智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建筑深基坑施工中的應(yīng)用

李 斌

(中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

傳統(tǒng)基坑監(jiān)測(cè)方式存在的費(fèi)時(shí)費(fèi)力、數(shù)據(jù)失真或遺漏等難題一直是行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。然而,隨著智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,這些問題正在逐步得到解決[2]。在基坑開挖過程中,通過監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、周圍土體變形和相鄰構(gòu)筑物穩(wěn)定性,能夠了解基坑工程的安全性以及對(duì)周圍環(huán)境、道路的影響程度[3],及時(shí)反饋異常情況,預(yù)防工程質(zhì)量安全事故發(fā)生,并能夠適時(shí)調(diào)整施工工藝、修改設(shè)計(jì)參數(shù),重新指導(dǎo)施工[4]。

在基坑施工領(lǐng)域,智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。它不僅可以為工程安全提供有力保障,還能為施工工藝的優(yōu)化和設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)[5]。因此,應(yīng)該積極推廣智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,以提高工程質(zhì)量和安全水平,同時(shí)也為行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式相比,該系統(tǒng)具有更高的精度和效率,能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施,進(jìn)一步提高基坑施工的安全性和效率[6]。該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅有助于提升施工安全性,同時(shí)還能減少人工成本和時(shí)間成本。由于系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù),從而避免了人工記錄和傳輸數(shù)據(jù)可能帶來的誤差和延誤。此外,該系統(tǒng)還能實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相應(yīng)的處理措施,這些無疑對(duì)提高基坑施工的安全性和效率起到了積極的作用。

1 基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由實(shí)地傳感網(wǎng)、監(jiān)測(cè)云平臺(tái)和客戶端三部分組成(如圖1所示)。

1.1 整體架構(gòu)

傳感網(wǎng)主要由智能感知系統(tǒng)(傳感器)和智能采集系統(tǒng)(采集儀)組成。傳感器安裝在受監(jiān)控的結(jié)構(gòu)部位,負(fù)責(zé)感知被監(jiān)測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)參數(shù),采集儀則是將數(shù)據(jù)采樣后,通過4G/5G網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳到云平臺(tái)。

云平臺(tái)則對(duì)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、智能分析、預(yù)警等處理。

客戶端主要實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)顯示和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程配置,用戶可實(shí)時(shí)通過網(wǎng)頁/APP訪問采集數(shù)據(jù)或查看預(yù)警信息,并且能夠下載相關(guān)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和數(shù)據(jù)分析報(bào)告[7]。

1.2 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

深基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)[8]在于:1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)、高頻地采集施工中各種關(guān)鍵參數(shù),包括支護(hù)樁的位移、錨索應(yīng)力、錨桿應(yīng)力、土體壓力、鋼支撐軸力、深層水平位移、混凝土應(yīng)變、地下水位以及周圍建筑物的沉降、傾斜、裂縫等。這種高頻率的采集使得我們可以進(jìn)行24 h不間斷的監(jiān)測(cè),從而確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和時(shí)效性。這種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅有助于我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題,而且為決策提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。2)危情預(yù)警。通過系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的分析以及對(duì)異常情況的預(yù)警提示,可以有效避免安全事故的發(fā)生。這種預(yù)警機(jī)制不僅增強(qiáng)了工程的安全性,而且提高了施工效率,減少了不必要的損失。3)遠(yuǎn)程監(jiān)管。深基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)管功能極大地提高了工作效率,通過手機(jī)端即可查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖2所示),這一方面減少了人力檢查的成本,另一方面使得我們能夠更便捷地了解基坑的狀態(tài)。此外,系統(tǒng)還支持電話、短信、微信等多種手段的實(shí)時(shí)預(yù)警,這不僅提醒了工作人員和居民對(duì)工程安全及時(shí)有效處理,而且在緊急時(shí)刻還能提醒人員撤離危險(xiǎn)區(qū),有效預(yù)防工程安全事故的發(fā)生。

總的來說,深基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、危情預(yù)警和遠(yuǎn)程監(jiān)管的優(yōu)勢(shì),為深基坑施工提供了有力的安全保障,極大地提高了施工效率和質(zhì)量。

2 應(yīng)用案例

德云文化廣場(chǎng)項(xiàng)目位于山東省濟(jì)南市,建筑面積約17萬 m2,由塔樓、商業(yè)裙房及3層地下車庫組成,地下車庫空間將與濟(jì)南地鐵7號(hào)線充分聯(lián)通,開挖深度11.6 m～14.2 m,內(nèi)支撐采用1道混凝土支撐+1道型鋼支撐,基坑斷面如圖3所示。為響應(yīng)雙碳減排和高品質(zhì)建筑的政策要求[9],在基坑開挖過程中擬采用智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。下面介紹這種系統(tǒng)的應(yīng)用。

3 基坑監(jiān)測(cè)參數(shù)

選擇深基坑監(jiān)測(cè)參數(shù)時(shí),必須考慮基坑的安全等級(jí)、地質(zhì)環(huán)境和周圍環(huán)境等因素,同時(shí)還需要參考相關(guān)規(guī)范[10]規(guī)定,并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施目標(biāo)與監(jiān)測(cè)需求進(jìn)行綜合考慮。監(jiān)測(cè)參數(shù)示意圖如圖4所示。

應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè):對(duì)基坑鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、錨桿、錨索等實(shí)施應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè),測(cè)定各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變變化情況,了解基坑受力狀態(tài)。

表面位移監(jiān)測(cè):對(duì)基坑支護(hù)樁沉降及其水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)定支護(hù)結(jié)構(gòu)的形變量。

深層位移監(jiān)測(cè):對(duì)基坑內(nèi)部水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),分為土體位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)位移,測(cè)定不同深度處土體位移來掌握土體的受擠壓力變化。

地下水位:對(duì)基坑地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)定基坑地下水含量,評(píng)估基坑開挖滲水風(fēng)險(xiǎn)、周圍建筑物形變;對(duì)基坑周邊建筑物沉降、傾斜、裂縫等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)定基坑開挖對(duì)周圍建筑物影響,指導(dǎo)基坑開挖工藝優(yōu)化。

周圍結(jié)構(gòu)物形變:對(duì)基坑周邊建筑物或線路的沉降、整體傾斜、墻身裂縫、管線變形等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),測(cè)定基坑開挖對(duì)周圍建筑物或線路影響[11],指導(dǎo)基坑開挖工藝優(yōu)化。

4 基坑監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化安裝

位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè):觀測(cè)沉降是基坑工程中一項(xiàng)最基本的監(jiān)測(cè)手段,其埋設(shè)方式包括地表式和井下式兩種[12]。地表式沉降點(diǎn)適用于土方開挖深度較淺的基坑工程,埋設(shè)簡單方便;井下式沉降點(diǎn)適用于土方開挖較深的基坑工程,能夠更精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)土體的沉降情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)覆蓋整個(gè)基坑區(qū)域(如圖5所示),并且按照一定的網(wǎng)格布置,通常間距不超過40 m[13],以便全面監(jiān)測(cè)基坑周邊土體的沉降情況。

基坑內(nèi)土壓力盒埋設(shè):盒底應(yīng)與硬地層接觸,以保證盒內(nèi)壓力計(jì)不受干擾;盒周圍應(yīng)有足夠的支撐,防止壓力計(jì)變形;壓力計(jì)應(yīng)埋設(shè)在變形較小的地方,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;壓力計(jì)埋設(shè)后,周圍不能有大量重物堆放,以免破壞土壓力數(shù)值的準(zhǔn)確性;壓力盒應(yīng)定期進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)采集,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

孔隙水壓計(jì)埋設(shè):埋設(shè)位置應(yīng)選擇在基坑周邊附近的地層中,一般選擇在基坑邊緣四周;一般埋設(shè)深度應(yīng)該大于1 m,以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;應(yīng)該采用專門的鉆孔設(shè)備,確保鉆孔的垂直度和深度準(zhǔn)確;在埋設(shè)過程中,應(yīng)該避免孔壁坍塌或泥沙堵塞測(cè)管,應(yīng)該將孔隙水壓計(jì)固定在測(cè)管上,確保測(cè)管不受外力影響。

鋼筋計(jì)埋設(shè):安裝位置一般選擇在基坑邊緣附近,但要避免在不穩(wěn)定的地層中埋設(shè);應(yīng)該避開施工荷載較大的區(qū)域,以免對(duì)鋼筋計(jì)造成破壞;應(yīng)該將鋼筋計(jì)固定在測(cè)管上,確保測(cè)管不受外力影響,條件允許,可以使用鋼筋混凝土護(hù)筒進(jìn)行保護(hù),以保證鋼筋計(jì)的安全和準(zhǔn)確性;在鋼筋計(jì)的周圍應(yīng)該填充密封材料如膨脹水泥砂漿,以防止外部水或其他物質(zhì)進(jìn)入鋼筋計(jì)的測(cè)量部位。

軸力計(jì)埋設(shè):安裝位置應(yīng)避開強(qiáng)風(fēng)化巖層、冰凍線以及地下水位。在巖石裂隙水壓力較高地區(qū),應(yīng)考慮軸力計(jì)的承壓能力;軸力計(jì)應(yīng)垂直埋設(shè)在完整均勻的巖體中,并應(yīng)盡量布置在基坑周邊及受力較大的區(qū)域;軸力計(jì)應(yīng)與基巖面垂直,其受力面向外,與基巖面之間的間隙應(yīng)填實(shí);應(yīng)考慮基巖面坡度對(duì)軸力計(jì)的影響,避免坡度過大導(dǎo)致軸力計(jì)懸空或卡澀;安裝完成后,軸力計(jì)頂部一般應(yīng)高于基坑底面15 cm左右,且保證不積水。

傳感器保護(hù):所有的傳感器都配備有專門的保護(hù)外殼,旨在防止惡劣環(huán)境對(duì)傳感器的影響,如重?fù)?、暴曬、暴雨、暴雪?以確保傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行,并延長儀器使用壽命(見圖6)。

管線敷設(shè):所有的連接管線均采用橋架和波紋管進(jìn)行固定和保護(hù),以防止太陽直曬和環(huán)境造成的擾動(dòng),確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性(如圖7所示)。

采集儀安裝:采集設(shè)備外加防護(hù)箱,能適應(yīng)各種高溫、雨水等惡劣環(huán)境,應(yīng)牢固固定在標(biāo)樁上,為數(shù)據(jù)的采集和傳輸提供可靠保障(如圖8所示)。

5 應(yīng)用成果

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法往往需要大量的人工干預(yù),效率低下且易出現(xiàn)誤差。智能深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)和人工智能算法,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),還能提前預(yù)警潛在的安全風(fēng)險(xiǎn),為基坑工程的順利施工提供了重要的技術(shù)支持。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)下列功能:

自動(dòng)生成圖表:監(jiān)測(cè)結(jié)果可自動(dòng)生成各種圖表,如位移曲線、應(yīng)力變化曲線、水位浮動(dòng)曲線等,便于直觀了解基坑施工狀況。

可視化展示:系統(tǒng)提供可視化界面,方便用戶實(shí)時(shí)查看和跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

預(yù)警閾值設(shè)置:系統(tǒng)提前預(yù)設(shè)預(yù)警閾值,一旦監(jiān)測(cè)值超過閾值,即觸發(fā)告警,便于及時(shí)處理潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

通過對(duì)比分析實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果,驗(yàn)證了智能深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性和可行性。結(jié)果顯示,該系統(tǒng)在本工程基坑施工中發(fā)揮了重要作用,為基坑工程的順利施工提供了有力保障。

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛,幾乎涵蓋所有需要進(jìn)行基坑施工的項(xiàng)目,如新建高層建筑基坑、地鐵隧道、大型商業(yè)綜合體、橋梁、隧道、地下工程等,基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)檫@些工程項(xiàng)目的開展提供重要幫助[14-15]。通過對(duì)深基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在本工程基坑開挖過程中的應(yīng)用進(jìn)行研究和實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠提高工程管理的效率和準(zhǔn)確性。它不僅可以實(shí)現(xiàn)全天候和多角度監(jiān)測(cè),自動(dòng)采集數(shù)據(jù),還減少了人工和工作強(qiáng)度,提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,為工程管理提供了更加便捷和高效的方式。智能深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基坑工程安全施工的重要工具,其自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)過程、可視化的展示方式以及提前預(yù)警的安全保障功能,為基坑工程帶來了顯著的效益。

但同時(shí)也應(yīng)看到,基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)起步時(shí)間不長,工程實(shí)踐中可能存在一些瓶頸:基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及到的技術(shù)領(lǐng)域較廣,包括傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等,需要一定的研發(fā)和實(shí)施成本,對(duì)于一些復(fù)雜的工程環(huán)境,需要定制化的監(jiān)測(cè)方案,這也增加了系統(tǒng)的成本和實(shí)施難度;基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集和處理大量的數(shù)據(jù),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,然而目前數(shù)據(jù)處理和分析能力還存在一定的局限性,對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)模式和趨勢(shì)的識(shí)別還存在一定的難度;基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和可靠性直接影響著工程的安全和質(zhì)量,目前一些特殊環(huán)境下的監(jiān)測(cè)精度和可靠性還存在一定的挑戰(zhàn),需要進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)和改進(jìn);目前,基坑智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)還不夠健全,對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)等方面缺乏明確的規(guī)范和要求,這可能會(huì)影響系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和推廣程度。但可以肯定的是,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,該系統(tǒng)在未來的基坑工程中一定會(huì)發(fā)揮更大的作用。