大厚度濕陷性黃土場地建筑深基坑自動化智能監測應用研究

吳 健，萬國平，司拴牢，張雪云，司 同

（1.甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州市建設工程安全質量監督站，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅第七建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，地下空間開發利用向著更深、更大的方向發展。在我國西北黃土高原地區，削山填溝造地等成為土地開發利用的重要方式之一，而這一地區特有的大厚度濕陷性黃土場地深基坑安全質量控制就成為工程建設中越來越突出的問題［1］。基坑監測是保障基坑安全的最后防線，自動化智能預警監測是主動控制建筑深基坑安全穩定的有效措施之一。

本文針對某大厚度濕陷性黃土場地深基坑自動智能監測應用，對比傳統人工監測和自動化在線監測的優缺點，分析大厚度濕陷性黃土場地深基坑自動化在線監測預警的必要性，并對該技術在今后推廣應用中應改進的地方提出了建議，供行業參考。

1 大厚度濕陷性黃土場地深基坑施工與監測

大厚度濕陷性黃土場地深基坑工程施工設計目前處于尚不成熟階段。由于該地質條件的特殊性，在進行施工過程中人工監測的滯后性和不可持續性，往往對大厚度濕陷性黃土場地不能及時有效地進行預警，通過安裝深、表層等各類傳感器和應力計，及時感知土層和支護結構的應力狀態，實時自動化智能監測并傳輸數據，根據設定的預警區間進行及時處置現場不利狀態，從而來確保施工現場和基坑周邊環境的安全性。

1.1 大厚度濕陷性黃土場地深基坑設計理論

目前在濕陷性黃土場地的深基坑支護計算時，對于非飽和黃土計算理論尚處探索階段，通常以概念設計為主，計算參數的取值，重要性系數和安全度主要依靠設計人員的工程經驗。所以，為了強化濕陷性黃土地區建筑深基坑設計理論的完善，亟待通過工程現場各類監測數據的積累分析，提升該類場地基坑支護設計的針對性和科學性。

1.2 大厚度濕陷性黃土場地深基坑的特點

大厚度濕陷性黃土場地基坑安全事故一般都和水的浸入有關，基坑側壁土體遇水增濕后，其強度將顯著降低，而水的浸入具有隱蔽性、偶然性、不確定性。

1）水的浸入會對坑壁的穩定性產生威脅，特別是地下管網破裂產生的水，因其不易被發現，造成的后果往往更為嚴重。

2）預應力錨索失效，導致基坑支護結構變形過大，支護樁彎矩加大，影響基坑安全。

3）周邊建筑物地基土浸水后出現濕陷、軟化，建筑物下沉變形開裂。

1.3 大厚度濕陷性黃土場地深基坑信息化監測的必要性

1）基坑監測數據是基坑工程現場管理人員判斷工程是否安全的依據。由于大厚度濕陷性黃土場地基坑區別于與其他地區基坑，主要是坑壁黃土或黃土狀土，具有大孔隙、濕陷性，在開挖過程中易受到外界環境的影響，天然狀態下與受擾動或浸水后的狀態差異巨大，基坑監測信息成為判別后續施工是否安全的重要依據。

2）基坑監測數據是完善設計與施工的重要手段。基坑工程設計和施工方案是技術人員通過數學分析手段，進行量化預測計算，并借鑒長期工程實踐經驗制定出來的。由于計算模式和計算參數不可能與實際完全一致，即使概念設計無誤，計算與實際也有差別，有時甚至與實際工況出入較大。

基坑監測過程中所取得的數據是支護結構和土層在工程施工過程中的真實反映，是各種復雜因素影響和作用下的綜合表現。在大厚度濕陷性黃土場地基坑開挖過程中，基坑側壁的土體變形易導致基坑周邊管線破裂，水源浸入；場地施工用水管理不善，易導致場地土浸水；基坑周邊荷載變化使得土體易受擾動，性質發生變化。諸多因素在基坑設計與施工方案制定前無法全面涉及，因此，需要通過基坑監測數據信息及時調整設計與施工方案，保證基坑動態化的安全控制。

3）自動化智能監測手段，極大地豐富和支撐了大厚度濕陷性黃土場地建筑深基坑支護設計施工的發展。現場監測數據既是檢驗設計計算的依據，也是與實際工程比對深化基坑施工安全質量保證措施的主要依據之一。目前，大厚度濕陷性黃土場地深基坑設計理論尚不成熟，通過對大量的基坑監測數據和信息進行統計分析，可以積累經驗以提高基坑工程的設計和施工管理水平，為大厚度濕陷性黃土場地基坑監測設計理論的發展提供重要的支撐。

4）自動化智能監測提升了對建筑深基坑監督管理的主動性、超前性和協同性。在大厚度濕陷性黃土地區，由于基坑側壁土體特殊的物理力學性質，基坑支護體系失效，側壁坍塌后，其影響范圍較大，往往會威脅到基坑周邊的環境安全。因此，深基坑的安全問題已不再是深基坑本身的問題，它直接關系到環境安全，社會的和諧穩定。在建筑深基坑的施工過程中，強化政府主管部門的監管力度，勢在必行，也是危險性較大工程中首當其中的監管內容之一［2］。

基坑支護結構及周邊環境的科學有效監測，是控制基坑施工質量安全的主要手段，在監督管理過程中，基坑監測數據則是判斷基坑健康狀況的最直接依據。

2 某大厚度濕陷性黃土場地深基坑工程監測

2.1 場地巖土工程狀況

該項目建設場地，地貌類型劃屬黃河北岸 Ⅳ 級階地及黃土梁峁溝壑區。該場地原為高山緩坡丘陵地區，經過后期移山造地，進行了挖填整平，場地主要特點如下所述。

1）為大厚度自重濕陷性黃土場地（黃土狀粉土最大厚度達 62.5 m，濕陷等級 Ⅳ 級，濕陷程度很嚴重）；

2）為大厚度填土場地，局部為溝壑回填（回填最大厚度 20.0 m，且分布不均勻）；

3）周邊環境條件復雜（特別是水環境）。

2.2 深基坑工程設計概況

該項目基坑最大開挖深度為 18.7 m，位于基坑北側，基坑北側坑壁安全等級為一級，支護結構設計采用支護樁 + 4 道預應力錨索，頂端設鋼筋混凝土冠梁連接。

2.3 基坑周邊環境

基坑北側上口線距離建筑物邊 8 m 范圍內分布有給排水、熱力、消防等諸多管線。

2.4 基坑安全事故

1）2018 年 10 月 5 日，基坑北側建筑物管道破裂，大量管網水浸入地基土，導致地基土濕陷。

2）2019 年 1 月 2 日，基坑北側建筑物給水管破裂，水經排水溝滲入基坑北側土體，形成管涌通道，導致基坑側壁出現漏水事故。

3）2019 年 1 月 5 日，場地基坑北側建筑物東段下部自來水管道破裂，大量管網水浸入地基土，地坪塌陷，地面裂縫發展迅速，該處支護體系與地坪脫開。

2.5 基坑監測情況

2.5.1 傳統人工監測

2018 年 8 月 30 日～ 2019 年 1 月 6 日采用人工監測手段。傳統的人工監測主要是配備測試人員進行現場數據采集，然后到室內進行數據整理、統計、分析判斷監測結果，并出具相應的監測報告。

人工監測期間，該基坑北側漏水處周邊布置有土體深層測斜管，采用人工測讀，由于測量間隔時間達數小時，待次日測量時土體已發生較大位移，測斜管在 5 m 的位置發生斷裂。由于測量數據的不及時，待發現問題時，已經有大量管網水浸入邊坡土體，造成較為嚴重后果。

傳統的人工監測方法只能定點、定時對深基坑工程進行監測，不能掌握其動態、連續的變化過程。不僅費時費力，而且效率低。尤其在西北黃土地區，基坑安全大多與水有關。當遇到雨雪天氣，這時不具備人工監測條件，而基坑安全事故往往多發于雨雪天氣之后，人工監測由于諸多條件限制，導致發現問題不及時，對基坑工程留下嚴重的安全隱患。

2.5.2 自動化在線監測

由于傳統人工監測不能滿足該基坑工程要求，為此，于 2019 年 1 月 7 日開始，采用自動化在線監測+人工巡視手段，對基坑進行監測。自動化監測對象為基坑支護本體及周邊建筑物等，具體監測內容如下所述。

1）基坑頂部變形（沉降、位移）監測（靜力水準儀、傾角儀）；

2）土體深層水平位移監測（固定式測斜儀）；

3）支護樁深層水平位移監測（固定式測斜儀）；

4）錨索內力監測（錨索計）；

5）鄰近建、構筑物的沉降、傾斜（靜力水準儀、傾角儀）。

通過自動化智能監測系統實現自動監測儀器數據的實時采集、4G 網絡數據傳輸匯總以及云平臺數據的遠程實時查詢，保證工程信息的準確感知、數據的及時處理，當施工現場基坑支護出現異常情況時，第一時間發出預警并采取響應措施，保障基坑支護工程的安全進行。本工程在應用中還能做到根據實際情況設置采樣間隔；根據規范及設計要求預設報警值；預設報警等級，根據預警程度通知相應參建單位或監督單位。

2.6 基坑監測項目成功預警案例

2.6.1 土體深層水平位移監測成功預警

根據監測數據，2019 年 4 月 1 日 11∶15∶52，土體深層位移分別在 2.0、4.0、6.0 m 處超過預警值，臨近建筑物傾角儀傾斜度超過預警值。

項目部接受到報警短信后，立即組織人員對現場情況進行巡查，發現臨近商鋪自來水管網破裂，立即通知相關單位啟動應急處理措施，切斷水源，防止險情繼續發展，從而成功預警排除隱患。

2.6.2 錨索內力監測成功預警

2019 年 2 月 15 日基坑北側監測 2 剖面第一道錨索鎖定應力損失累計變化量達 80 kN，鎖定值低于設計值的 70 %，且應力損失無收斂跡象。現場立即停止開挖，并通知設計及相關單位共同會診。經分析該段錨索斷面位于基坑長期跑水段，錨索錨固段土體主要位于浸水范圍內，土體軟化導致錨索鎖定應力損失較大，長期會導致錨索失效。

為確保基坑安全，根據監測結果，對該段錨索進行補強，原設計 3 道 18 m 錨索（自由端 6 m，錨固段12 m），在原有位置新增 3 道 26 m 錨索（自由端 10 m，錨固段 16 m）穿透浸水土體范圍，將錨索錨固段放置在可靠土層中。對錨索的應力損失進行了成功預警，并為后續施工和設計提供依據。

3 自動化智能監測系統

自動化智能監測系統主要由傳感器監測節點、數據采集單元、數據處理中心等部分組成，其組成結構如圖1 所示。其中，傳感器監測節點主要采用靜力水準儀、傾角傳感器、測斜傳感器等作為基坑沉降、土層內部水平位移等對象的實時監測。多通道數據采集則對部署在施工現場的各個傳感器監測節點進行實時數據采集，并經由 4G 無線路由將監測數據發送到數據處理中心。

圖1 自動化監測系統結構框圖

其中，一般針對基坑開挖現場，在基坑頂部分別部署靜力水準儀和傾角儀，用于實時監測基坑的沉降和位移等觀測量；將測斜儀埋置土層深部，用于進行水平方向位移監測。根據現場具體的施工和環境情況，進行上述測量傳感器的點位部署，并由數據采集單元實現多路監測點位的數據實時采集，通過 TCP/IP 通信協議，由 4G 無線進行數據遠程傳輸。數據處理終端將對各路數據進行曲線顯示，并進行曲線趨勢分析，通過與設定報警閾值進行比較判斷，最終由預警處置系統實現預警處置動作，根據現場實際需求，通過廣播、手機短信等方式實現。

數據處理中心根據其面向對象，具備多種職能需求，其職能組成結構如圖 2 所示。首先，對接收到的監測數據進行數據分析統計，當出現異常時候產生相應的監測報警及打印報表。其次，各參建單位可通過數據處理中心進行相應的監測報警記錄查詢以及監測報表打印存檔。另外，監測單位需要通過數據處理中心對整個監測系統進行長期維護和平臺數據管理工作，及時處理數據冗余可能造成系統執行效率降低等不穩定因素。

圖2 自動化監測系統職能結構框圖

相比傳統人工監測，自動化在線監測具備諸多優點。

1）數據采集連續，能夠反映出各工況下動態變化情況，實現實時監測預警，且能夠在不同條件和環境內使用。

2）實現對深基坑及周邊環境監測數據的自動采集、實時傳輸，保證了監測數據的及時性、準確性、完整性。

3）克服了常規人工監測手段所需的人員投入多、耗時長、誤差大、數據處理滯后的缺點。

4）自動化監測系統操作簡單易懂，便于監測人員隨時掌握監測信息。

5）通過自動化監測系統，工程參建各責任主體以及監管人員，可以通過系統及時查詢在建工程現場的監測數據，有利于及時采取應急措施，保證地下工程及基坑工程的施工安全。

6）監測數據可實時查詢，有利于政府主管部門對基坑工程質量安全的監督管理。

7）大范圍地采用自動化監測系統，同時利用大數據分析有利于黃土地區基坑設計理論的提高。

4 對該技術改進的建議

1）采用固定式測斜儀進行深層水平位移監測相對外界影響較小，監測數據較為穩定、可靠，技術成熟，可廣泛使用。在采用靜力水準儀及錨索應力計時，其對溫度變化較為敏感，會對監測數據造成影響，需要前期試驗確定適合本地區的溫度補償計算方法。

2）靜力水準儀安裝需要串聯通液管。由于施工現場條件限制，通常埋設的基準點位在基坑開挖影響范圍內，對測量數據會造成一定影響，需定期對基準點進行復核，確保監測數據的正確性、可靠性。

3）自動化監測設備需要匹配電源。現場施工中難免會出現斷電和傳感器被破壞的情況，還是需要人工通過平臺檢查設備運行情況，發現問題及時處理。

4）自動化監測也需要結合人工巡查，綜合經驗判定基坑健康狀態。

5）基坑自動化監測“智能”程度還是較低，只有單一數據預警，沒有綜合數據分析能力，還需在這方面持續優化提升。

6）基坑監測指標的甄別還需慎重區分，設置的重要單一指標報警需停工，并立即采取處置措施。因此，那些項目指標是必須優先設置的預警指標，現場必須認真對待，這方面還需要在工程實踐中不斷總結。

5 結語

大厚度濕陷性黃土場地及周邊環境的復雜性和不確定性，給建筑深基坑的施工安全和環境安全帶來風險。因此，自動化智能在線監測系統，對于大厚度濕陷性黃土場地的安全監測顯得尤為必要。同時，確保相關監測數據的真實、完整、及時、準確，是對基坑勘察設計參數的驗證和補充，也是完善基坑工程施工安全措施的重要依據之一。