自动化监测系统在深基坑工程中的应用

王洪志

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，长春 130033）

深基坑工程具有开挖深度大、支护施工要求高等特点，如若没有做好监测工作，则无法准确掌握深基坑工程实际状况，无法为后续基坑施工、支护选型、安全管理等提供帮助。采用传统方式对深基坑工程进行监测，不仅工作效率低，且无法保证所得监测数据结果的精准性。应用自动化监测系统对监测所获得的数据信息进行综合分析处理，能帮助施工人员科学制定深基坑工程施工作业方案，在推动深基坑施工有序开展的同时，也能提高整个项目的稳定性和安全性[1]。

1 深基坑的内涵及特点

1.1 内涵

根据城建部门发布的《危险性较大的分部分项工程安全管理规定》，对深基坑工程的内涵进行总结，主要包括：①基坑槽开挖深度达到5 m 或者超过5 m。②基坑开挖深度虽然没有达到5 m，但是周围的地质环境比较复杂，实际开展作业会对相邻建筑物土方开挖、支护施工等带来极大影响。

1.2 特点

深基坑工程的特点：①基坑支护体系是临时结构，且具有较大风险性，特别是在基坑内部排水和基坑外部降水方面，若基坑监测工作不到位，会影响后续施工作业整体安全性。②基坑工程有很强的区域性。工程地质和水文地质不同的地基，基坑工程也存在较大差异性，即便是在同一城市的不同区域也有一定差异，这就要求开展基坑土方开挖和支护施工时要坚持因地制宜原则，要根据现场的实际情况进行支护体系设计，这样才能发挥保障稳定安全的作用。③基坑工程是系统工程。基坑工程主要包括支护体系设计和土方开挖两部分内容，且土方开挖也会对支护体系带来直接性影响，尤其是土方出现超挖、与支护施工配合不到位、开挖步骤和速度等出现不合理情况时，极有可能引发支护结构变形、主体结构桩基变位等问题[2]。

2 自动化监测系统的构成

如图1 所示，自动化监测系统主要是由数据采集、数据处理和成果发布系统所构成。其中，数据采集系统包括数控自动采集、全站仪自动采集等内容，实际操作通过全站仪开展自动采集工作，需要依靠测量机器人实现对坡顶水平位移和竖向位移情况的监测与分析，施工中可以根据现场情况和工作要求，建立永久观测房，通过配置的全站仪、控制电脑、传输软件等，切实满足监测点测量、数据采集传输等功能要求。数据处理系统是自动化监测系统的中间环节，通过该系统可以对监测所得数据信息进行科学分类和预处理，然后利用自带的软件分析系统有效剔除监测数据存在的粗差，在完成基准点的稳定性分析和数据平差计算以后，就可以将最终结果储存到数据库中[3]。成果发布系统涉及到的模块比较多，比如统计分析、视频管理、发布预警等，通过这些模块对监测所得数据信息进行统计、分析、处理后，可以根据数据的实际变化量判断其是否超过规定阈值，若超过就会发布预警，然后借助视频管理这一辅助监测系统，对现场实际情况进行实时监测管控，避免发生施工安全质量问题。

图1 自动化监测系统的构成展示图

3 自动化监测系统在深基坑工程中的应用

自动化监测系统运用于深基坑工程，主要工作流程包括：①了解工程实际情况。在利用自动化监测系统对深基坑工程进行监测分析之前，首先要收集基坑及周边的工程地质、水文地质和周边管线埋设的相关资料，其次要深入到实地对深基坑工程展开全面细致的勘察工作，要将工作重点放在基坑开挖实际深度、设计支护结构体系、施工步骤和工程施工具体要求等方面，通过前期勘察所得数据信息对深基坑工程做出系统综合性评价，然后科学合理安排后续自动化监测任务。②确定基坑监测任务。在准确把握深基坑工程实际状况后，就可以确定基坑监测的任务目标，依托自动化监测系统开展深基坑工程监测工作来有效把握深基坑地下水位、围护墙（桩）顶水平和竖向位移、支撑轴力、围护墙（桩）深层水平位移等情况，并以此为基础设计预防控制措施，保证整体施工安全、稳定和质量。施工中可以根据工程实际状况和深基坑施工作业要求，制定基坑自动化监测方案，比如监测坑外地下水位变化情况、监测围护墙顶水平及竖向位移等[4]。③自动化监测网布设。要通过自动化监测系统更好地把握深基坑工程位移、水位变化等状况，围绕设定的监测目标对自动化监测网进行科学规范布设，如图2 所示。操作中除了要尽可能多地布设监测点位以外，还要注意控制好各监测点位之间的距离，以防止后续作业出现监测数据缺漏、无法反映实际情况等问题，同时要控制好监测点位的布设密度，来提高监测结果的精度。④相关数据采集处理。在完成自动化监测网布设工作后就可以开展深基坑监测和数据采集工作，利用布设安装的传感器设备，实现对各监测点采集数据信息的快速收集，然后通过自动化网络传输采集的监测数据信息，再通过数据处理平台自动剔除采集数据存在的粗差，最后进行平差计算与处理，保证最终呈现数据结果能真实反映深基坑水文地质和实际施工状况。⑤数据发布预警控制。监测所得数据信息经过系统处理后，所得数据结果会储存到系统监测平台的数据库中，通过开发的基坑在线监测系统，对数据进行发布、预警和控制，同时也会直观动态地展示出基坑出现的累计沉降量和变形情况，对于超过系统设置阈值的形变情况，系统会及时发出预警，为后续选择适合措施控制解决预警问题提供有力支持，降低安全质量事故的发生概率[5]。

图2 深基坑自动化监测科学布设示意图

4 实际案例分析

某医院综合楼建筑位于城市较为繁华的地段，不仅车流量、人流量较大，而且各类市政管线分布较密，在开展深基坑工程施工时，为更好把握基坑水平和竖向位移、地下水位变动等情况，决定对其采用自动化监测系统开展监测分析。其中，该项建筑基坑开挖深度达到12 m，基坑东西方向长度为92.4 m，南北方向宽度为60.3 m，针对基坑侧壁采用的是一级安全标准，而开展基坑支护施工作业，所采用的形式是上部放坡和下部单排桩+预应力锚索，整个基坑监测工作拟采用自动化监测系统完成，针对个别监测点被人工铺道遮挡的问题，采用人工监测补充，这一状况也不会对基坑监测工作开展和最终质量产生不利影响[6]。

4.1 自动化监测系统应用

4.1.1 明确监测内容

该基坑监测项目，运用自动化监测系统所监测的内容主要有坡顶水平及竖向位移、周边建筑物和道路位移情况、锚索内力监测、基坑地下水位变化情况等。细致把握这些监测内容后，制定了自动化监测工作方案，然后将重点放在布设监测点、安装自动化设备和梳理作业流程上，方便后续监测工作顺利开展，提高实际监测质量，进而保证基坑安全。

4.1.2 布设监测点

考虑到该医院综合楼的基坑周边都有许多建筑物，实际开展监测作业的空间比较狭窄，为了保证监测工作顺利进行以及所得监测数据能够反映真实情况，在综合考虑各类因素以后，对自动化监测网进行了科学布设。主要是将观测站设置在基坑南侧医院门诊楼的楼顶处，为了方便后期更好的观测，对观测敦进行了垒筑，针对基坑监测平面和水准控制点，采用的是共用点方式，将之设置在道路交叉口、医院家属楼和南北两侧居民楼上，同时在整个监测网中还设置了3 个固定棱镜作为基准点[7]。对于坡顶水平位移及竖向位移监测点的设置，两者是共用一个监测点，设置在基坑边坡顶部位置；针对四周建筑物位移监测点，采用的是植筋方式，在建筑外墙每隔20 m 处设置一个监测点，总共布设了16 个监测点；针对周边道路位移监测点设置，主要采用的是击入界址钉的方式，总共在道路两侧设置了6 个监测点；针对锚索内力监测，主要是将监测点布设在基坑的四周，并且对于不同监测断面和不同深度处，需要设置和安装不同的锚索传感器，总体数量为35 个；针对地下水位变化监测，依然是将监测点设置在基坑的四周，将每个监测点的位置距离控制在25 m以内，每个监测点还会安放渗压计，总共有10 个监测点[8]。

4.1.3 安装相应设备

在完成自动监测网布设工作以后，就可以设置和安装相应设备，实现对水位变化、位移发生等情况的有效监测，来自动完成监测数据信息的有效采集。实际操作中对相应监测采集设备进行安装，主要有测斜传感器、锚索传感器、渗压计等，安装之前要仔细检查这些设备，避免出现设备损坏情况，在现场安装作业过程中严格按照设计要求进行埋设，待完成这项工作后还要使用数据连接线来连接数据采集箱，实现对不同深度、不同位置的监测数据信息的有效采集。

4.1.4 数据采集处理

结合项目地实际情况，决定利用Trimble 4D 监测平台传感器开展基坑监测工作，该设备支持监测数据信息实时采集，监测所得数据信息会通过无线网桥通信技术，传送至机房数据处理中心，然后依托具有数据处理功能的Trimble 4D 软件，对采集数据粗差进行自动化剔除，在完成数据复测工作后，开展基准网稳定性分析和测量数据平差处理，对于出现的数据误差情况，也能依托自主研发的基坑在线监测系统进行有效修正，使监测处理后的数据结果能够真实地反映各监测点的实际状况[9]。

4.1.5 数据发布预警

对于平台处理以后的监测数据，系统会将之存入到SQL Server 数据库中，采用SOA 的架构建立在线发布与预警系统，由于该项系统有数据查询分析、视频管理报警等模块，操作中只需要点击镜头图标就能够看到监测点的累计沉降量、本次沉降量等情况，支持对时间序列曲线进行自动化的绘制与展示，以帮助监测人员更好地分析和把握基坑变形状况，如图3 所示。另外，在这一过程中还可以对各监测点设置形变报警阈值，当监测点累计变化量超过这一阈值，系统会自动发布监测结果并报警，为后续控制与解决奠定良好的基础。

图3 累计监测基坑水平位移沉降情况

4.1.6 加强分析应对

通过该项目基坑监测，发现基坑开挖和支护体系施工过程中，坡顶出现了水平位移的情况，基坑开挖过半地下水位出现上升情况，在通过自动化监测系统对这些变化情况进行细致分析后，决定采用必要措施进行防护，避免施工过程出现安全问题。在坡顶出现水平位移情况方面，结合监测所得数据信息和分析结果，决定对基坑边坡采用地下连续墙措施进行加固处理，完成施工后对水平位移情况进行持续监测得到明显改善，且基坑边坡整体稳定性也有所提升；在地下水位出现上升情况时，则在深基坑施工过程中对排水系统进行了设置，避免因为地下水位频繁发生变化对整个基坑施工安全性和质量带来不利影响。

4.2 需要注意事项

在该项目基坑监测项目中，要确保自动化监测系统应用取得良好工作效果，就要在实际操作中注意以下工作内容：①掌握现场状况。最好可以在开展监测工作之前，安排专门的人员深入到工程实地进行勘查作业，为后续开展的明确监测内容、布设监测网络、设计工作方案等工作奠定良好基础，要将工作重心放在勘查工程项目实际地质水文条件、熟悉分析工程设计图纸、搜寻掌握周边道路建筑资料等方面，以实现对建设项目全面系统的了解，为布设自动化基坑监测网络提供便捷。②明确监测流程。由于本项目涉及到的监测内容比较多，为了避免出现混淆和疏漏情况，围绕确定的监测内容对各自执行计划和工作流程进行制定和梳理，然后严格按照设计计划和规定流程进行标准化、规范化作业，这样既能够提高监测工作效率，又能够保证监测结果准确性[10]。③保证数据质量。要保证所得监测数据信息能够反映真实情况，就要在监测工作开展时结合实际对监测点数量、间距等进行合理设置，同时重视监测数据预处理和平差分析工作，及时发现监测数据出现的误差较大情况，在加强修正处理中提高数据精准度。④加强结果利用。在完成监测数据信息分析处理工作后，要将监测结果运用到实际深基坑施工指导优化中，以充分发挥出自动化监测系统的应用价值，推动深基坑工程施工安全、顺利的完成。

5 结束语

依托自动化监测系统开展深基坑工程监测工作，可以有效弥补传统监测方式存在的效率低下、质量得不到保证等缺点，为深基坑工程安全可靠施工提供强有力的支持。实际监测过程中，要先对自动化监测系统的构成及应用流程进行全面细致的掌握，然后严格遵照相应流程进行规范操作，根据所得监测数据掌握深基坑施工存在安全隐患以后，及时采用有效措施进行控制与处理，以保证整体施工安全和质量。