深基坑施工中智能監測系統的應用

0 引言

深基坑施工過程中，土體的變形、位移和地下水的變化等因素，均可能導致結構的安全隱患[1]。傳統的監測手段多依賴人工檢查和定期測量，往往難以滿足現代深基坑工程對實時性和精準度的要求[2]。因此，實施有效的監測措施，以實時掌握基坑的狀態和動態變化，顯得尤為重要。智能監測系統利用先進的傳感技術、物聯網和大數據分析等手段[3]，實現對基坑環境的實時監測與數據分析，不僅有利于提高監測效率，還能為施工決策提供科學依據。

目前，已經有多位學者針對深基坑施工監測技術開展了相關研究。廖原等[4針對不同地質條件的城市深基坑支護設計與智能監測技術，提出基于土釘和復合土釘墻穩定性優化的剖面設計，并引入無人值守的智能監測系統，以確保基坑在監測期內的沉降和位移控制在安全范圍內。齊紅升等[5提出了一套基于C/S模式和無線傳輸的深基坑智能聯網監測與預警系統，利用多種先進技術實現了監測數據的實時采集、自動存儲和分析，從而有效提高了基坑監測的效率和安全保障。潘林有[分析了深基坑工程在地下空間利用中的重要性及其帶來的地質災害風險，指出智能監測是有效防治相關災害的關鍵措施。

在現有研究中，針對包含多種監測對象的深基坑施工智能監測系統的研究相對缺乏。鑒于此，本文依托某深基坑施工工程，對基坑施工智能監測系統的監測效果開展研究，以為深基坑施工的安全、效率、決策及環境保護等方面提供重要的理論和實踐指導。

1工程概況

本文依托某深基坑施工工程，該基坑占地面積約150萬 m² ，總建筑面積約330萬 m² ，基坑開挖深度設計值為14.5m?；娱_挖形式為雙臺階開挖，并采用鋼筋混凝土內支撐與灌注排樁相結合的支護形式?；又車访婢M行了硬化處理，施工場地工程地質條件較好。

2監測系統設計

2.1 監測對象選取與確定

2.1.1 監測對象選取原則

在設計監測系統前，首先需要明確監測內容?；臃N類繁多，能夠反映基坑安全的參數也不盡相同，因此需選取具有代表性的監測對象，以反映不同類型基坑的穩定性。

2.1.2影響基坑穩定性的監測對象分析

水平位移能夠反映基坑邊坡土體在施工過程中發生的變形情況。傾斜度監測有助于判斷基坑是否處于正常變形范圍，還可以識別潛在的災害風險。降雨會影響基坑土壤的水分含量，從而改變土壤的物理性質和力學行為，增加土體的滑移或坍塌風險。地下水位的變化會影響土體的承載力和變形特性。地面震動可能導致周圍建筑物、地下管線及基坑支護結構的損傷，甚至引起土體的松動或崩塌。

2.1.3監測對象及儀器配置確定

基于上述深入分析，本監測系統的監測對象依次為地面震動、地下水位、降雨量、傾斜度和水平位移。與之對應的監測儀器分別為加速度傳感器、液位變送器、翻斗式雨量計、傾角傳感器和位移傳感器，以此構建起精準有效的監測體系。

2.2監測系統硬件設計

2.2.1采集設備對比分析

傳統的傳感器設備常通過采集儀與計算機相連接，這種連接方式存在功能較少且兼容性差的問題，只適用于特定設備，難以滿足復雜的監測需求。與之相比，測控機箱集成了多種功能模塊，包括數據采集、信號處理、存儲等，能夠實現系統的集中管理，具有更高靈活性，用戶可以根據需求輕松增減模塊，以適應不同的應用場景。

2.2.2測控機箱的系統設計

本文采用測控機箱作為數據采集設備，該設備機箱部分包含插拔卡槽用于連接通訊模塊，以實現不同類型傳感器的數據采集、保存和傳輸。對于不同監測對象的監測設備，需要通過有效連接才能協同工作。測控機箱采用TypeC型USB數據線與計算機相連接，通訊模塊通過熱插拔的方式與測控機箱連接，測控機箱與通訊模塊的連接需匹配型號。一個機箱可連接4個通訊模塊，每個通訊模塊可插入4個傳感器，測控機箱借助24V工業電源進行供電。

2.2.3監測傳感器選擇

基坑施工環境十分復雜，監測系統既要保障各項參數監測的穩定性，還要盡量降低施工人員的操作次數。傳感器通訊方式需滿足布線簡單、信號傳輸穩定、傳輸距離較長等要求?；诖?，各類傳感器均選擇RS485型，該類傳感器包含4根接線，正負極接線與電源相連接，另外兩根接線與通訊模塊連接。

2.3監測系統軟件設計

所有傳感器設備的監測數據通過監測軟件呈現在計算機上，本文監測系統采用模塊化設計，共劃分為4個模塊，分別為數據主控模塊、采集模塊、實時預警模塊和數據存儲模塊。

2.3.1 主控模塊

主控模塊主要負責監測軟件的運行與關閉、數據記錄頻率設置、采樣通道選擇。該模塊共16個數據采樣通道，用戶通過通訊模塊上的接口進行選擇，并可自主設定采樣頻率。除此之外，主控模塊還具有錯誤輸出插件，可監測傳感器工作狀態。

2.3.2數據采集模塊

數據采集模塊主要負責實時收集和傳輸與基坑施工相關的各類監測數據，并將其傳輸至中央控制系統進行處理和分析。作為監測軟件的核心模塊，該模塊可將傳感器監測到的電信號轉換為不同類型的監測數據，并繪制各項參數的實時變化曲線。

2.3.3 實時預警模塊

實時預警模塊是智能監測系統的特色模塊，可以根據預先設定的閥值與監測數據進行對比，若監測數據超過設定閾值，將觸發報警裝置。

2.3.4數據存儲模塊

數據存儲模塊的主要任務是記錄監測數據，并將數據保存為TXT文本?？深A先設定文件保存位置，文件內包含監測時間、日期、對象和數據。監測系統編程采用LabVIEW平臺，包含前面板和后面板兩個面板，后面板主要用于不同模塊的編程，前面板是用戶操作界面，前后面板需相互對應。

3監測系統現場應用

3.1 監測點布置

3.1.1 監測區域與傳感器布置

將該基坑東部區域作為主要監測區域，共布置11個傳感器，其中包含傾斜度和水平位移監測點各3個，地下水位和地面振動監測點各2個，降雨量監測點1個?；颖O測點布置示意如圖1所示。

3.1.2監測設備安裝

拉繩式水平位移傳感器的繩索一端固定在基坑一側，另一端連接到基坑另一側固定支架上。隨著物體產生水平位移，繩索隨之將被拉動，傳感器檢測到繩索的長度變化，并將這一變化轉化為電信號輸出，在計算機上顯示位移量。3個監測點之間的間距為 20m 。

傾角傳感器用于監測基坑在水平和豎直方向上的變形，傾角傳感器的布置位置與位移位移傳感器一致，安裝高度為 0.5m 。降雨量監測設備放置于基坑東側較為平整的地面上，其承雨口距離地面 0.7m ，且設備周圍5m內無遮擋物。地下水位監測設備放置于水位觀測井內，通過計算下方繩纜與井口高程得出地下數位高度，兩監測點間距離為 50m 。加速度傳感器安裝在道路附近和施工機械頻繁使用的位置，需確保安裝位置地面平整。

3.2監測結果分析

3.2.1水平位移監測結果分析

基坑水平位移監測結果如圖2所示。從圖2可以看出，在整個施工過程中，基坑水平位移變化呈現出先增大后趨于穩定的趨勢。在施工初期，基坑土體受到擾動，支護結構尚未完全承載起土體的外力，導致基坑邊坡出現較大的水平位移。隨著施工階段的推進，支護結構逐步發揮作用，土體的變形逐漸得到抑制，支撐力逐漸達到平衡，基坑周圍的土體變形趨于穩定。通過對比系統監測值與人工監測值，發現兩者的水平位移結果相差不大，最大誤差為 11.32% ，由此說明監測系統監測的水平位移結果精度較高。

3.2.2地下水位監測結果分析

地下水位監測結果對比如圖3所示。從圖3可以看出，在施工過程中，地下水位高度呈現出上下波動的趨勢，波動范圍為 72.4～72.7m ，變化幅度較為穩定。系統監測結果與人工監測結果的最大地下水位高度分別為 72.58m 和 72.65m ，監測系統對地下水位高度的最大監測誤差不足 1% 表明監測系統對地下水位高度的監測精度較高。

3.2.3傾斜度監測結果分析

傾斜度監測結果如圖4所示。從圖4可知，在基坑在施工過程中，水平方向傾斜度為 0^° ，豎直方向傾斜度為 44^° ，水平和豎直方向的傾斜度均無明顯變化。分析認為，基坑開挖后，在基坑邊坡表面進行了噴漿支護，為此基坑土體較為穩定。

3.2.4降雨量監測結果分析

降雨量監測結果如圖5所示。從圖5可以看出，在監測期間并無降雨，但降雨量監測設備監測到的降雨量呈階梯狀變化，表明監測系統對降雨量變化的監測靈敏度和精度均較高。分析認為，基坑在施工期間，由于定期進行噴霧降塵作業，導致降雨量出現變化。

3.2.5地面振動監測結果分析

地面振動監測結果如圖6所示。從圖6可以看出，加速度變化無明顯規律，在監測前期橫向和豎向加速度均有增大趨勢，監測后期橫向和豎向加速度降低至 0m/s² 左右，最大加速度達到 0.18m/s² 。這是由于在監測前期，監測點附近位置有施工機械作業，導致加速度較大，施工機械停止運行后，加速度穩定在 0m/s² 。

4結論

本研究基于某深基坑施工工程，介紹了基坑智能監測系統的硬件和軟件設計，并應用于實際工程中，對比了不同監測對象的監測結果，得出以下主要結論：

1）在施工期間，基坑水平位移先增大后穩定，地下水位呈上下浮動趨勢，浮動區間為72.4＼～72.7m，監測系統的監測精度較高。

2）與人工監測結果對比，水平位移最大誤差為 11.32% 地下水位監測誤差不足 1% 。在監測期間，土體加速度最大值為0.18m/s² ，豎直方向和水平方向的傾斜度均無明顯變化，基坑土體較為穩定。

參考文獻

[1]蔣進波.基于計算機視覺的深基坑周邊密集建筑群沉降監測方法[J].建筑結構，2022，52（S2）：2451-2458.

[2]傅一棟.鐵路站場改造的深基坑支護設計施工技術[J].公路，2021，66（10）：278-282.

[3]柏彬，陳勇，杜長青，等.基于物聯網技術的智能安全監控建筑信息模型[J].工業建筑，2020，50（4）：175-179.

[4]廖原，喬紹財，黃海榮，等.某超高層深基坑支護設計及智能監測技術的應用[J].桂林理工大學學報，2023，43（1）：100-107.

[5]齊紅升，肖成志，王子寒，等.深基坑智能聯網監測與預警系統的研究及開發[J].深圳大學學報（理工版），2020，37（1）：97-102.

[6]潘林有.基坑開挖地質災害分析及智能監測系統研究[J].自然災害學報，2005（3）：130-134.