董吴 张平 孙婧楠 陆建峰
常熟市恒翔建设有限公司
【摘要】：为了及时地获取监测数据，采用基坑自动化监测系统对常熟市沃尔玛东侧绿地公园人防工程进行在线监测。该系统通过自动监测设备和通讯装置，对该深基坑围护结构及周边环境的变形、内力、地下水位等变化实现自动化监测，并集成了监测数据分析功能、监测信息预警预报功能和工程资料管理功能。应用结果表明，该系统相对传统人工监测具有优势，能对深基坑工程进行实时准确监控，及时预警可能出现的险情。
【关键词】：基坑监测工程；深基坑；自动化监测技术；优势；实时监控
1引 言
沃尔玛东侧绿地花园地下人防工程，地下二层，地下建筑面积为14000㎡，地下室长约96m，宽约91m，整个基坑面积约7800㎡，基坑周长约370m，基坑一般开挖深度在9.9m，局部12m。基坑周边环境复杂，基坑西侧南侧邻近河道，东侧北侧为城市道路且地下管线居多，距离最近地下高压电缆约3.9m。该深基坑工程建设难度大、安全风险高。
目前，很多深基坑仍然在用一些比较传统的监测方法，人力、物力消耗多、工作量大，且不能够保证所得到的监测数据的准确性和可信度。本工程采用的深基坑全自动监测系统，主要采用全自动监测设备，从设备的埋设、数据采集、自动上传、数据分析反馈等步骤。通过自动化监测获得数据随时能够准确的掌握基坑具体情况和周边建筑物及管线的安全。为工程施工提供精确的数据支持，直观反映整个工程的安全状况。
2工程概况
常熟市恒翔建设有限公司对印象城东侧绿地公园进行改造，由苏州常宏建筑设计研究院有限公司负责监测，常熟市诚建工程监理有限公司负责监理，江苏顺丰建设有限公司负责施工。
该工程占地面积约为7700㎡，总建筑面积约为14000㎡，地下建筑分为两层，地下面积共14000m2；根据设计图纸地下地下室长约96.0m,宽约91.0m,整个基坑面积约为7800m2，周长约为370.0m；采用建筑筏桩基础。
该地下室为二层，地下室结构顶板标高分别为-5.30m、-10.05m（±0.00相当于黄海2.90m）。地下室底板板厚为550mm，垫层100mm，地下室一般开挖至-10.70m，局部地段(南侧)地下室底板为-11.85m及-12.50m，该位置开挖至-12.50m～-13.20m之间。根据勘察报告提供，该场地地面标高在-0.70～+0.66m之间（黄海标高为2.20～3.56m之间），场地地面平均标高在-0.20m左右，本次设计采用地面整平标高为-0.20m，因此，基坑地下室一般开挖深度在10.50m左右，在基坑南侧开挖深度在12.30～13.00m之间。
2.1岩土工程条件
根据本场地的岩土工程勘察报告，基坑开挖影响范围内的地层如下：
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2.2工程地质及水文地质概况
水文地质条件：本工程场区地下水主要为孔隙潜水、微承压水、承压水三类。
(1)孔隙潜水
孔隙潜水主要赋存于浅部填土和粘性土层中，受区域地质、地形及地貌等条件的控制。潜水主要接受大气降水的入渗补给，同时接受沿线污水、自来水的渗漏补给。其富水性受岩性和厚度控制，因含水层渗透性差，单井涌水量较小，为民井开采层位，水质尚可。
勘察期间实测潜水初见水位埋深1.10～1.80米，稳定水位埋深在0.90～1.60米（因地形高差影响），相应高程为1.14～1.49米，年水位变幅为1.00m，3～5年最高潜水位标高为2.50m。
(2)微承压水
微承压水赋存于第一隔水层下的粉（砂）土层中，埋深8.40～9.80m，厚度4.90～6.20m，赋水性中等。其补给来源为大气降水、地表水及上部潜水垂直入渗，以民间水井取水及地下迳流为其主要的排泄方式。受地形、地貌影响，微承压水位的初见水位及稳定水位略有变化。
该场地微承压水含水层主要为⑥层粉砂夹粉土层。勘察期间测得该微承压水稳定水头标高为-0.20 m。
(3)承压水
承压水主要赋存于深部的粉土土层中，该层层顶埋深大于25.50m，赋水性中等，具有相对较好的封闭条件，其补给来源为其上部松散层渗入补给、微承压水层与之联通补给、越流补给及地下迳流补给，其排泄方式主要是人工开采，其次是对下部含水层的越流补给及侧向迳流排泄。该承压水稳定水位标高为-2.50m。
场地潜水按环境类型对混凝土结构具微腐蚀性，按地层渗透性水对混凝土结构的具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水环境中具微腐蚀性，在干湿交替环境中具微腐蚀性；下部微承压水、承压水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均为微腐蚀性。
2.3基坑周边环境状况
该基坑位于常熟市青墩塘路以南、张家港河以东。
基坑东侧：距道路路边距离为6.90m，距用地红线为5.2m左右。距交家电门面房在18.0m以上（采用天然地基，基础埋深在1.50m左右）。
基坑北侧：距青墩塘路人行道在4.5m左右，距最近的地下高压电缆在3.9m左右。
基坑西侧：为张家港河，基坑距河道在20.0m左右。
基坑南侧：为河道，距现有河道驳岸最小距离在4.60m左右，驳岸基础埋深在4.0m左右。
基坑影响范围内主要管线分布
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2.4深基坑围护工程概况
本围护工程设计采用一排钻孔灌注桩+两道钢筋混凝土内支撑，一排三轴水泥土搅拌桩止水的支护形式。具体方案：
1、在标高-1.20m以下采用桩长为19.5m、21.5m、23.5m的Φ800及22.5m、23.5m、25.5m的Φ850钻孔灌注桩和桩长为16m、18m、19m、19.5m的Φ850三轴搅拌桩进行加固。
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基坑平面图
2、钢筋砼支撑体系：冠梁：断面1000×700mm2，主筋12Φ25（HRB400）+6Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200。二道内支撑，第一道内支撑中心标高为-3.40m，腰梁（YL1）：断面1000×700mm2，主筋18Φ25（HRB400）+10Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200。环梁（HL1）：断面1000×700mm2，主筋12Φ22（HRB400）+10Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200。支撑梁（ZCL1）：断面700×700mm2，主筋12Φ25（HRB400）+6Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200；第二道内支撑中心标高为-7.70m，腰梁（YL2）：断面1400×700mm2，主筋28Φ25（HRB400）+12Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200，环梁（HL2）：断面1400×800mm2，主筋18Φ22（HRB400）+12Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200，支撑梁（ZCL2）：断面800×800mm2，主筋12Φ22（HRB400）+6Φ18（HRB400），箍筋Φ8@200。
3 自动化监测系统
3.1系统工作原理及特点
自动化监测系统通过预埋传感器于各个基坑监测部位，使这些数据传输到网络数据库，通过软件将这些数据汇总计算分析，了解基坑各个部位的实时动态情况。
该系统通过预设采集策略(观测频率)，以达到实时监控的目标，观测频率可以是几分钟一次，也可以是半个小时一个小时一次，完全满足我们对基坑安全实时掌控的需求，效率远远高于人工监测进程，数据精度也可以得到一定的保证，消除了人工偶然误差，在一定程度上也消除了很多客观因素对于数据的影响，例如施工现场的振动，人工观测情况，现场大型机械的振动可能导致数据误差甚大，甚至是错误，而自动化监测系统的数据，通过观测频率的设置，甚至可以分析出振动对于整个数据的影响幅度和规律。温度的影响，人工观测仪器直接暴露在温度环境下，低温或者高温暴晒对数据都会产生影响，但是传感器，预埋与围护围护结构各个部位以内，不会暴露与空气中，温度相对稳定，而且目前部位传感器已具备测温功能，甚至是温度修正系数的概念，所以温度的影响，通过自动化监测系统可以掌握规律，甚至是通过修正系数来减少甚至消除这部分误差。
3.2基本组成
自动化监测系统大致可包括：云平台、现场采集发送设备、传感器设备三部分。
传感器设备是整个系统的末梢，分布于基坑的各个监测部位，通过预埋各种类型的传感器，来了解基坑各个监测部位的实时变形状况。
现场采集发送设备，是施工现场的"大脑"，在云平台与各个传感器之间建立连接，云平台发送采集策略等指令，通过现场采集发送设备，向传感器布置数据采集任务，各个传感器发送采集数据，通过现场采集发送设备，向云平台提交数据，共云平台计算分析。
云平台存在于网络，含数据库系统，通过人机交互、数据库系统，扮演着整个系统的大脑角色，计算分析数据、发布指令等。
3.3数据采集系统
数据采集系统是重要的组成部位，扮演着中继和现场主控的角色，数据采集系统包括mcu主控模块、数据采集模块、无线传输模块、电源系统、避雷系统等。
主控模块，整合数据采集系统中的各个模块功能，含现场简易输入输出功能，可以在现场完成简易的查询、查障、设置等操作。
数据采集模块，不同的传感器规格、性能、数据格式等各不相同，需要有不同的采集模块对其进行控制，读取数据。
无线传输模块，即云平台与数据采集系统之间的传输功能，上传采集完成的数据，下载云平台指令。
电源系统，需要对数据采集系统进行供电，目前可分为太阳能、市电两种，利弊各有千秋，可根据施工现场实际状况选择。
避雷系统，目前主要为物理避雷，设置接地，避免雷击或者电源异常导致不必要的设备损坏，或者数据的流失。
3.3.1深层水平位移监测
深层水平位移监测，即我们监测行业俗称的"测斜孔"，人工监测采用一个测斜仪探头，对测斜孔中固定位置(间隔)采集数据于手簿中，回来以后电脑上处理成曲线。
自动化传感器采用相同制式的探头，通过预埋于固定位置(间隔)，自动读取各个深度的实时位移数据，存储于数据库中，通过同一个孔多个探头，组成该孔不同深度的位移曲线。
3.3.2支撑轴力监测
支撑轴力根据埋设位置、支撑类型、围护方式的不同，可分为很多种传感器，本次基坑主要为混凝土支撑(两道)，传感器主要采用钢筋应力计，埋设于混凝土支撑截面的主筋上，混凝土浇筑完毕以后，每个钢筋应力计伸出一根数据传输线，并入自动化监测系统数据采集设备。
混凝土支撑内力计算，受温度影响很大，钢筋应力计带有测温功能，一方面埋设于混凝土中，温度相对稳定，另一方面，每个钢筋应力计出厂均带有特定的温度修正系数，通过平台预设，可以消除温度引起的误差，保证数据的准确性。
3.3.3地下水位
地下水位采用压力水位计，通过固定面受水压压力情况，换算水位深度，我们固定水位计探头深度，以此来观测水位液面的变化情况。
3.4 无线组网
自动化监测系统采用DTU无线传输技术，系统设备
无线组网情况如下图所示：
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根据基坑施工现场的特点，无线组网甚为重要，不能占用施工现场太多空间，对基坑施工造成不便，也为自动化系统设备、数据安全考虑，避免造成不必要的损失。本系统通过手机卡上网方式实现无线传输功能，数据传输速度极快，数据传输质量，出现错误数据情况甚微。
3.4.1无线数传采集
数据采集设备与各个基坑监控部位的传感器连接，采用无线传输，每个每组传感器连接一个数据发送接收设备，物联数据采集设备，实现数据采集设备一点到各个传感器多点之间的连接，这点非常重要，如果不采用无线传输，而采用有线连接，那么一点到多点的连接，在施工现场是一张有型的"大网"，其施工复杂程度、安全角度，都是很大的问题。
3.5 监测数据管理平台
采集到的实时数据上传至云平台数据库以后，数据管理软件通过对数据库数据的管理、计算、分析，对基坑安全情况进行预判，管理、计算、分析方式可通过预先设置，如特定工地采用特定的采集策略，报警策略，采集到的观测数据不能直接利用，通过人工计算的那些计算公式、流程，把观测数据转换成成果变形数据，我们直接对成果变形数据形成的曲线进行分析，一方面软件预判、另一方面人工分析，万无一失。
3.5.1 平台实现方式
平台实现方式流程如下图所示：
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3.5.2 平台功能架构
平台结构主要分为：首页、监测、测点、设备、报表、报警、管理等部分。
首页：显示工程总体概述情况，设备情况、数据情况、现场分布情况等
监测：变形数据详细情况，包括实时数据，历史数据，展示便利，对各个部位的情况一目了然。
测点：包括分布情况、传感器设置功能。
设备：包括设备总览、组网情况、设备管理查询、采集策略(观测频率设置)等功能。
报表：对报表格式、生成、发送等方面的设置。
报警：报警情况总览，设置报警策略，每个传感器，甚至每个测点进行报警值设置，报警信息发送设置等功能。
管理：工程信息的展示、设置，成员权限的设置等功能。
4监测系统分析流程及成果展示
4.1监测系统结果分析流程及整理
（1）在现场设立微机数据处理系统，进行实时处理。每次观察数据经检查无误后送入微机，经过专用软件处理，自动生成报表。监测成果当天提交给业主、监理、设计等。
（2）专业监测人员分析当天监测数据及累计数据的变化规律，并经项目总工审核无误后当天提交正式报告。如果监测结果超过设计的警戒值即向建设方、监理方发出警报，提请有关部门关注，以便及时决策并采取措施。严格遵循以下流程：
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（3）每个施工阶段提供监测阶段报告，监测工程结束后三周内提供监测总结报告。
（4）建立值班日志，每天详细记录工程进度及监测情况。
（5）建立日报表制度，每天及时提交日报表，其内容主要有：
①当天的监测结果在量测完毕二小时内以电子邮件或传真方式反馈至设计单位。第二天中午前提交正式监测报表；
②通过监测数据对基坑周围环境变形作简单分析。
（6）最后形成《项目基坑信息化施工监测成果报告》。
4.2监测成果展示
通过对本次工程监测成果统计得：
基坑北侧自动化测斜孔CX03最大位移5.3482mm，发生在2019年10月20日中午11点，最大值位于该孔上方第一个探头，距离孔口地平1m的位置；
基坑东侧自动化测斜孔CX08最大位移-11.7065mm，发生在2019年8月28日早上7点，最大值位于该孔上方第三个探头，距离孔口地平14m的位置；
基坑北侧自动化水位孔SW02最高水位8752.89mm，发生在2019年9月30日中午12点，最低水位7482.64mm，发生在2018年12月14日晚上19点。
基坑东侧自动化水位孔SW04最高水位8509.86mm，发生在2019年2月12日下午16点，最低水位5392.75mm，发生在2019年4月21日晚上21点。
基坑混凝土支撑内力最大值9414.07kN(受压)位于第二道混凝土支撑东侧，编号B16，发生在2019年6月5日下午18点。
基坑东侧坡顶沉降最大值-31.149mm(上升)，位于基坑东侧边北面S07，发生在2019年8月23日下午15点。
5结语
本深基坑工程监测经过分析与报警值的比对，未有数据报警情况，全过程处于安全可控状态。仅有的报警只是设备报警，并经过故障排查得以修复。在本工程之前本市范围内尚无深基坑工程采用自动化监测新技术，我公司代建的沃尔玛东侧绿地花园地下人防工程为全市首家。通过对深基坑工程进行自动化监测，能够对监测数据实行“不落地”上传，在数据处理和检索方面别具优势，集合了多项监测项目的数据处理功能，能够统一计算模式，及时分析数据精度及计算结果，实现了分级报警，分级处理，信息共享的工程安全管理模式，实时掌控深基坑工程的安全状态，最大限度的保证了基坑和周边环境的安全。
参考文献：
[1]苏州常宏建筑设计研究院有限公司.沃尔玛东侧绿地花园地下人防工程基坑监测方案[R].江苏常熟海虞北路9号：姚雨川，2017
[2]建筑基坑工程监测技术规范：GB 50497-2009[S].中国计划出版社，2009.
[3]建筑基坑支护技术规程：JGJ 120-2012[S].中国建筑工业出版社，2012.