城市横向宽度不均深基坑自动化监测设备管理分析

2022-03-13陈修战

黑龙江交通科技 2022年12期

陈修战

(中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江哈尔滨 150000)

1 引言

自新奥法提出以来，随着岩土地下工程理论及监测技术的不断发展，以信息化带动工业化发展思路的不断深入，利用信息技术来提升地下工程建设安全管理水平的研究也越来越受到重视。信息化设计、施工是指通过在地下工程施工过程中安装传感器或者监测系统，实时采集施工过程中支护体系内力、地层变位、土体压力、地下水位变化等各类工程信息，并对这些工程信息实时分析并及时反馈，用以指导设计方案变更以及施工方案调整等过程，从而做到动态控制[1]。针对地下工程的不确定特性，通过信息化设计、施工，可以有效地降低风险，建立报警系统，从而实现施工安全控制，完成经济目标。

近些年，我国地下工程监测技术有了比较快速的发展，更多地向自动化方向发展，同时数据后期的管理也逐渐得到重视。但是由于自动化成本较高、数据管理难度较大，同时技术人员对监测数据的重视不够等种种原因，限制了监测技术在我国的发展[2]。目前，监测相对应施工与设计还未形成完全意义上的融合，呈现出自动化程度低、可视化程度弱、缺少数据的自动分析及预测功能、预报警分析技术不完善等特点[3]。结合深基坑施工控制,提出采用自动化监测设备及管理方法，对深基坑自动化监测系统应用的可能性进行研究。

2 工程概况及特点

杭州富阳区秦望通道工程江北明挖段隧道主体及围护结构区间基坑深度最大达22.4 m，宽度范围为21.6～48.5 m；沿线管线错综复杂，其中秦望路北侧雨污管东西方向与基坑平行距离基坑最小距离仅为2 m；现朝阳弄自建别墅区和18#雨水泵房距离基坑小于基坑开挖深度，且地基基础较浅。

项目位于中心城区，施工场地狭窄，周边房屋距离基坑较近，只能实现单侧出土便道。基坑较深，横向宽度大、尺寸不均匀，标准段宽度22 m，暗埋共建段最大宽度48.446 m，横向倒运距离长。基坑内钢支撑密，纵向最小间距1.2 m，竖向最小间距2.2 m。

基于项目紧邻住宅及工业建筑且其基础较浅特点，提出在基坑开挖过程中应用轴力伺服系统提高支撑轴力的及时性及准确性。同时，在人工监测的基础上提出引进其他自动化监测设备如压差式变形测量传感器、远程视频测量系统等，并将自动化监测智能集成，形成整套深基坑施工自动化监控系统，综合运用自动化监测新设备、新技术，确保基坑开挖及支护的安全。

3 自动化监测原理及优势

自动化监测可将传统测项等工程相关信息实现全天候、连续化、高频率的自动监测，各个传感器所采集的监测数据通过有线(或无线)传输方式进入自动采集模块，实现海量数据群的自动采集。集中采集的数据采用Zigbee等无线传输协议，通过数据发射模块发送给工程现场的数据采集接收终端，最后通过网络传输至网络平台，实现自动化监测。

监测数据可以根据现场需求随时提供，并且数据采集的频率可以依据现场需求进行优化调整；数据的采集可以根据工程需求，自行设定时间间隔多次连续采集，具有数据采集全天候的优势；实际工程中可根据工程需求选用不同精度和工作环境的传感器，来保证数据采集的准确性；数据可以通过网络平台而实现授权开放式查阅，数据覆盖范围广，数据传递效率高。

例如围护结构深层水平位移的传统监测方法为人工手动提拉测斜仪线缆进行监测，对于布设了几十个测斜孔的基坑在施工实施时需消耗大量的人力和时间，很难保证实时、快速地提供监测数据。光纤光栅传感技术使得基坑监测实现自动化、集成化和远程控制成为一种可能。基于光纤光栅原理的新型智能化测斜，可以提高工作效率，实时反映施工现场风险状态[4]。

4 自动化监测设备

4.1 轴力伺服系统

轴力伺服系统可主动控制基坑支护结构的变形，目前对变形要求较高的深基坑支护形式属于先进技术。在基坑施工过程中，每日关注监测的围护侧斜变形情况，当单日侧斜变形超过2 mm或累计变形达到报警值80%时，确定增加油压力，加力值根据变形数据分档逐级增加。加力后密切关注变形情况，如变形仍较大则再继续增加轴力，如出现围护结构向基坑外侧倾斜，支撑受拉等现象，应适当降低轴力控制值。

伺服系统从组成部件上来划分，主要分为三级关键设备：中央控制中心、油压泵站、总成箱装置(含千斤顶)。假设当千斤顶因为土方开挖或地面堆载等因素，导致局部主动土压力变大，进而轴力增大时，此时油压力通过反馈到总控箱，由系统判定轴力大于设定轴力值后，需进行调整。首先，总控箱将调整指令传至控制此千斤顶的泵站，泵站适时通过回油的方式减小此点位的油压力，进而达到调整轴压力至设定值的目的。液压动力泵站也可用手操箱直接控制动作，设备内部安装有安全溢流阀以及液压锁，保障系统自身安全的防控功能。千斤顶液压锁和总成箱双机械锁不仅提高了系统安全性，更为设备更换提供力系转换条件。

4.2 压差式变形测量传感器

基于压差传感技术的坑底隆起(回弹)实时自动化监测系统对提高监测频率和精度具有重要的工程现实意义。因为压强只与系统内液体密度、重力加速度和液位高有关，可以认为压差系统的液体密度和重力加速度不变，则压强和液位高可以表示为一个简单的对应关系。压差沉降监测系统是利用压力传感器捕捉到的相对液位差的变化，来反算传感器即建筑物的竖向位移。

压差沉降监测系统由压力传感器、通液管、通气管和水箱组成，系统集成度较高。压差传感器系统高精度稳定性影响因素为振动和温度两个主因，两者的影响机理有所不同。振动属于外界干扰源，直接影响压力波，通过严格的施工工艺和安装方式可以规避和减小。温度的影响有两个路径——气泡(水管或者传感器内部)和密度，其中前者有一定的间接性，通过较严格的施工方式和传感器改型能够实现尽可能排干气泡；后者的触发影响有一定的条件，比如需要有一定的水路差，且水路差温度场不一致时，上行管使压强数据和温度呈正相关，下行管呈负相关，通过限制上下行管的允许高度予以减小和规避。振动造成的数据波动可以通过后期的数据处理解决，温度对压差沉降系统的影响可使设备保持在同一环境下。

4.3 远程视频测量系统

智能远程视频监控监测系统具备远程控制、设备自动定位、预置位自动监测(由监管人员预选定的位置，自动进行定时巡航监测、采集数据、拍照截图)、自动拍摄整体监控面并进行自动全景图拼接、扫描数据自动存储、智能分析处理、检索等功能，可对目标物任意点的空间坐标进行测定，可对目标物位移变化量进行监测，可计算出目标物的尺寸。利用系统实时监控及自动定位测量功能，可以自动形成施工项目实体施工全过程的影像日志，质量安全管理人员可随时回溯查看历史上某一天的项目实体现场大全景和任意节点施工情况，同时也可回溯查看某地理位置的节点的形成历史及情况，便于事中事后监督管理。

智能远程视频监控监测系统由三部分组成：前端施工现场监控监测终端、传输网络、中心管理云平台。工地前端监控监测终端系统：由智能测距摄像机(视频监控测量仪)和智能服务器组成。该系统是基于新一代物联网信息技术，利用高精密云台、图像传感器、激光距离传感器、光栅角度传感器等信息传感设备和网络化自动控制技术，对目标物体的数据信息进行采集，通过融合视频图像和三维空间集成算法，进行信息交换和通信，按约定的协议与互联网相连接，实现对监控目标的远程智能化监测和管理[5]。

5 自动化监测智能集成

随着物联网技术的不断发展，利用无处不在的网络将独立、分散的智能设备和各类传感器进行联网，通过与行业特点相结合实现实时多角度地对基坑施工的质量安全进行综合监测监控，是近年来基坑施工管理的发展趋势。

基坑施工阶段自动化监测系统包括主要仪器设备、工地现场的自动监测系统、数据自动采集系统、数据查询与分析系统和监测数据反分析预测系统。项目现场的系统集成主要是指测点点位选取、传感器、采集系统和传输系统等布设。数据自动采集系统由于基坑施工现场工况复杂，现有有线传输模式无法保证系统的稳定性和监测数据的连续性，因此采用分布式云智能数据采集系统(无线跳传功能)是必然的趋势。

自动化监测系统逻辑框架主要分为基础设施层、数据资源层、应用支撑层和用户层4个方面。用户层各级会分配不同的权限，用户可以直接通过互联网登录，查询权限内的结构安全信息。根据基坑及周边建(构)筑物监测项目、测试手段、测点优化、信号传输等方面分析研究，物理结构可分3层。第一层，由各个基坑前端传感系统构成；第二层，由监测外场数据采集站与通信系统构成；第三层，是监测平台中心指挥调度系统。这种物理架构方式可以将不同参数的采集系统优化组合，以尽量缩短测量元件到采集外场站的距离，提高平台的抗干扰能力，降低平台成本。

自动化监测系统不仅可以完成传统人工监测的数据采集、分析和整理等功能，还具有增大釆集频率、数据归档和监测数据可视化等一体化管理的功能，不仅提高了数据的质量，还提高了运用数据的效率。自动化监测系统得出实时、连续、准确的监测数据，可分析性强,建设单位、施工单位和监管单位等责任部门只要安装了APP的PC终端或移动终端，就能查看并下载实时数据。系统后台自动推送报表，减小了监测人员的安全风险,多重预警机制，高层管理者、技术人员会收到不同的报警级别，真正做到为基坑建设保驾护航。