自动化监测技术在地铁深基坑中的应用

2021-09-05林翔宇

科技创新导报 2021年13期

林翔宇

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-2187

摘要：基坑监测技术是随着深基坑工程的发展而不断完善的。由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性，对在施工过程中引发的土体性状、环境、邻近建筑物、地下设施的变化进行监测已成为工程建设必不可少的重要环节。对于风险大、安全性要求高的深大基坑采用传统的监测模式不能满足现阶段的要求。自动化监测技术具有实时监测、自动化性能高和复杂环境下安全保障的特点。随着信息化技术的提高，建立自动采集、数据实时分发及数据查询统计分析平台，实现无人化现场监测是一种趋势。

关键词：自动监测技术深基坑地铁应用

中图分类号：U231.1 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0014-03

Application of Automatic Monitoring Technology in Deep Foundation Pit of Subway

LIN Xiangyu

（Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Shanghai， 200092 China）

Abstract： With the development of deep foundation pit engineering， foundation pit monitoring technology is constantly improved. Due to the complexity of underground soil properties， load conditions and construction environment， monitoring the changes of soil properties， environment， adjacent buildings and underground facilities caused by the construction process has become an essential part of engineering construction. For the deep foundation pit with high risk and high safety requirements， the traditional monitoring mode can not meet the requirements at this stage. Automatic monitoring technology has the characteristics of real-time monitoring， high automation performance and security in complex environment. With the improvement of information technology， it is a trend to establish automatic collection， data real-time distribution and data query statistical analysis platform to realize unmanned on-site monitoring.

Key Words： Automatic monitoring technology; Deep foundation pit; Metro; Application

當前对于风险大、安全性要求高的深大基坑采用传统的监测模式已不能满足现阶段的要求。自动化监测技术具有实时监测、自动化性能高和复杂环境下安全保障的特点[1]。尤其是在城市轨道交通建设中，遇到基坑开挖深度大、周边建筑物多、市政道路交叉和压力管线密集的情况下，采用自动化监测技术能为基坑监测实时开展提供有力的保障。

1 自动化监测系统

自动化监测系统由传感器、数据采集系统、通讯系统和数据处理系统等组成。根据基坑工程本体自动化监测项目需要，传感器有自动水位计、孔隙水压力自动化监测计、土体分层沉降计等自动化观测技术，及时掌握关键水位及孔隙水压力变化;自动化墙体或土体深层水平位移、支撑轴力自动化采集仪，实时反映基坑开挖过程中土体的变化;静力水准仪、隧道自动化收敛、全站仪自动化水平位移，是针对隧道结构变化的实时监测[2]。

在自动化监测技术发展过程中，各种自动化监测设备蜂拥涌入市场。为遵循“实用、可靠、先进、经济”的原则，根据监测等级和监控对象的特点，在本次应用中，采用了自动化墙体或土体深层水平位移、孔隙水压力自动化监测计和静力水准仪技术进行分析。

1.1 建筑物静力水准仪自动化

自动沉降监控采用静力水准仪，数据解调器将静力水准仪收集的沉降更改读取到计算机中，以进行计算、处理和传输。根据连接管道的原理，仪器通过传感器测量每个测量点相对于仪器参考点的监测仪器中容器液位的变化，然后计算相对于基准的每个点的变化[3]。

静力水准测量系统主要由主容器、连接管、传感器等部分组成。当仪器主体的安装点的高度改变时，主容器中的液位改变与每个容器中的液位由精密传感器测量。传感器上有自由悬挂的重物。一旦液位变化，传感器就会检测到悬吊重物的悬浮力。

1.2 墙体或土体深层水平位移自动化

地下连续墙上部环梁施工完成后，在固定的土墙斜孔中放置固定的测斜仪，并将传感器电缆连接至无线测量模块，以通过GPRS通信模块实现远程自动监控。

整个系统包含安装在测斜管中的多个固定测斜传感器，测斜管为地下测量提供了入口[4]，测斜仪内部的导向槽控制传感器的方向。测斜管安装在垂直井中，该井穿过地下可能发生位移的区域。一组导向槽需要在预期的行进方向上对齐，传感器安装在测斜管上并横穿位移活动区域。当土壤移位时，测斜仪管将移位，从而导致安装在管中的传感器倾斜。位移计算原理与常规深水平位移测试（测斜仪）相同。

1.3 孔隙水压力自动化

将孔隙水压力计前端的透水石和开孔钢管卸下，放入盛水容器中热泡，以快速排除透水石中的气泡，然后浸泡透水石至饱和，安装前透水石应始终浸泡在水中，严禁与空气接触。

通过在观测孔内安装振弦式渗压计来测读，同样将渗压计导线接入无线自动化数据采集单元，通过GPRS通信模块实现远程监控。

使用过程中，水压力导致膜的变形而使弦的张紧度和共振频率发生改变，数据采集器可以精确测量弦的共振频率并且以周期或线性读数显示，最后通过采用渗压计的压力计算公式便可以计算得出结果。

自动化监测数据采集频率及发布是自动化系统的重要组成部分。自动化监测数据可以实时进行监测，自动化监测项目原始数据采集频率不低于10min/次，自动化监测的计算结果信息定时发布，基坑开挖期间发布频率不低于2h/次;自动化监测实施过程中，进行标准化的定期校验、人工比测，因自动化监测系统故障出现数据错误时立即进行故障排除、数据校正，保证监测数据采集的准确性和数据结果发布的可靠性。

2 项目实施

该项目为地铁工程中间站，车站沿道路南北走向，跨现状路口设置，与已通车的地铁站“十”字换乘，为地下二层岛式车站，站后设单渡线。

本站内净尺寸为350m×20.06m，站台宽度13.06m，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。车站基坑开挖深度约为14.5～17.6m，顶板覆土厚约2.5m，本工程基坑采用半逆作顶板盖挖法施工，基坑围护结构均采用0.8m厚地下连续墙，标准段竖向设置四道支撑（1道钢筋砼支撑+3道钢支撑），工作井竖向设置五道支撑（1道钢筋砼支撑+4道钢支撑）。

根据地质调查报告，该地区是典型的软土地区。厚厚的软粘土层通常沉降在土壤下面。它具有高含水量、大空隙率、低强度、高可压缩性和其他不利的工程特性，且具有低渗透性、触变性和流变性的特征[5]。工程竣工后，软土引起的施工后沉降通常较大，对工程的安全运行影响很大。同时，在高载荷和振动的长期作用下，软土的触变性倾向于降低其强度，从而进一步降低其强度，增加结构的变形。

2.1 自动化监测点布置

基坑工程自动化监测点布置要能反映监测对象的实际状态及其变化趋势，监测点应布置在变形、应力等的关键特征点上，并满足监控要求，且需放置在不受影响或容易保护的位置[6]。

对于监测等级为一级的基坑，围护墙侧向变形孔2～3幅地墙布设1孔（地下3层及以上车站每2幅布设1孔，地下2层车站每3幅地墙布设1孔）。测孔沿长边对称布设并与围护墙顶变形监测点相对应，每侧边至少有1孔，并确保存活，如不能存活，则在对应位置补设土体测斜孔。为确保实际存活的测斜孔密度，车站主体基坑围护墙体深层水平位移监测点每2幅地墙布设一孔，其中1孔备用。围护墙体深层水平位移监测孔布设在每幅地墙中部，避开地墙接头处布设（如图1所示）;基坑阳角部位及其他代表性部位的桩（墙）体布设监测点。

2.2 自动化监测数据采集

采用固定式测斜仪，在现场布设好的桩体或者土体测斜孔中进行放置一串与测斜管等深的固定式测斜仪（1m布设一根），在测斜孔外部放置一个数据采集盒，利用内置的物联网模块实时上传测斜数据。监测云平台可以实时接收测斜数据，真正做到测斜数据的实时上传。上传过程不需要人工干预。

孔隙水压力计现场布设监测元件的方法和传统监测布设一致，布设完毕之后，在相应轴力断面位置，放置一个振弦式频率采集箱，实时采集轴力元件的频率值和温度值。数据通过压力计采集箱中的物联网发射模块，直接将压力计原始数据（频率+温度）实时发送至监测云平台。不需要人为测量和干预。

数据上传平台后，监测云平台会根据压力监测点所使用的监测元件实时计算和存储相应的水压力值（如图2所示）。

沉降监测传感器所采集的沉降变化量通过无线网络传输到指定IP计算机，通过配套软件进行数据传输存储管理及计算处理。

3 自动化监测与人工监测数据比较

目前市场上的监测设备品种多样，其中以固定式测斜尤为突出。为了检验自动化监测成果的精度和可靠性，在自动化监测数据采集的同一时间、同一地点，在同一幅地墙上布置2个测斜孔，使用传统测斜仪在自动化监测点旁的人工监测点进行数据采集工作，每周人工采集一次数据。将各深度位置处传感器水平位移量自动化监测成果与人工监测成果进行对比。人工监测采用滑动式测斜仪，只采用一根测斜探头。探头的轮距为0.5m，每次提拉监测的间距为0.5m。而自动化监测是采用固定式测斜探头，通过一连串探头相连的方式，每米设置一个传感器。

自动监测结果与人工监视的结果基本一致。对每个深度的水平位移进行自动监测，并进行累计校正，得到的变形过程线与人工监测结果的趋势相吻合。监测结果实际上可以反映出基孔壁在水平方向上的变形。

4 结语

（1）自动化监测24h实时监测，无需人员多次进入施工现场，尤其在地铁基坑监测中有效做到防灾减灾。

（2）在基坑出现风险时，自动化监测也可连续稳定的进行监测，从而确定合理的抢险方案，这对消除基坑险情有着非常积极的作用。

（3）自动化监测技术具有高精度、高灵敏度等特点，结合数据自动化采集与传输技术构成的自动化监测系统，能够克服传统监测工作效率低下等问题，实现数据的实时采集。

（4）辅助施工管理，非监测专业人员同样可以看懂基坑变形情况。

（5）结合已有的基坑围护结构的变形历史判断未来一段时间的变形趋势，对危险位置提前预警重点监测，有利于施工管理人员和业主方的工程施组决策。

（6）对于城市地铁深基坑部分采用自动化监测技术，虽投入成本比传统监测高，从安全和效率方面是可行的。

参考文献

[1] 张乾坤.滨海区轨道交通深基坑健康自动化监测技术应用研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2020.

[2] 周健宝.基于反馈闭环技术的深大基坑自动化监测及预警[D].合肥：合肥工业大学，2020.

[3] 范思广.城市地铁车站基坑施工安全自动化监测与变形控制研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.