遠程無線自動監測系統在深基坑工程中的應用研究

王文輝 周成峰 吳銘炳

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

遠程無線自動監測系統在深基坑工程中的應用研究

王文輝 周成峰 吳銘炳

(福建省建筑設計研究院 福建福州 350001)

遠程無線自動監測是未來監測的發展方向，能夠真正實現實時監測、實時報警，但目前在我省的應用僅僅是起步階段。本文結合深基坑監測工程實例，從深層土體位移、鋼筋內力、土壓力三個方面，進行了自動監測系統及技術應用研究，通過與傳統的人工監測數據對比分析，證明自動化數據采集的可靠性，并實現了深基坑工程遠程無線自動化監測、傳輸和成果分析。

遠程無線自動監測；深基坑監測；實時監測

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0 引言

隨著城市大量高層建筑的興建，深基坑大量出現[1]。當前，基坑開挖深度呈現越來越深的趨勢，相應基坑安全及變形要求也越來越高[2]。由于巖土工程問題的復雜性，巖土體的不均勻性和復雜性，巖土技術仍然不夠成熟，理論與實際相差很大，很多問題仍然依靠經驗來解決。在工程應用中采用測試手段，取得測試數據，分析判斷工程安全問題，是目前國內外解決巖土工程問題的通常辦法。

目前，監測技術大多仍然停留在傳統的人工現場測試階段，即主要靠派出測試人員到野外現場測得數據，然后回到室內整理、統計、繪制曲線、分析判斷、出具當日監測報告。不僅費力費時，效率較低，而且任務多時，疲于應付，造成部分工程監測頻率偏低，對工程安全分析判斷留下隱患。采用遠程無線自動監測，才能夠真正實現實時監測、實時報警。

近年來，遠距離無線自動化監測系統在水電站、公路、橋梁、隧道、邊坡、地鐵等多種場合的大型重點巖土工程項目中得到了運用，并取得了較好的效果，其特點是：監測儀器一旦安裝完畢，監測系統即可實現監測數據自動收集、存儲發送；技術人員在辦公室通過相應軟件隨時可以查看、下載監測現場儀器所收集的數據，然后通過數據處理，取得監測成果，避免現場人工操作帶來的種種不便[3]。但遠距離無線自動化監測系統在深基坑工程中應用相對較少。為此，本文結合基坑監測工程實例，采用傳統的人工監測與自動化監測同時進行，對監測數據進行對比分析，研究自動化監測的可靠性，研究深基坑工程遠程無線自動化監測數據采集、傳輸和基礎結果分析，取得良好效果。

1 遠程無線自動化監測系統組成

從功能上分析，遠程無線自動化監測系統主要由現場監測終端單元、數據傳輸單元和計算機監控及數據處理單元3個部分組成，如圖1所示。自動化監測系統現場布置安裝效果示意圖如圖2。

圖1 遠程無線自動化監測系統結構

圖2 自動化監測系統現場布置示意圖

2 遠程無線自動化監測系統安裝

2.1 固定測斜儀

固定測斜儀安裝步驟為：(1)定位；(2)埋設測斜管(內有導槽)；(3)安裝、固定測斜儀。所有固定測斜儀都分別由各自的電纜線連接，延伸于測斜管之外，連接到數據總線。

2.2 鋼筋計

鋼筋計安裝步驟為：(1)定位；(2)綁扎、焊接固定。另外，所有鋼筋計都分別由各自的電纜線連接，沿鋼筋籠鋼筋延伸于圍護樁之外，連接到總線。土壓力盒安裝同鋼筋計。

2.3 自動采集箱

自動采集箱一般由電源管理模塊、智能測量模塊、數據傳輸模塊構成：

電源管理模塊負責模塊供電及蓄電池的充放電管理，用于控制內置免維護蓄電池的充放電，并為測量單元提供電源。

智能測量模塊主要用于實現數據采集系統自檢、測量與控制、數據存儲、數據通訊、內部電源管理等。

數據傳輸模塊負責數據和命令在傳感器、采集模塊、遙控主機之間的傳輸。 北京基康自動監測系統所有傳感器通過一根總線接入智能測量模塊，數據和命令在傳感器、采集模塊、遙控主機之間的傳輸通過數據傳輸模塊進行。

2.4 自動化監測系統軟件

在完成測點埋設、各監測傳感器接入采集箱采集模塊后，安裝、運行自動化監測系統軟件，系統注冊，進行無線通訊連接調試后，通過自動化監測系統軟件對其單元配置和測點配置選項中的相關參數進行自動化配置，主要包括單元信息、通訊方式、測點信息、測量方式及報警值設置。利用GPRS網絡，用戶監控主機只需通過INTERNET網絡與中心端連接(中心端是一個有固定IP地址的服務器，該服務器與現場監測設備的IP地址連接)，點擊測試連接和單元控制選項，即可實現對基坑監測數據進行遠程采集、傳輸。自動化監測系統軟件功能結構劃分如圖3所示。

圖3 功能結構劃分圖

3 工程應用

3.1 工程概況、監測點布置

某工程場地位于福州市臺江區北江濱路北側，設有四層地下室，基坑開挖深度19.3m(坑中坑開挖深度25m)，采用沖鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水，三道砼內支撐。場地土自上而下依次為：(1)雜填土；(2)粉質粘土；(3)淤泥；(4-1)粉質粘土；(4)中砂；(5)淤泥質土；(6)中砂；(7)卵石。

圖4 基坑監測點布置圖

監測點C7、C14位置分別布置手工、自動土體深層位移監測點，圍護樁鋼筋應力監測點和圍護樁外側土壓力監測點，監測點平面圖見圖4，C7、C14支護結構簡圖如圖5所示。

3.2 監測成果分析

自動監測系統采集數據，通過辦公軟件Office和繪圖軟件Origin8.0將之或與手動監測數據對比分析，或繪圖分析。

為便于對比，按基坑開挖不同階段時間節點及支撐施工、土方開挖深度如表1：根據人工采集、自動采集數據進行對比。

圖5 (a)C7支護結構簡圖， (b)C14支護結構簡圖

表1 施工監測時間節點及支撐、土方開挖深度

3.2.1 深層土體位移

由于自動化監測需在測斜管中埋設固定測斜儀，受經費限制，固定測斜儀數量一般偏少、測點間距偏大，因此，自動化監測精度主要受測點間距大小控制，測點間距越小、精度越高，C7位置深層水平位移手工、自動監測數據對比見圖6。

圖6 手工、自動監測數據對比圖

分析圖6可知，手工和自動監測的深層水平位移-深度曲線形狀基本相同，隨著深度增加，位移逐漸增大，在開挖面附近達到最大值，隨后又慢慢減少。

對自動監測而言，在相同深度位置，深層水平位移變化趨勢與手工的基本一致。當水平位移較小時，手、自動監測結果基本相同；但當土體位移較大時，相比較而言，手、自動監測結果偏差會增大，分析主要原因如下：

(1)手工、自動監測系統本身存在一定誤差；

(2)自動監測傳感器之間的距離較大，約為3.0m，其監測數據點距離約為手工的3倍，精度相對差些；

(3)監測點測斜管埋置的位置有差異，自動監測測斜管埋置在圍護樁附近的土體中，而手動監測測斜管埋置在圍護樁中。

(4)受基坑內支撐影響，支護樁變形存在彎矩反彎點。

3.2.2 鋼筋內力

考慮到成本和儀器設備的兼容性問題，采用工程上常用的鋼筋應力計外接數據采集處理器， C14位置圍護樁內共布置6支海巖鋼筋應力計。

經對比，人工采集鋼筋應力頻率與自動采集頻率相同。

根據鋼筋應力頻率率定曲線計算鋼筋受力。采用Office軟件對數據進行處理，繪制鋼筋應力時程曲線，見圖7～圖10(負值表示受壓)。

圖7 圍護樁基坑內側鋼筋內力圖(坑內不同深度)

圖8 圍護樁基坑外側鋼筋內力(坑外不同深度)

圖9 深度=16.0m，圍護樁基坑內、外側鋼筋內力

圖10 深度=28.0m，圍護樁基坑內、外側鋼筋內力

圖7中曲線可以看出，圍護樁基坑內側不同位置處鋼筋受力狀態不同，隨基坑開挖深度增加，時程曲線變化趨勢也不同。在9.5m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，內力先逐漸增大，隨后趨于穩定；在16.0m處，鋼筋受壓，隨基坑開挖深度增加，內力逐漸減小；在22.0m處，鋼筋在受拉、受壓之間來回波動，隨基坑開挖深度增加，內力大小呈鋸齒狀；在28.0m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，內力基本上逐漸增大。

圖8中曲線可以看出，圍護樁基坑外側不同位置處鋼筋受力狀態不同，隨基坑開挖深度增加，時程曲線變化趨勢也不同。在16.0m處，鋼筋受拉，隨基坑開挖深度增加，整體上呈增大趨勢；在28.0m處，鋼筋先受拉，隨后很快進入受壓狀態，隨基坑開挖深度增加，內力基本上逐漸增大。

圖9和圖10中曲線可以看出，同一深度處的鋼筋計應力發展變化呈對稱式。

綜合分析圖7～圖10中鋼筋內力時程曲線特征，可以得出以下結論：

(1)在不同深度處圍護樁基坑內、外側鋼筋內力正負號相反，由此可推知在基坑開挖深度以下某個位置存在彎矩反彎點；

(2)同一深度處的鋼筋計內力呈對稱式發展變化。

上述規律符合圍護樁受力規律。

3.2.3 土壓力

同鋼筋內力一樣，考慮到成本和儀器設備的兼容性問題，采用工程上常用的土壓力計外接數據采集處理器， C14位置圍護樁外側沿深度方向共布置3支海巖土壓力盒，自動化監測系統對土壓力盒頻率進行采集和傳輸，經對比，自動采集和人工采集的土壓力頻率變化相同。

利用Office軟件對數據作進一步的處理，繪制圍護樁基坑外側土壓力隨工況的時程曲線見圖11。

圖11 圍護樁基坑外側土壓力

圖11中曲線可以看出，隨著開挖深度增加，由于圍護樁變形不大，同一深度處土壓力變化不大；在同一工況條件下，隨土體開挖深度的增加，土壓力先增大后減小。樁側土壓力大小主要與埋設深度和開挖深度有關。

上述工況二、三條件下，基坑開挖深度約為6.5～11.2m，深層水平位移在10m左右達到最大值，樁側土壓力深度分別為5.0m、9.5m、16.0m，深度為9.5m位置的壓力值最大，符合位移-土壓力理論(土壓力跟深層水平位移值呈正比)土壓力變化規律。

4 結論

(1)通過遠程無線自動化監測系統應用于深基坑監測的工程實踐，掌握了深基坑遠程無線自動化監測技術，大大降低了技術員的勞動強度、提高了工作效率；

(2)通過人工監測與自動化監測數據對比，兩者測試結果的規律相同，數據大小基本相同，說明自動化監測精度基本滿足要求。產生誤差的主要原因是由于測斜管內自動化監測的固定式測斜儀(監測元件)數量較少，監測點內測試元件之間距離偏大，導致監測精度偏低，但基本上不影響變形的分析、判斷。在以后工程中，可通過合理地增加固定式測斜儀數量來提高監測精度；

(3)圍護樁鋼筋內力、外側土壓力自動化監測結果與人工監測結果完全相同，在基坑開挖深度以下某個位置圍護樁存在彎矩反彎點，鋼筋應力受力條件出現變化；同一深度處的鋼筋計內力呈對稱式發展變化，符合圍護樁受力情況；

(4)土壓力變化與圍護結構變形有關，變化較小的情況下，土壓力變化較小，圍護樁變形較大時，土壓力變化較大，符合土壓力理論和工程實際。

[1]楊佳，張志強，張強勇，等．深基坑安全監測信息分析系統的開發與應用[J]．地下空間與工程學報，2010，6(6)：1247．

[2]吳振君，王 浩，王水林,等．分布式基坑監測信息管理與預警系統的研制[J]．巖土力學，2008，29(9)：2503．

[3]楊育文，殷建華，涂望新．巖土工程自動化監測系統及其應用[J]．城市勘測，2002，(1)：7．

王文輝(1968.2- )，男，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、監測方面的工作。

周成峰(1986.11- )，男，助理工程師，主要從事巖土工程勘察、監測方面的工作。

吳銘炳(1962.11- )，男，教授級高級工程師，主要從事巖土工程方面的工作。

The application of long-range wireless automatic monitoring system in deep foundation pit engineering

WANGWenhuiZHOUChengfengWUMingbing

(Fujian Provincial Institute of Architectrual Design and Research,Fuzhou 350001)

Long-range wireless automatic monitoring which can truly achieve real-time monitoring and real-time warning, is the future direction of monitoring. However, this technology in our province is only in the beginning stages. In this paper, combined with engineering examples of deep foundation pit monitoring, automatic monitoring system and technology application are researched in respect of the displacement of deep soils, steel stresses, soil pressures. It is proved that the automatic data collection is reliable by comparing with the traditional manual monitoring data. Finally, Long-range wireless automatic monitoring, transmission and result analysis of deep foundation pit engineering are realized.

Long-range wireless automatic monitoring;Deep foundation pit monitoring;Real-time monitoring

王文輝(1968.2- )，男，高級工程師。

2015-11-23

TU47

A

1004-6135(2015)12-0077-05