大厚度湿陷性黄土场地建筑深基坑自动化智能监测应用研究

吴 健，万国平，司拴牢，张雪云，司 同

（1.甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020；2.兰州市建设工程安全质量监督站，甘肃 兰州 730030；3.甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，地下空间开发利用向着更深、更大的方向发展。在我国西北黄土高原地区，削山填沟造地等成为土地开发利用的重要方式之一，而这一地区特有的大厚度湿陷性黄土场地深基坑安全质量控制就成为工程建设中越来越突出的问题［1］。基坑监测是保障基坑安全的最后防线，自动化智能预警监测是主动控制建筑深基坑安全稳定的有效措施之一。

本文针对某大厚度湿陷性黄土场地深基坑自动智能监测应用，对比传统人工监测和自动化在线监测的优缺点，分析大厚度湿陷性黄土场地深基坑自动化在线监测预警的必要性，并对该技术在今后推广应用中应改进的地方提出了建议，供行业参考。

1 大厚度湿陷性黄土场地深基坑施工与监测

大厚度湿陷性黄土场地深基坑工程施工设计目前处于尚不成熟阶段。由于该地质条件的特殊性，在进行施工过程中人工监测的滞后性和不可持续性，往往对大厚度湿陷性黄土场地不能及时有效地进行预警，通过安装深、表层等各类传感器和应力计，及时感知土层和支护结构的应力状态，实时自动化智能监测并传输数据，根据设定的预警区间进行及时处置现场不利状态，从而来确保施工现场和基坑周边环境的安全性。

1.1 大厚度湿陷性黄土场地深基坑设计理论

目前在湿陷性黄土场地的深基坑支护计算时，对于非饱和黄土计算理论尚处探索阶段，通常以概念设计为主，计算参数的取值，重要性系数和安全度主要依靠设计人员的工程经验。所以，为了强化湿陷性黄土地区建筑深基坑设计理论的完善，亟待通过工程现场各类监测数据的积累分析，提升该类场地基坑支护设计的针对性和科学性。

1.2 大厚度湿陷性黄土场地深基坑的特点

大厚度湿陷性黄土场地基坑安全事故一般都和水的浸入有关，基坑侧壁土体遇水增湿后，其强度将显著降低，而水的浸入具有隐蔽性、偶然性、不确定性。

1）水的浸入会对坑壁的稳定性产生威胁，特别是地下管网破裂产生的水，因其不易被发现，造成的后果往往更为严重。

2）预应力锚索失效，导致基坑支护结构变形过大，支护桩弯矩加大，影响基坑安全。

3）周边建筑物地基土浸水后出现湿陷、软化，建筑物下沉变形开裂。

1.3 大厚度湿陷性黄土场地深基坑信息化监测的必要性

1）基坑监测数据是基坑工程现场管理人员判断工程是否安全的依据。由于大厚度湿陷性黄土场地基坑区别于与其他地区基坑，主要是坑壁黄土或黄土状土，具有大孔隙、湿陷性，在开挖过程中易受到外界环境的影响，天然状态下与受扰动或浸水后的状态差异巨大，基坑监测信息成为判别后续施工是否安全的重要依据。

2）基坑监测数据是完善设计与施工的重要手段。基坑工程设计和施工方案是技术人员通过数学分析手段，进行量化预测计算，并借鉴长期工程实践经验制定出来的。由于计算模式和计算参数不可能与实际完全一致，即使概念设计无误，计算与实际也有差别，有时甚至与实际工况出入较大。

基坑监测过程中所取得的数据是支护结构和土层在工程施工过程中的真实反映，是各种复杂因素影响和作用下的综合表现。在大厚度湿陷性黄土场地基坑开挖过程中，基坑侧壁的土体变形易导致基坑周边管线破裂，水源浸入；场地施工用水管理不善，易导致场地土浸水；基坑周边荷载变化使得土体易受扰动，性质发生变化。诸多因素在基坑设计与施工方案制定前无法全面涉及，因此，需要通过基坑监测数据信息及时调整设计与施工方案，保证基坑动态化的安全控制。

3）自动化智能监测手段，极大地丰富和支撑了大厚度湿陷性黄土场地建筑深基坑支护设计施工的发展。现场监测数据既是检验设计计算的依据，也是与实际工程比对深化基坑施工安全质量保证措施的主要依据之一。目前，大厚度湿陷性黄土场地深基坑设计理论尚不成熟，通过对大量的基坑监测数据和信息进行统计分析，可以积累经验以提高基坑工程的设计和施工管理水平，为大厚度湿陷性黄土场地基坑监测设计理论的发展提供重要的支撑。

4）自动化智能监测提升了对建筑深基坑监督管理的主动性、超前性和协同性。在大厚度湿陷性黄土地区，由于基坑侧壁土体特殊的物理力学性质，基坑支护体系失效，侧壁坍塌后，其影响范围较大，往往会威胁到基坑周边的环境安全。因此，深基坑的安全问题已不再是深基坑本身的问题，它直接关系到环境安全，社会的和谐稳定。在建筑深基坑的施工过程中，强化政府主管部门的监管力度，势在必行，也是危险性较大工程中首当其中的监管内容之一［2］。

基坑支护结构及周边环境的科学有效监测，是控制基坑施工质量安全的主要手段，在监督管理过程中，基坑监测数据则是判断基坑健康状况的最直接依据。

2 某大厚度湿陷性黄土场地深基坑工程监测

2.1 场地岩土工程状况

该项目建设场地，地貌类型划属黄河北岸 Ⅳ 级阶地及黄土梁峁沟壑区。该场地原为高山缓坡丘陵地区，经过后期移山造地，进行了挖填整平，场地主要特点如下所述。

1）为大厚度自重湿陷性黄土场地（黄土状粉土最大厚度达 62.5 m，湿陷等级 Ⅳ 级，湿陷程度很严重）；

2）为大厚度填土场地，局部为沟壑回填（回填最大厚度 20.0 m，且分布不均匀）；

3）周边环境条件复杂（特别是水环境）。

2.2 深基坑工程设计概况

该项目基坑最大开挖深度为 18.7 m，位于基坑北侧，基坑北侧坑壁安全等级为一级，支护结构设计采用支护桩 + 4 道预应力锚索，顶端设钢筋混凝土冠梁连接。

2.3 基坑周边环境

基坑北侧上口线距离建筑物边 8 m 范围内分布有给排水、热力、消防等诸多管线。

2.4 基坑安全事故

1）2018 年 10 月 5 日，基坑北侧建筑物管道破裂，大量管网水浸入地基土，导致地基土湿陷。

2）2019 年 1 月 2 日，基坑北侧建筑物给水管破裂，水经排水沟渗入基坑北侧土体，形成管涌通道，导致基坑侧壁出现漏水事故。

3）2019 年 1 月 5 日，场地基坑北侧建筑物东段下部自来水管道破裂，大量管网水浸入地基土，地坪塌陷，地面裂缝发展迅速，该处支护体系与地坪脱开。

2.5 基坑监测情况

2.5.1 传统人工监测

2018 年 8 月 30 日～ 2019 年 1 月 6 日采用人工监测手段。传统的人工监测主要是配备测试人员进行现场数据采集，然后到室内进行数据整理、统计、分析判断监测结果，并出具相应的监测报告。

人工监测期间，该基坑北侧漏水处周边布置有土体深层测斜管，采用人工测读，由于测量间隔时间达数小时，待次日测量时土体已发生较大位移，测斜管在 5 m 的位置发生断裂。由于测量数据的不及时，待发现问题时，已经有大量管网水浸入边坡土体，造成较为严重后果。

传统的人工监测方法只能定点、定时对深基坑工程进行监测，不能掌握其动态、连续的变化过程。不仅费时费力，而且效率低。尤其在西北黄土地区，基坑安全大多与水有关。当遇到雨雪天气，这时不具备人工监测条件，而基坑安全事故往往多发于雨雪天气之后，人工监测由于诸多条件限制，导致发现问题不及时，对基坑工程留下严重的安全隐患。

2.5.2 自动化在线监测

由于传统人工监测不能满足该基坑工程要求，为此，于 2019 年 1 月 7 日开始，采用自动化在线监测+人工巡视手段，对基坑进行监测。自动化监测对象为基坑支护本体及周边建筑物等，具体监测内容如下所述。

1）基坑顶部变形（沉降、位移）监测（静力水准仪、倾角仪）；

2）土体深层水平位移监测（固定式测斜仪）；

3）支护桩深层水平位移监测（固定式测斜仪）；

4）锚索内力监测（锚索计）；

5）邻近建、构筑物的沉降、倾斜（静力水准仪、倾角仪）。

通过自动化智能监测系统实现自动监测仪器数据的实时采集、4G 网络数据传输汇总以及云平台数据的远程实时查询，保证工程信息的准确感知、数据的及时处理，当施工现场基坑支护出现异常情况时，第一时间发出预警并采取响应措施，保障基坑支护工程的安全进行。本工程在应用中还能做到根据实际情况设置采样间隔；根据规范及设计要求预设报警值；预设报警等级，根据预警程度通知相应参建单位或监督单位。

2.6 基坑监测项目成功预警案例

2.6.1 土体深层水平位移监测成功预警

根据监测数据，2019 年 4 月 1 日 11∶15∶52，土体深层位移分别在 2.0、4.0、6.0 m 处超过预警值，临近建筑物倾角仪倾斜度超过预警值。

项目部接受到报警短信后，立即组织人员对现场情况进行巡查，发现临近商铺自来水管网破裂，立即通知相关单位启动应急处理措施，切断水源，防止险情继续发展，从而成功预警排除隐患。

2.6.2 锚索内力监测成功预警

2019 年 2 月 15 日基坑北侧监测 2 剖面第一道锚索锁定应力损失累计变化量达 80 kN，锁定值低于设计值的 70 %，且应力损失无收敛迹象。现场立即停止开挖，并通知设计及相关单位共同会诊。经分析该段锚索断面位于基坑长期跑水段，锚索锚固段土体主要位于浸水范围内，土体软化导致锚索锁定应力损失较大，长期会导致锚索失效。

为确保基坑安全，根据监测结果，对该段锚索进行补强，原设计 3 道 18 m 锚索（自由端 6 m，锚固段12 m），在原有位置新增 3 道 26 m 锚索（自由端 10 m，锚固段 16 m）穿透浸水土体范围，将锚索锚固段放置在可靠土层中。对锚索的应力损失进行了成功预警，并为后续施工和设计提供依据。

3 自动化智能监测系统

自动化智能监测系统主要由传感器监测节点、数据采集单元、数据处理中心等部分组成，其组成结构如图1 所示。其中，传感器监测节点主要采用静力水准仪、倾角传感器、测斜传感器等作为基坑沉降、土层内部水平位移等对象的实时监测。多通道数据采集则对部署在施工现场的各个传感器监测节点进行实时数据采集，并经由 4G 无线路由将监测数据发送到数据处理中心。

图1 自动化监测系统结构框图

其中，一般针对基坑开挖现场，在基坑顶部分别部署静力水准仪和倾角仪，用于实时监测基坑的沉降和位移等观测量；将测斜仪埋置土层深部，用于进行水平方向位移监测。根据现场具体的施工和环境情况，进行上述测量传感器的点位部署，并由数据采集单元实现多路监测点位的数据实时采集，通过 TCP/IP 通信协议，由 4G 无线进行数据远程传输。数据处理终端将对各路数据进行曲线显示，并进行曲线趋势分析，通过与设定报警阈值进行比较判断，最终由预警处置系统实现预警处置动作，根据现场实际需求，通过广播、手机短信等方式实现。

数据处理中心根据其面向对象，具备多种职能需求，其职能组成结构如图 2 所示。首先，对接收到的监测数据进行数据分析统计，当出现异常时候产生相应的监测报警及打印报表。其次，各参建单位可通过数据处理中心进行相应的监测报警记录查询以及监测报表打印存档。另外，监测单位需要通过数据处理中心对整个监测系统进行长期维护和平台数据管理工作，及时处理数据冗余可能造成系统执行效率降低等不稳定因素。

图2 自动化监测系统职能结构框图

相比传统人工监测，自动化在线监测具备诸多优点。

1）数据采集连续，能够反映出各工况下动态变化情况，实现实时监测预警，且能够在不同条件和环境内使用。

2）实现对深基坑及周边环境监测数据的自动采集、实时传输，保证了监测数据的及时性、准确性、完整性。

3）克服了常规人工监测手段所需的人员投入多、耗时长、误差大、数据处理滞后的缺点。

4）自动化监测系统操作简单易懂，便于监测人员随时掌握监测信息。

5）通过自动化监测系统，工程参建各责任主体以及监管人员，可以通过系统及时查询在建工程现场的监测数据，有利于及时采取应急措施，保证地下工程及基坑工程的施工安全。

6）监测数据可实时查询，有利于政府主管部门对基坑工程质量安全的监督管理。

7）大范围地采用自动化监测系统，同时利用大数据分析有利于黄土地区基坑设计理论的提高。

4 对该技术改进的建议

1）采用固定式测斜仪进行深层水平位移监测相对外界影响较小，监测数据较为稳定、可靠，技术成熟，可广泛使用。在采用静力水准仪及锚索应力计时，其对温度变化较为敏感，会对监测数据造成影响，需要前期试验确定适合本地区的温度补偿计算方法。

2）静力水准仪安装需要串联通液管。由于施工现场条件限制，通常埋设的基准点位在基坑开挖影响范围内，对测量数据会造成一定影响，需定期对基准点进行复核，确保监测数据的正确性、可靠性。

3）自动化监测设备需要匹配电源。现场施工中难免会出现断电和传感器被破坏的情况，还是需要人工通过平台检查设备运行情况，发现问题及时处理。

4）自动化监测也需要结合人工巡查，综合经验判定基坑健康状态。

5）基坑自动化监测“智能”程度还是较低，只有单一数据预警，没有综合数据分析能力，还需在这方面持续优化提升。

6）基坑监测指标的甄别还需慎重区分，设置的重要单一指标报警需停工，并立即采取处置措施。因此，那些项目指标是必须优先设置的预警指标，现场必须认真对待，这方面还需要在工程实践中不断总结。

5 结语

大厚度湿陷性黄土场地及周边环境的复杂性和不确定性，给建筑深基坑的施工安全和环境安全带来风险。因此，自动化智能在线监测系统，对于大厚度湿陷性黄土场地的安全监测显得尤为必要。同时，确保相关监测数据的真实、完整、及时、准确，是对基坑勘察设计参数的验证和补充，也是完善基坑工程施工安全措施的重要依据之一。