀態。此外,系統還支持電話、短信、微信等多種手段的實時預警,這不僅提醒了工作人員和居民對工程安全及時有效處理,而且在緊急時刻還能提醒人員撤離危險區,有效預防工程安全事故的發生。

總的來說,深基坑智能監測系統以其實時監測、危情預警和遠程監管的優勢,為深基坑施工提供了有力的安全保障,極大地提高了施工效率和質量。

2 應用案例

德云文化廣場項目位于山東省濟南市,建筑面積約17萬 m2,由塔樓、商業裙房及3層地下車庫組成,地下車庫空間將與濟南地鐵7號線充分聯通,開挖深度11.6 m～14.2 m,內支撐采用1道混凝土支撐+1道型鋼支撐,基坑斷面如圖3所示。為響應雙碳減排和高品質建筑的政策要求[9],在基坑開挖過程中擬采用智能監測系統。下面介紹這種系統的應用。

3 基坑監測參數

選擇深基坑監測參數時,必須考慮基坑的安全等級、地質環境和周圍環境等因素,同時還需要參考相關規范[10]規定,并結合項目實施目標與監測需求進行綜合考慮。監測參數示意圖如圖4所示。

應力、應變監測:對基坑鋼結構、混凝土結構、錨桿、錨索等實施應力、應變監測,測定各結構的應力、應變變化情況,了解基坑受力狀態。

表面位移監測:對基坑支護樁沉降及其水平位移進行監測,測定支護結構的形變量。

深層位移監測:對基坑內部水平位移進行監測,分為土體位移及支護結構位移,測定不同深度處土體位移來掌握土體的受擠壓力變化。

地下水位:對基坑地下水位進行監測,測定基坑地下水含量,評估基坑開挖滲水風險、周圍建筑物形變;對基坑周邊建筑物沉降、傾斜、裂縫等參數進行監測,測定基坑開挖對周圍建筑物影響,指導基坑開挖工藝優化。

周圍結構物形變:對基坑周邊建筑物或線路的沉降、整體傾斜、墻身裂縫、管線變形等參數進行監測,測定基坑開挖對周圍建筑物或線路影響[11],指導基坑開挖工藝優化。

4 基坑監測標準化安裝

位移監測點埋設:觀測沉降是基坑工程中一項最基本的監測手段,其埋設方式包括地表式和井下式兩種[12]。地表式沉降點適用于土方開挖深度較淺的基坑工程,埋設簡單方便;井下式沉降點適用于土方開挖較深的基坑工程,能夠更精準地監測土體的沉降情況。監測點應當覆蓋整個基坑區域(如圖5所示),并且按照一定的網格布置,通常間距不超過40 m[13],以便全面監測基坑周邊土體的沉降情況。

基坑內土壓力盒埋設:盒底應與硬地層接觸,以保證盒內壓力計不受干擾;盒周圍應有足夠的支撐,防止壓力計變形;壓力計應埋設在變形較小的地方,以保證數據的準確性;壓力計埋設后,周圍不能有大量重物堆放,以免破壞土壓力數值的準確性;壓力盒應定期進行標定和數據采集,以保證數據的準確性和及時性。

孔隙水壓計埋設:埋設位置應選擇在基坑周邊附近的地層中,一般選擇在基坑邊緣四周;一般埋設深度應該大于1 m,以保證測量數據的準確性;應該采用專門的鉆孔設備,確保鉆孔的垂直度和深度準確;在埋設過程中,應該避免孔壁坍塌或泥沙堵塞測管,應該將孔隙水壓計固定在測管上,確保測管不受外力影響。

鋼筋計埋設:安裝位置一般選擇在基坑邊緣附近,但要避免在不穩定的地層中埋設;應該避開施工荷載較大的區域,以免對鋼筋計造成破壞;應該將鋼筋計固定在測管上,確保測管不受外力影響,條件允許,可以使用鋼筋混凝土護筒進行保護,以保證鋼筋計的安全和準確性;在鋼筋計的周圍應該填充密封材料如膨脹水泥砂漿,以防止外部水或其他物質進入鋼筋計的測量部位。

軸力計埋設:安裝位置應避開強風化巖層、冰凍線以及地下水位。在巖石裂隙水壓力較高地區,應考慮軸力計的承壓能力;軸力計應垂直埋設在完整均勻的巖體中,并應盡量布置在基坑周邊及受力較大的區域;軸力計應與基巖面垂直,其受力面向外,與基巖面之間的間隙應填實;應考慮基巖面坡度對軸力計的影響,避免坡度過大導致軸力計懸空或卡澀;安裝完成后,軸力計頂部一般應高于基坑底面15 cm左右,且保證不積水。

傳感器保護:所有的傳感器都配備有專門的保護外殼,旨在防止惡劣環境對傳感器的影響,如重擊、暴曬、暴雨、暴雪等,以確保傳感器的穩定運行,并延長儀器使用壽命(見圖6)。

管線敷設:所有的連接管線均采用橋架和波紋管進行固定和保護,以防止太陽直曬和環境造成的擾動,確保監測數據的穩定性和準確性(如圖7所示)。

采集儀安裝:采集設備外加防護箱,能適應各種高溫、雨水等惡劣環境,應牢固固定在標樁上,為數據的采集和傳輸提供可靠保障(如圖8所示)。

5 應用成果

傳統監測方法往往需要大量的人工干預,效率低下且易出現誤差。智能深基坑監測系統通過引入先進的傳感器技術和人工智能算法,實現了自動化的實時監測,還能提前預警潛在的安全風險,為基坑工程的順利施工提供了重要的技術支持。系統可實現下列功能:

自動生成圖表:監測結果可自動生成各種圖表,如位移曲線、應力變化曲線、水位浮動曲線等,便于直觀了解基坑施工狀況。

可視化展示:系統提供可視化界面,方便用戶實時查看和跟蹤監測數據,有利于及時發現和解決問題。

預警閾值設置:系統提前預設預警閾值,一旦監測值超過閾值,即觸發告警,便于及時處理潛在的安全風險。

6 結語

通過對比分析實際監測數據與系統計算結果,驗證了智能深基坑監測系統的有效性和可行性。結果顯示,該系統在本工程基坑施工中發揮了重要作用,為基坑工程的順利施工提供了有力保障。

智能監測系統在工程項目中的應用場景非常廣泛,幾乎涵蓋所有需要進行基坑施工的項目,如新建高層建筑基坑、地鐵隧道、大型商業綜合體、橋梁、隧道、地下工程等,基坑監測系統能夠為這些工程項目的開展提供重要幫助[14-15]。通過對深基坑智能監測系統在本工程基坑開挖過程中的應用進行研究和實踐,發現該系統能夠提高工程管理的效率和準確性。它不僅可以實現全天候和多角度監測,自動采集數據,還減少了人工和工作強度,提高了數據的準確性,為工程管理提供了更加便捷和高效的方式。智能深基坑監測系統是基坑工程安全施工的重要工具,其自動化的監測過程、可視化的展示方式以及提前預警的安全保障功能,為基坑工程帶來了顯著的效益。

但同時也應看到,基坑智能監測系統起步時間不長,工程實踐中可能存在一些瓶頸:基坑智能監測系統涉及到的技術領域較廣,包括傳感器技術、數據采集與分析技術、物聯網技術等,需要一定的研發和實施成本,對于一些復雜的工程環境,需要定制化的監測方案,這也增加了系統的成本和實施難度;基坑智能監測系統需要實時采集和處理大量的數據,以便及時發現異常情況,然而目前數據處理和分析能力還存在一定的局限性,對于一些復雜的數據模式和趨勢的識別還存在一定的難度;基坑智能監測系統的監測精度和可靠性直接影響著工程的安全和質量,目前一些特殊環境下的監測精度和可靠性還存在一定的挑戰,需要進一步的技術研發和改進;目前,基坑智能監測系統的相關法規和標準還不夠健全,對于系統的設計、安裝、運行、維護等方面缺乏明確的規范和要求,這可能會影響系統的應用范圍和推廣程度。但可以肯定的是,隨著技術的不斷進步,該系統在未來的基坑工程中一定會發揮更大的作用。