談自動化監(jiān)測在深基坑項目中的應用

池瑋波 胡岳嵐 袁國梁 李東旭 夏振勇

(1.北京城建道橋建設集團有限公司,北京 100022; 2.北京城建華晟交通建設有限公司，北京 102444)

1 概述

基坑是指為進行建(構(gòu))筑物地下部分的施工由地面向下開挖出的空間，其內(nèi)容覆蓋地質(zhì)工程、巖土工程以及結(jié)構(gòu)工程等多個學科，也是基礎設施建設行業(yè)最為常見的一種結(jié)構(gòu)形式，基坑開挖又是基礎設施工程建設的第一個環(huán)節(jié)，其施工過程受地質(zhì)、水文、環(huán)境以及施工工藝等多個因素的影響，而且基坑開挖回填后屬于隱蔽工程，使用期間的質(zhì)量問題很難被直接觀察到，所以其施工安全性在整個結(jié)構(gòu)物建設過程中尤為重要，必須要進行施工過程中的質(zhì)量檢測。

2 基坑檢測的現(xiàn)狀

基坑坍塌的原因有很多，包括地質(zhì)勘察不嚴謹，開挖設計不合理，支撐圍護不規(guī)范，防滲水手段欠缺、檢測手段落后等，坍塌形式可分為基坑整體失穩(wěn)、坑底隆起變形、圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、支錨體系失穩(wěn)、滲水導致的結(jié)構(gòu)破壞等。具體坍塌的因素包含人為因素和環(huán)境因素兩種，由此可見基坑安全的復雜性，也突出了基坑檢測/監(jiān)測的必要性。

基坑開挖安全是工程界一個很大的難題，也成為國際工程界最為關注安全的領域之一。現(xiàn)在的基坑檢測手段一般是人工參與為主的第三方檢測，形式多為對結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力等幾個關鍵因素進行現(xiàn)場人工觀察及測量，再通過對所測數(shù)據(jù)進行分析，進而判斷基坑的整體或者局部失穩(wěn)的可能性，以及構(gòu)件的安全儲備度，這種檢測方法存在如下缺點：

1)受空間限制較大，基坑施工面有限，空間有限，設備人員聚集，人工測量很難找到合適的觀測點進行較長時間的觀測，往往不停變換觀測地點，由此帶來測量誤差，在復雜環(huán)境檢測，同時也會有較大的安全隱患。2)受時間因素影響，基坑一般是24 h不間斷施工，觀測人員很難全天候精力完全集中，特別是夜間觀測，受光線影響較大，主觀誤差也會較大。3)檢測目標有限，潛在危險因素如周邊環(huán)境情況、地下水等因素的人工觀測，多數(shù)是低頻甚至滯后于實時的施工進程，導致不能第一時間做出應急反應。4)檢測數(shù)據(jù)分析不同步，檢測一般是分工檢測，檢測完成后再匯總各方數(shù)據(jù)后進行分析，這樣就會產(chǎn)生分析的嚴重的滯后性，不能第一時間發(fā)現(xiàn)潛在危險源并且迅速做出響應。

3 自動化監(jiān)測概述

自動化監(jiān)測是采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過安裝在構(gòu)筑物上的傳感設備實時不間斷的采集并且展現(xiàn)數(shù)據(jù)，讓技術(shù)人員對結(jié)構(gòu)的實時受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)破壞趨勢做出判斷的一種新興監(jiān)測手段。其實施流程圖如圖1所示。

自動化監(jiān)測有效降低了人員的參與度，特別是在基坑開挖這種施工空間局促導致人員觀測不方便的環(huán)境下，優(yōu)勢會更加突出，另外自動化監(jiān)測是長期不間斷的數(shù)據(jù)采集過程，數(shù)據(jù)同步且連續(xù)，有助于對結(jié)構(gòu)破壞的趨勢做出較早的判斷，及時采取補救手段。相對于人工檢測，自動化監(jiān)測的優(yōu)點主要如表1所示。

表1 人工檢測與自動化健康監(jiān)測對比表

4 基坑自動化監(jiān)測實例

贛江新區(qū)鴻信大廈建成后為南昌又一地標建筑，工程總投資約72 634.62萬元，項目總面積134 500 m2，主樓高164.7 m。本項目基坑開挖長度163 m，寬度141 m，開挖深度平均12 m。

本項目需開挖基坑地理位置重要、基坑深而大、地下水量大、施工通道條件限制、施工工藝較多、施工難度及強度大、施工要求質(zhì)量高、施工周期長，所以安全防范及施工檢測在本項目施工過程中尤其重要。綜合各方面因素，最終決定本項目的檢測采用自動化健康監(jiān)測的方式進行，監(jiān)測因素主要包含土體水平位移及豎向位移、支撐軸力、錨桿內(nèi)力、擋墻應力、雨量計、地下水位及空隙水壓力等監(jiān)測。

本文重點對土體位移和支撐軸力做重點分析，土體位移監(jiān)測是按照開挖深度分層安裝位移計，長度方向兩個邊等間距布置12支，寬度方向等間距布置10支，深度方向按照開挖進度布置4層，合計88支。軸力計按照設計文件給出的最不利支撐位置安裝，本項目合計38支。

為方便數(shù)據(jù)分析及處理，監(jiān)測系統(tǒng)采用知物云系統(tǒng)，本系統(tǒng)有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)異常告警、報表生成、數(shù)據(jù)分析對比、數(shù)據(jù)預測等功能，可對本項目實施的整個過程提供安全支撐。

通過知物云在線監(jiān)測系統(tǒng)，部分監(jiān)測結(jié)果如圖2，圖3所示。

從監(jiān)測結(jié)果看，同一平面內(nèi)的兩個觀測點隨著開挖深度的加大，平面方向位移在不斷加大，結(jié)果和實際施工進程高度吻合，且兩個變化趨勢一致，同時數(shù)據(jù)結(jié)果滿足規(guī)范要求，如圖4所示。

另外通過同一高度兩個錨桿軸力數(shù)據(jù)結(jié)果可知，軸力隨著施工開挖過程而變化，變化在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，且變化趨勢也相同，也說明監(jiān)測結(jié)果準確可信。

通過以上采集結(jié)果，還可以看出自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時連續(xù)，數(shù)據(jù)采集貫穿整個基坑開挖的全過程，除了極值，更可以通過在線監(jiān)測結(jié)果看出變化趨勢，從而推斷結(jié)構(gòu)指標發(fā)展的趨勢，做到病害早發(fā)現(xiàn)，早預防，這是人工檢測很難實現(xiàn)的一個點。

5 結(jié)論及建議

通過對背景工程實施自動化監(jiān)測過程可知，自動化監(jiān)測在基坑監(jiān)測項目中可以更便捷的加以實施，特別是本背景項目，有施工環(huán)境復雜，施工空間受限，施工周期較長等特點，此類情況下自動化監(jiān)測優(yōu)勢會更加明顯，不但有效的解決了人工檢測面臨的作業(yè)面局促的問題，也有效的保障了復雜環(huán)境下作業(yè)人員的安全問題，整個監(jiān)測過程不受作業(yè)空間和時間的影響，另外由于自動化監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)具有連續(xù)不間斷的特點，數(shù)據(jù)采集貫穿整個施工過程，龐大的數(shù)據(jù)量可以充分用來分析結(jié)構(gòu)物的變化趨勢，從而做到早預防，早干預，有效減小安全事故的發(fā)生，所采集的數(shù)據(jù)和施工工藝同步，也可以用來與設計對比，為以后此類項目的設計提供借鑒。

自動化監(jiān)測盡管在很多方面優(yōu)勢突出，但弊端是系統(tǒng)受傳感設備掣肘，設備必須要滿足精度和穩(wěn)定兩方面的要求，對現(xiàn)場設備安裝也有很高要求。另外自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)量巨大，但是當前主流分析方法依然是極值法，導致大量數(shù)據(jù)的浪費，基于統(tǒng)計學的大數(shù)據(jù)分析方法對破壞趨勢的研究，相信將是接下來自動化監(jiān)測發(fā)展中的一個重點方向。