自动化监测在基坑施工中的应用

熊飞，牟谷一，袁彬彬

（中国建筑第二工程局有限公司）

1 引言

基坑开挖是建筑施工中一项重要的工程，涉及地质学、结构工程和岩土工程等多个学科。基坑开挖就是在建筑地面向下挖出空间进行基础和地下建筑建设，是建筑工程中最常见的一种结构形式。建筑施工的第一道工序就是基坑开挖，基坑施工过程受到土壤、地质和水文以及施工环境和工艺等多个方面的影响，同时基坑开挖后还需要进行回填，属于隐蔽工程，施工质量监测比较困难，基坑施工以及其安全性对整个建筑物至关重要，因此必须进行基坑质量检测[1-4]。

2 基坑检测的现状

基坑开挖施工作业是一项高、大、危的工程，是受到国内外关注的安全工程之一。造成基坑坍塌的因素包括环境因素和人为因素，例如，地质勘察不到位、施工方案不合理、防渗水措施不完善、支撑维护不科学等都可能造成基坑坍塌。基坑坍塌的形式也很多，坑底隆起变形、渗水、基坑整体和围护体系失稳都会导致基坑的结构受到破坏，引发基坑坍塌。

由此可见，基坑开挖过程中任一环节的失误都会影响基坑的安全，基坑施工的复杂性也决定了基坑检测的必要性。现阶段，工程项目中一般采用第三方机构进行基坑检测，检测多采用人工现场观察和测量为主，主要对结构内力和结构位移进行检测，通过对上述一些参数进行分析和计算，可以判断出基坑局部或者整体失稳的概率，以及构件的安全度。然而，这种基坑检测方案还有一些缺点。

1）空间限制

由于基坑施工作业面积有限，人工检测时受制于设备及人员占据较大空间，无法找到合适的检测点，需要不停地改变方位或者角度，甚至变换方案进行检测。因此，除了增大误差以外，还会造成复杂作业环境下的安全隐患。

2）时间限制

基坑开挖作为一项重大危险工程，其作业量和难度都较大，需要昼夜不间断施工。此外，检测人员全过程进行测量观察难于集中精力，特别是光线较差的夜间施工，会造成检测人员的主观误差。

3）对象限制

人工现场检测主要是人工观察和测量，及时发现周边环境危险情况或者潜在的隐患等，这些现象往往滞后于施工进度，当发生肉眼可见的异常情况时已经为时已晚。

4）数据限制

现场人工检测往往是多组人员分工行动，并在检测结束后对数据进行汇总分析，检测结果滞后于施工进度，无法第一时间计算和分析出现场存在的隐患和及时做出响应。

3 自动化监测概述

现代基坑监测采用自动化手段，基于物联网、5G通信和大数据等技术的自动化监测系统，通过在基坑作业现场安装传感器等，并将传感器现场采集到的数据回传至计算中心，检测技术人员可以通过计算机后台操作实现对基坑作业过程中基坑结构和受力情况的实时监测和判断。相比传统人工检测，自动化监测系统降低了人工劳动量，同时保证了检测人员的安全和检测数据的精确。自动化监测系统对基坑进行不间断地数据采集和分析，排除了传统检测方法受制于时间和空间的限制，使检测数据精准，能够及时发现基坑安全隐患和破坏趋势，便于及时执行相应对策。

4 基坑自动化监测实例

某工程建筑面积为1.4万㎡，基坑宽为141m，开挖长度163m，平均开挖深度12m。本工程所需开挖的基坑地理位置比较特殊，施工道路通行条件较差，基坑开挖大而深，地下水量较大，导致施工工艺多、难度大、周期长、质量要求高。因此，该基坑开挖工程安全防范措施和施工检测至关重要。结合项目实际情况，本基坑施工采用自动化监测系统进行施工检测，主要监测基坑开挖过程中支撑轴力、挡墙应力、锚杆内力、土方的水平位移和纵向位移、地下水位和空隙水压力等数值的变化。本项目基坑监测中最重要的是对支撑轴力和土方位移进行监测，采用轴力计对支撑轴力进行监测，按照施工方案安装在最不利支撑的位置，共计38支；采用位移计监测土体位移，按照开挖深度平均布置四层装置，且每层分别在长、宽方向平均布置12支和10支位移计。

自动监测系统采用物联网技术和云处理技术相结合的知物云系统，通过现场各传感器进行数据采集，并经由专网传递到后台处理中心，进行数据分析和比对、异常告警、数据预测和生成报表等操作，实时在线监测基坑开挖全过程并提供安全保障。监测系统部分监测结果如图1和图2所示。根据图示监测数据显示，同一平面内，两个数据监测点随着开挖向下深度变大，其水平面方向的位移逐渐增大，监测数据变化趋势与施工进度一致且数据符合相关标准规范。

图1 基坑X向位移曲线

图2 基坑Y向位移曲线

图3是同一高度两个锚杆轴力的数据。随着施工开挖的不断深入，轴力监测数据也在不断变化，且变化趋势符合现场施工进度。

图3 基坑部分锚杆轴力曲线

通过对监测装置采集数据分析，可以得出自动监测装置的数据具有实时性和不间断性，实现了对基坑开挖的全过程监测，确保监测数据精确可靠。除了极端数值外，后台分析系统可以对监测系统通过对监测数据的分析和比对，及时预测现场结构的变化趋势，对于突发情况和异常及时预警，告别人工检测的滞后性。

5 结语

本文通过对建筑工程的基坑开挖施工现状进行论述，并提出优于人工检测方法的自动化监测系统，并结合某施工环境复杂、空间受限、周期长的基坑开挖项目，通过采用自动化在线监测系统，避免了人工监测作业面临的各种限制，确保了基坑复杂环境中检测人员的人身安全。自动化监测系统摆脱了基坑作业时间和空间的各种限制，可以实现对基坑施工的全过程监测。通过对不间断采集的数据进行分析和研究，可以预测基坑结构的变化趋势，及时发现并消除施工过程中可能发生的隐患，降低施工事故发生概率。现场采集的数据可以用来对结构设计或者下一步施工进行检验或指导，为以后项目设计提供借鉴。同时，自动化监测系统也存在很多弊端，自动化监测系统的计算优势取决于现场传感器设备，因此对现场传感器设备安装的精度和稳定要求较高。自动化监测系统对现场的不间断实时在线监测采集的数据量较大，目前仍然采用极值法进行数据分析，大量的数据无法发挥价值，且占据较大的系统运算和存储空间。下一步将对自动化监测系统进行进一步的优化更新，以期更好地发挥其在基坑监测中的作用。