劉思波

（廣東質(zhì)安建設(shè)工程技術(shù)有限公司 廣州 510663）

0 引言

隨著我國基建工程的發(fā)展和現(xiàn)代化水平的提高，城市深基坑項(xiàng)目越來越多，且隨著基坑開挖深度的增加，地下巖土體的工程性質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載與周邊環(huán)境等亦越發(fā)復(fù)雜。因此，通過合理有效的監(jiān)測手段對(duì)基坑及其周邊環(huán)境進(jìn)行合理監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)安全隱患是保證深基坑安全的重要一環(huán)。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測存在監(jiān)測間隔時(shí)間長、數(shù)據(jù)反饋慢、受監(jiān)測人員水平影響大等缺點(diǎn)［1-2］。何欽等人［3-5］探索了基坑工程項(xiàng)目中采用自動(dòng)化監(jiān)測的可行性，發(fā)現(xiàn)在基坑監(jiān)測中采用自動(dòng)化監(jiān)測手段是可行的；李均等人［6-8］通過研究自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)在基坑工程中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能為基坑監(jiān)測提供實(shí)時(shí)、精確、連續(xù)的數(shù)據(jù)，預(yù)測基坑變形趨勢，為基坑的順利進(jìn)行提供保障。

因成本、技術(shù)等因素制約，目前基坑仍以人工監(jiān)測為主，自動(dòng)化監(jiān)測主要應(yīng)用于單一監(jiān)測項(xiàng)目，采用全自動(dòng)化監(jiān)測的基坑項(xiàng)目非常少見。因依托項(xiàng)目基坑開挖深度達(dá)42.35 m，且其周邊環(huán)境非常復(fù)雜，為保證該基坑工程的順利完成，決定在該項(xiàng)目中采用全自動(dòng)監(jiān)測手段，并通過自主研發(fā)的基坑自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)管云平臺(tái)，及時(shí)、準(zhǔn)確地反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊建筑物變形情況。

1 項(xiàng)目概況

某大廈位于深圳市南山區(qū)白石洲，白石四道與深灣三路交匯處東南側(cè)，總占地面積10 376 m2?；颖眰?cè)緊靠地鐵11 號(hào)線和9 號(hào)線，在項(xiàng)目紅線范圍內(nèi)，北側(cè)地下室外墻距地鐵11 號(hào)線右線隧道結(jié)構(gòu)外邊線約5.5 m，東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)地下室外墻距紅線僅有3.0 m，場地可利用空間非常狹窄。

基坑北側(cè)緊靠地鐵11 號(hào)線和9 號(hào)線，其余三側(cè)周邊條件相對(duì)簡單，但場地土質(zhì)條件較復(fù)雜，地表下存在1.5～5.5 m 厚的淤泥層以及約10.0 m 厚的填石層。根據(jù)地層情況、開挖深度、周邊環(huán)境等條件，采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，旋噴樁超前護(hù)槽。

基于項(xiàng)目開挖難度以及安全性考慮，項(xiàng)目組決定對(duì)墻頂豎向與水平位移、基坑墻體深層水平位移、錨索內(nèi)力、地下水位等監(jiān)測項(xiàng)目采用自動(dòng)化監(jiān)測。

2 基坑自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 基坑自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)管云平臺(tái)

本項(xiàng)目基坑開挖深度達(dá)42.35 m，是目前國內(nèi)房建最深基坑項(xiàng)目，為保證基坑工程的安全進(jìn)行，除采用自動(dòng)化監(jiān)測手段外，同時(shí)在該項(xiàng)目引入建設(shè)工程安全監(jiān)測監(jiān)管云平臺(tái)，將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到項(xiàng)目中，通過智能感知設(shè)備采集數(shù)據(jù)，由采用區(qū)塊鏈技術(shù)的云平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，實(shí)時(shí)、智能化處理海量信息，如圖1所示。

圖1 基坑自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制Fig.1 Operation Mechanism of Automatic Monitoring System for Foundation Pit

2.2 不同項(xiàng)目的自動(dòng)化監(jiān)測

2.2.1 水平位移、立柱豎向位移監(jiān)測

基坑水平位移測量采用高精度測量機(jī)器人徠卡TS50 進(jìn)行測量，配合自主研發(fā)的測量終端以及云平臺(tái)，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)從測量、收集到傳輸、解算一系列流程。整套水平位移監(jiān)測系統(tǒng)完全采用自動(dòng)化運(yùn)行手段，大大降低數(shù)據(jù)篡改及倒灌的可能性，能夠有效保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性以及真實(shí)性。

因工地現(xiàn)場進(jìn)場單位較多，為保證測量機(jī)器人正常工作，測站采用專用的觀測站房進(jìn)行保護(hù)，如圖2所示，測站所在位置需滿足與測點(diǎn)通視良好、不影響施工等條件；同時(shí)，后視點(diǎn)應(yīng)選擇遠(yuǎn)離施工區(qū)且不受施工影響的穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行布置；而監(jiān)測點(diǎn)需布置在舊地連墻頂部或者護(hù)欄內(nèi)側(cè)等易于保護(hù)的位置。

圖2 全站儀觀測站房Fig.2 Total Station Observation Station Room

2.2.2 深層水平位移自動(dòng)化監(jiān)測

采用CASZ-CX360A 陣列位移計(jì)對(duì)深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測，通過測量加速度計(jì)在不同的軸向上的加速度變化量，反映出軸向與重力方向的角度變化量，從而推算出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移變化量。為提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，CASZ-CX360A 陣列位移計(jì)通過先進(jìn)的測控、傳感器溫度補(bǔ)償、核心算法優(yōu)化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深層水平位移X、Y、Z三維變形量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。

為驗(yàn)證深層水平位移監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在埋設(shè)S1測點(diǎn)時(shí)，同時(shí)將兩條測斜管埋設(shè)于圍護(hù)墻中，一條作為自動(dòng)化監(jiān)測，一條為人工監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 測斜人工監(jiān)測與自動(dòng)化監(jiān)測對(duì)比Fig.3 Comparison of Manual Monitoring and Automatic Monitoring of Inclinometer

4 月1 日～6 月30 日S1 測點(diǎn)深層水平位移變化量如圖3所示，可知，自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測符合程度較好。

2.2.3 地下水位監(jiān)測

水位監(jiān)測采用項(xiàng)目組自主研發(fā)的CAYT-SWD01智能單點(diǎn)低功耗高精度液位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。通過NBIoT 技術(shù)［9］實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集與傳輸。NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋廣、連接多、速度快、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。依托該技術(shù)，該款水位計(jì)功耗極低，在無外接外接電源的條件下亦可持續(xù)工作兩年時(shí)間。

該款水位計(jì)內(nèi)置有自檢報(bào)警系統(tǒng)，若測量結(jié)果超限報(bào)警，儀器會(huì)自動(dòng)根據(jù)內(nèi)置程序連續(xù)采集多次數(shù)據(jù)，通過設(shè)定好的算法對(duì)監(jiān)測值進(jìn)行二次判定，降低誤報(bào)警的可能性。同時(shí)，儀器內(nèi)置二層數(shù)據(jù)過濾算法，一分鐘內(nèi)采集10 組數(shù)據(jù)，通過平均值加3 倍標(biāo)準(zhǔn)差法首先剔除異常數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù)后取剩余數(shù)據(jù)均值作為該時(shí)間點(diǎn)有效水位值；在下一分鐘完成數(shù)據(jù)的采集與處理后，與前一分鐘有效水位值進(jìn)行對(duì)比，并提前設(shè)定閾值，若結(jié)果在閾值內(nèi)，則代替前一分鐘數(shù)據(jù)成為新有效水位值，若超過閾值，則不保存數(shù)據(jù)，同時(shí)發(fā)送異常信息。

為驗(yàn)證地下水位自動(dòng)化監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在水位自動(dòng)化監(jiān)測W1測點(diǎn)1.0 m 處布設(shè)人工監(jiān)測孔位，地下水位與人工監(jiān)測在4 月1 日～5 月1 日監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。因人工監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率要遠(yuǎn)低于自動(dòng)化監(jiān)測，因此，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)采用3次樣條插值法對(duì)中間數(shù)據(jù)進(jìn)行取值。由圖4可知人工與自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)符合程度較好。但若一天內(nèi)水位有較大變化時(shí)，如在4 月6 日～4 月7 日間有較大程度變化，人工監(jiān)測由于監(jiān)測頻率過低，難以反映出兩次測量間隔之間數(shù)據(jù)變化趨勢，容易漏掉某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)，致使監(jiān)測人員對(duì)基坑安全性產(chǎn)生誤判。

圖4 水位人工監(jiān)測與自動(dòng)化監(jiān)測對(duì)比Fig.4 Comparison of Groundwater Level Automatic and Manual Monitoring Data

2.2.4 地連墻應(yīng)力、支護(hù)樁應(yīng)力監(jiān)測

內(nèi)力監(jiān)測采用振弦式鋼筋測力計(jì)進(jìn)行測量，并結(jié)合多通道振弦采集儀實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時(shí)上傳。采集儀使用Lora［10］四通道正弦采集儀，能夠自動(dòng)采集振弦式傳感器頻率值及其溫度；模塊為金屬外殼，可有效防護(hù)電磁干擾。

在一根支撐內(nèi)埋入兩組傳感器，一組用于自動(dòng)化監(jiān)測，一組用于人工監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5 所示?？梢钥吹阶詣?dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)符合程度較好。但在一天時(shí)間內(nèi)，從自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，軸力在一天內(nèi)數(shù)據(jù)有較大的差距，但采用人工監(jiān)測基本是一天一測，無法反映出在不同時(shí)間內(nèi)軸力監(jiān)測值的不同，僅能盡量在同一時(shí)間點(diǎn)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖5 軸力人工監(jiān)測與自動(dòng)化監(jiān)測對(duì)比Fig.5 Comparison of Manual Monitoring and Automatic Monitoring of Axial Force

3 結(jié)語

對(duì)傳統(tǒng)人工監(jiān)測存在的監(jiān)測間隔長、數(shù)據(jù)反饋慢、受天氣影響大等問題，在本項(xiàng)目中采用多種自動(dòng)化監(jiān)測手段，將基坑工程監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系、云計(jì)算、局域網(wǎng)、通訊網(wǎng)等多網(wǎng)無縫連接技術(shù)結(jié)合，建立一套科學(xué)完善的基坑監(jiān)測與預(yù)警解決方案，保障了本項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

為驗(yàn)證自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用人工監(jiān)測進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)符合程度較好，且自動(dòng)化監(jiān)測頻率要遠(yuǎn)大于人工監(jiān)測，能更好模擬出短時(shí)間內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，減少數(shù)據(jù)錯(cuò)漏等情況出現(xiàn)。