市政基坑监测与数据分析研究

廖云峰

摘    要：在市政工程中，不论是道路、地铁还是桥梁，都会涉及到基坑开挖作业，基坑工程的安全监测也受到了社会各方面的关注和重视。在基坑监测中，由于监测内容多、产生数据量大、实效性要求高等特点，给基坑监测实施与数据分析带来了一定的难度。本文以某地下连续墙支护的市政基坑工程作为研究对象，从监测内容、数据传输、数据分析和实际应用入手，对市政基坑监测与数据分析进行研究，为市政基坑监测工作的开展提供参考。

关键词：市政;基坑监测;数据分析

1  前言

市政基坑的开挖是一个动态的过程，根据施工区域的地质条件、荷载条件和社会因素的不同，基坑施工的安全性也会出现一定的波动。在进行基坑监测前，需要专业的工程量测单位根据工程特点，编制基坑监测方案，并且经建设、监理和设计单位认可后，进行基坑监测的实施。通过监测方案能够一定程度上对基坑开挖施工过程中支护结构的变形与基坑受力情况进行描述，确定基坑的动态变形情况。

2  市政基坑监测内容及监测数据的采集传输

2.1  市政基坑监测内容

在市政基坑施工中，由于施工区域的不同，地质环境会出现很大的差异。因为土层环境的复杂多变，周围建筑物的荷载的影响和地下管线的不确定因素干扰，基坑开挖施工往往没有固定的施工模板和可靠的经验进行参考。所以，基坑监测对于基坑开挖及支护的作用非常重要[1]。從现行的基坑施工监测规范来看，基坑施工现场的监测内容主要包括支护结构、施工工况、地下水情况、基底及周围土体状况、周围建筑物及地下管线设施和自然环境等众多可能影响基坑开挖施工的项目。具体可以细化为水平位移监测、竖直位移监测、体系内力监测、土压力监测、水压力监测等众多内容，通过这些数据信息的监测收集，能够一定程度上反映出基坑开挖过程中的变化，及时采取相应措施，保障基坑施工的安全性。

2.2  基坑监测数据的传输

随着科学技术的进步，基坑监测技术也在快速的发展，从传统的人工监测记录数据，向着自动化和信息化发展。当前，基坑监测已经实现了监测数据自动采集、远程自动化监测以及数据自动分析处理[2]。通过数据评估报告，能够实现基坑施工的危险值预警。除此之外，通过现代化基坑监测技术，能够将监测数据成果上传至云端数据管理中心，将监测成果发布共享。通过移动终端能够实现便捷的监测情况查询，图1即为自动化钢支撑轴力监测系统工作状况，够能够给基坑施工提供更好的辅助。

在基坑监测数据的传输中，自动化监测设备并不能完全实现脱离人工。需要监测人员配合仪器，进行基坑监测数据的传输，以确保监测结果的准确。在仪器收集监测点的信息数据后，管理人员需要对数据准确性和监测点位的变化进行复核，以确保基坑监测数据能够准确的反应出基坑的变形情况[3]。在管理人员对数据核对审查完成后，将其上传至数据处理中心，完成对数据的分析处理。

3  基坑监测数据分析

3.1  基坑监测报警值的确定

在基坑的监测过程中，不同监测项目预警值的确定非常关键。预警值的确定并非完全依靠设计数据进行，还需要综合考虑基坑施工过程中周围的荷载环境，确定项目监测报警值。报警值的确定是为了对支护结构位移情况、受力是否超过允许范围等确定一个衡量标准，衡量基坑开挖施工的安全性[4]。通过监测数据与报警值的对比，决定是否变更施工方案，提高基坑开挖施工的安全性。在基坑监测报警值确定时，要遵循一下几个原则。其一，报警值并非是基坑开挖设计值;其二，报警值确定需要综合考虑基坑施工周围的情况，不可盲目按照开挖施工情况确定;其三，确保监测对象的安全性;其四，在确保监测安全的前提下，综合考虑施工难度及成本投入，提高工程效益。

在进行基坑预警判定时，除了基坑的累计变形量外，同时还要参考基坑变形速率，当基坑发生变形，并且这种变形趋势呈现出不可控状态，那么就需要结合变形速率进行基坑危险预警。例如，当某一基坑开挖施工时，在二到三天内，基坑变形速率超过了提前设置的预警值，但是却没有超过突变值时，应该综合考虑基坑各方面的监测数据变化情况，对基坑变形速率加快进行科学的分析评估[5]。通常情况下，造成这一情况是由于基坑出于急剧变化期，需要对施工方法进行改变，从而使基坑的变形速率恢复到正常范围内。

3.2  基坑监测数据传输模型

当前，基坑监测数据通过监测传感终端，能够实现无线传输。但是由于基坑监测的原始数据占用空间大，所以通常会采用数据压缩的方式进行上传。通过对原始数据的压缩处理，能够极大的节省数据占用的存储空间，还能够节约数据上传的时间，提高基坑监测的效率。目前数据压缩传输方法很多，可以将其分为无损压缩和有损压缩两种算法。无损压缩的原理是利用数据统计冗余进行压缩，在数据复原时不会造成原始数据的丢失和损坏。这种压缩算法的缺点在于压缩率较低，主要被应用在文本、程序和重要的图像数据压缩中[6]。在无损压缩中，半字节压缩算法是应用广泛的基坑原始数据压缩方法，理论压缩比能够达到50%，实际使用效果非常理想。

3.3  基坑监测数据的处理

在进行基坑开挖施工之前，需要按照一定的标准布置基坑变形的监测点。监测点的首次测定通常在基坑开挖一周前，并记录测量初始值。将收集的基坑初始值整理后建立基坑监测数据库。进行基坑施工时，按照要求对基坑施工区域两倍基坑深度范围内的建（构）筑物进行监测，采集数据信息。由于基坑监测仪器设备精密程度非常高，导致仪器设备受到微小干扰时，监测数据就产生一定程度的误差。在现代自动化监测设备应用中，人为误差对于监测结果的影响越来越小，目前主要影响基坑监测准确性的误差来自于系统误差[7]。对于此类误差，只有通过不断提高设备的精密程度，做好设备的维护保养工作，达到提高监测结果精确度的目的。除此之外，也可以采用多人校核的方式对监测数据进行核对验证，通过对原始数据的可靠性进行论证，来保障基坑监测数据具有更高的参考价值。

在收集的数据处理中，首先需要对数据中的异常值检测，利用评判准则对原始数据进行查验，识别数据是否为异常值。异常值的检验通常由编好的程序进行，异常值查验的结果也会保存在数据库文件中，通过监测数据的不断收集和上传更新，在数据库原始数据的基础上逐个进行新数值的检验。除了异常值外，在收集的监测数据中，还会存在系统误差，所以需要进行误差的检验，以确保数据分析结果的精准[8]。系统误差通常由观测仪器产生，在复杂的观测条件下，系统误差也会呈现出不同的状态，所以在进行系统误差的检查中，需要保持慎重的态度，一旦系统误差判断和消除错误，不仅不能提高基坑监测结果的准确性，还会误导基坑施工，造成非常严重的后果。

4  基坑监测技术在市政基坑监测中的应用

本文以某市政基坑开挖工程为例，探究基坑监测技术在市政基坑监测中的应用。在基坑施工区域2km处存在河流，因此基坑采用地下连续墙形式，共有五道支撑，第一和第四道采用1.0X1.0m混凝土支撑，其余为直径609mm，管壁厚度16mm的钢管进行支撑，如图2所示。采用明挖顺作方法进行施工，基坑监测技术的应用过程如下。

4.1  地下连续墙位移监测

在进行地下连续墙位移监测中，需要提前在结构或者土体中预埋测斜管，通过测斜仪进行数据采集，获取地下连续墙的位移数据。作为基坑支护主体的地下连续墙，其深层位移和结构变形与基坑稳定性关系密切。以其中一个位移观测点的变形量作为研究的对象，该点所在断面的施工情况为：5月21日在基坑开挖8m后，架设第二道钢管支撑;7月1日基坑开挖至14m处，架设第三道钢管支撑;7月24日基坑开挖至18m处，架设第四道混凝土支撑;10月10日基坑开挖至23m处，架设第五道钢管支撑。在10月24日基坑开挖至坑底，坑底深度为26m。

在基坑开挖过程中，以测斜管深度为x轴，侧向位移距离为y轴，发现图形近似抛物线。侧向位移最大为埋深17m处，位移距离达到了32mm，在埋深0米和26m处，几乎不产生位移。通过数据分析可以发现，最大位移深度随着基坑的开挖逐渐向下延伸，直至开挖深度达到23m后，最大侧向位移距离不再发生变化。这说明在开挖过程中，随着开挖深度的增加，地下连续墙一直在发生变形，而且这一变形随着开挖深度的增加在逐渐增长，直至第四道支撑施工完成后，由于混凝土支撑刚度大，提高了支撑体系的整体稳定性能，导致在开挖至26米时，侧向位移距离不再增长。由此可见，在基坑施工中，基坑变形情况与支护结构的形式和支护体系材料选择有着一定的关系，能够通过性能较高的支护材料使用，提高基坑的稳定性。通过对施工过程侧向位移情况的分析可以发现，变形增长“时空效应”明显，在开挖过程中，侧向位移一直呈现增长，这说明施工过程采用“随挖随撑”对于基坑稳定性有着非常大的帮助。

4.2  围护墙顶部竖向位移监测

基坑顶部的监测中，在围护墙顶部选取某一点作为观测对象，随着开挖施工推进，围护墙顶部竖向位移呈出波动状态。根据竖向累计沉降量，可以将其分为三个阶段。在第一阶段，第一道支撑施工完成后，由于混凝土自重导致土体受到压缩，出现一定程度的沉降。在第二阶段，随着开挖作业的展开，维护强顶部的监测点呈现上升趋势，产生这一情况的主要原因是有开挖作业导致连续墙一侧土体侧限解除，基坑顶部土方开挖卸荷后，土体自身发生回弹，带动连续墙出现上升情况。第三阶段，随着开挖施工继续进行，连续墙开始出现下沉，并且最后趋于稳定。这是由于随着开完施工完成后，基地围护结构施工完成，在基础底板和支撑的约束下，连续墙沉降逐渐趋于稳定。

4.3  地表沉降监测

地表沉降数据的观测对于基坑稳定性的评估非常重要。根据地表某一观测点收集的数据分析可以发现，基坑开挖作业施工过程中，地表沉降量逐渐增加，呈现出波动不同的曲线。在7月24日架设第四道混凝土支撑之前，地表的沉降量随着基坑开挖深度的增加，呈现出非常明显的沉降趋势，而且这种趋势有增长的表现。直至第四道混凝土支撑施工完成后，这种沉降趋势才减缓，但是依然缓慢增长。直到基坑开挖完成，并且在基底完成部分结构后，这种地表沉降趋势才稳定下来。这说明地表沉降量受到时空效应的影响同样显著，在施工过程中，需要加快施工速度，降低基坑开挖对于地表沉降量的影响。

除此之外，地表沉降量观测中，沉降量最大的区域并非是基坑边缘地区。沉降区域呈现出“凹”字形，在距离基坑一定距离的区域，沉降量更加严重。这种基坑地表沉降规律完全符合“沉降槽”理论。这是由于基坑周围区域的土体受到基坑顶部维护圈梁的约束，不会发生较大的沉降，而远离圈梁的土体，这种约束作用逐渐降低，出现较大的沉降量，当距离足够远时，受到土压力的限制，这种沉降影响减小，沉降量越来越低，形成了“凹”字形的沉降规律。

4.4  支撑轴力监测

支撑轴力是决定基坑支护稳定的重要指标。该基坑第一道和第四道支撑为混凝土，其余为钢管。随着开挖深度的增减，每一道支撑施工完成后，对于上一道支撑都会产生较大的影响。尤其是在第四道混凝土支撑施工完成后，由于混凝土支撑具有较大的刚度和强度，会对第二道和第三道钢管支撑的轴力产生较大的影响。这说明第四道支撑具有非常好的支撑效果，而第五道支撑轴力明显较小，说明该基坑基底较为稳固，对支撑作用力较小，基坑侧向的土压力主要存在于基坑上部[9]。而随着支撑数量的增加，第一道支撑受到轴力逐渐降低，尤其是在第四道支撑设置完成后，第二、第三和第五道支撑受到的轴力明显小于设计值，这说明基坑稳定性良好，支撑体系具有较大的安全储备，有较大优化空间，可以通过优化支撑体系方案降低施工成本。

5  结束语

综上所述，在市政基坑监测中，由于影响基坑稳定性的条件复杂，需要保证数据采集的精确性，传输的稳定性和分析的准确性。通过对基坑围护结构侧向位移、顶部沉降、轴力监测和地表沉降数据的分析，能够科学的评估基坑的稳定性，为基坑施工提供参考。

参考文献：

[1] 张玉华.大型市政基坑变形监测技术与应用研究[J].中国科技纵横，2018（2）：120～121.

[2] 杨仲杰，邓稀肥，邬家林.深大基坑自动化监测数据分析与预测研究[J].施工技术，2018（S4）：159～162.

[3] 王婧颖，胡斌.某软土地区地铁深基坑监测数据分析实例[J].建筑工程技术与设计，2018（21）：3394～3395.

[4] 裴泉熠.软土地区深基坑工程监测案例分析[J].工程建設与设计，2018（3）：82～85.

[5] 李逸聪，杨万伦.某放坡基坑工程变形监测数据分析[J].建材与装饰，2019（10）：228～229.

[6] 苗方辉，莫林.房屋建筑深基坑开挖过程中监测数据分析与应用[J].建筑施工，2018（7）：1120～1121+1124.

[7] 陈元林，孙斌，李卫华.深基坑监测成果分析及基于灰色预测模型的优化研究[J].施工技术，2019（S1）.

[8] 陈丽佳.一种深基坑变形监测方案及数据回归分析方法[J].测绘与空间地理信息，2018（5）：187～190.

[9] 柴鑫.大型基坑变形监测与数据处理研究[J].建筑工程技术与设计，2018（5）：3013.