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深基坑工程自动化监测关键技术探讨李国栋

发表时间：2020/12/29 来源：《基层建设》2020年第24期作者：李国栋郑铁当张乾坤

[导读] 摘要：深基坑工程作为建筑整体工程的一部分，在深基坑施工过程中，必要的监测程序是必不可少的。

        中铁科学研究院有限公司深圳分公司广东深圳 518047
        摘要：深基坑工程作为建筑整体工程的一部分，在深基坑施工过程中，必要的监测程序是必不可少的。相比较传统的人工监测手段，传统的人工基坑监测工作量大，数据传输和计算不及时可能会造成严重的后果，将自动化智能监测技术应用于实际工程中，可减少人工操作，达到实时预警，具有显著的现实意义，基于此，本文针对深基坑工程中自动化监测的关键技术核心进行探讨，希望带给大家参考意义。
        关键词：深基坑；路基轨道板沉降变形；自动化监测；关键技术
        引言
        目前在大多数建筑工程的深基坑项目作业中，人工监测方式仍然是深基坑项目监测的主流。从实际效果上看，传统人工监测方式存在着数据采集时间间隔过长、人力资源消耗过大、信息数据反馈速度慢、无法满足基坑支护体系内外应力形变实时监测等问题。而且深基坑监测本身就由于其工程危险性、突变性受到了测量器材精度制约与场地气象环境制约等，无法很好地对工程内部情况进行精准测量。在这样的局面下，依靠现代化设备与信息化技术的深基坑自动化监测技术得到了广泛应用。
        1、工程概况及水文地质情况
        1.1 某沿海地区深基坑工程，交通便利。在地貌上属于海陆交互堆积平原地貌。东侧为在建广场基坑，约挖深19.3m，四层地下结构。地铁为地下结构，监测段长280m，为左右支线结构，隧道结构顶埋深约15m。
        场地区域属海陆交互相堆积平原地貌，基坑开挖主要为填土层及淤泥层组成，坑底主要为淤泥层。场区地下水类型属潜水，根据其赋存方式分为：一是第四系土层孔隙潜水；二是第四系松散岩类孔隙承压水；三是基岩裂隙承压水。场地内地下水稳定水位埋藏深度介于0.40-3.00m，相当于标高1.35-3.66m。
        2监测目的与依据
        由于地质条件、荷载条件、材料性质、地下构筑物的受力状态和力学机理、施工条件以及外界其它因素的复杂性，岩土工程迄今为止还是一门不完善的科学技术，很难单纯从理论上计算和预测出工程中可能遇到的问题，而且理论预测值还不能全面而准确的反应工程的各种变化。所以，在理论分析指导下有计划的进行现场监测是十分必要的。
        监测是对工程施工质量及其安全性用相对精确之数值解释表达的一种定量方法和有效手段，是对工程设计经验安全系数的动态诠释，是保证工程顺利完成的必需条件。在预先周密计划下，在适当的位置和时刻采用先进的仪器和方法进行监测可收到良好的效果，特别是在工程师根据监测数据及时调整各项施工参数，使施工处于最佳状态，在实行“信息化”施工方面起到日益重要的、不可替代的作用。
        城轨路基轨道板沉降监测必要性及目的
        目前，基坑施工对广珠城轨影响区段风险区，仅采取了隧道洞内拱顶沉降及拱腰收敛位移的监控方案（长度260m，断面间距20m，每个断面含1个拱顶沉降测点及1对拱腰收敛测点），重点针对隧道结构管片变形进行监控，其作用主要是监测洞身和支护结构变形情况。考虑到基坑距离城轨较近，基坑施工潜在可能对旁侧城轨的影响，仅对隧道管片结构变形实时监控，尚不能很好掌握隧道整体工作状态，尤其重点是早期变形期，列车对路基沉降更敏感、反应更直接，而且路基沉降变形病害直接关系到列车试运行或者运行期的行车安全。为此，在既有监测工作基础上增加对轨道主体轨道板沉降变形的直接在线监控能及时掌握路基沉降信息，提前预警，对于维护列车安全营运、防止安全风险具有重要作用，也对合理分析基坑建设的影响程度提供有力依据，因此该项监测工作是很有必要的，也符合相关规范要求。
        3监测方案
        3.1系统介绍
        本监测系统主要由无线智能传感器、中继器、基站、服务器和平台软件组成。系统运行时，智能传感器将实时感知采集城轨路基轨道板沉降变形数据，并无线传输至基站（传输距离较远增配中继器），经基站通过远程通讯系统无线传输至Internet，监测数据在服务器后台进行分析处理，最后在平台软件形成监测成果曲线直观展示，供管理及技术人员实时准确掌握轨道板沉降变形动态。

        路基沉降自动化监测系统工作示意图
        3.2系统优势
        系统传感器之间以及传感器与基站之间不需线缆连接，彻底解决现有相关监测系统易遭破坏、难以保护的问题和无法大量应用的困境；传感器采用低功耗设计，系统免维护可持续工作3年以上；同时，传感器体积小、安装便捷及性价比高，适于大量推广应用。
        3.3 工作原理
        （1）工作原理
        ① 纵向沉降变形：工作时，沿线路向轨道板同侧连续间隔布设传感器，可以实时感知计算城轨路基轨道板竖向沉降位移变化量，计算原理见下图：

        纵向沉降变形计算简图
        按从左至右的顺序，各传感器沉降变化量分别为△L1、△L2、△L3、…△Ln，通过连续地对各分段进行计算，可得到区段沉降竖向变形分布时域曲线。
        选定一个相对不动参考点后，第n个测点相对于参考点的沉降量即为各分段沉降量之和，其计算方式为：
        △S=△L1+△L2+△L3+••••+△Ln
        ② 横向差异沉降：在工作时，垂直线路向轨道板两侧布设传感器，可以实时感知计算城轨路基轨道板竖向沉降位移变化量，计算原理见下图：

        横向差异沉降计算简图
        按从左至右的顺序，左侧各传感器沉降变化量分别为△左L1、△左L2、△左L3、…△左Ln；右侧各传感器沉降变化量分别为△右L1、△右L2、△右L3、…△右Ln。轨道板宽度为B，则横向差异沉降△S为：
        △Si（i=1，2，3...n）=（△左Li-△右Li）/B
        （2）监测精度
        传感器测量精度0.02%F.S.，步长6m，监测精度1mm。
        4实际基坑监测情况
        4.1 传统人工监测
        所谓传统人工检测，其实就是施工现场需要专门的人员，由测试人员在实地采集数据，将数据带回室内进行处理分析并判定相应结果，得出报告，全程需要人工完成。在此期间，由于没有自动检测设备，只能由测试人员进行现场测读，时间间隔一般在若干小时，难以保证实时不间断的监测，因而有次监测不及时，到达现场发现测斜管已经断裂，大量管网水漏出并渗入边坡土体，现场情况比较危险。
        由此可以发现，传统的人工检测方法存在许多限制，只能是专门测试人员
        按照一定时间间隔去固定位置进行现场检测，而无法了解其实时动态变化，既耗费大量人力物力，又无法准确有效全面的防止危险发生。在特殊的自然环境导致其在雨水天气很容易发生危险，已有的基坑安全事故记录也证明了这一点，而人工检测显然无法完全保障施工安全。
        4.2 自动化在线监测
        基于传统人工检测的种种限制和问题，，自动化在线监测正式登场，具体检测工作如下：
        ①基坑顶部变形（沉降、位移）监测；
        ②邻近建、构筑物的沉降、倾斜监测。
        在自动化智能监测系统的技术支持下，当前已经能够满足施工过程中精准高效的获取监测数据，并且通过网络能够实现数据的实时快速传输，而云平台数据的逐步完善也能够满足应用人员的实时远程查询要求。这样的硬件与技术保障下，施工现场的基坑支护一旦发生任何异常状况，都会被监测设备第一时间发现，并且通过相应渠道反馈预警，及时提醒施工人员发现问题，解决问题，保证工程平稳、安全、顺利的开展。除此之外，实际运用中，也能够根据不同的需求设置采样间隔；也可以对报警值进行预设，达到预设值就会进行报警提示。相应的，也可以对报警等级进行预设，不同的报警等级有对应的责任单位或部门，一旦达到就会预警通知，确保有人及时反应。
        参考文献：
        [1]吴健，万国平，司拴牢，张雪云，司同.大厚度湿陷性黄土场地建筑深基坑自动化智能监测应用研究[J].工程质量，2020，38（2）：37-41.