智能化监测与控制技术在深基坑施工中的应用探讨

白全巍

（西安建材地质工程勘察院有限公司）

1 引言

基坑监测是深基坑工程施工的重要环节，在深基坑开挖施工过程中，基坑及其周边的土体应力状态将发生改变，进而导致深基坑工程所在局部区域的土体和工程的支护结构出现变形。因土体实际空间分布、地质负荷等具有地域特性与不均匀性，无法通过理论公式反演出深基坑开挖过程中的土体应力与变形情况，需要利用基坑监测技术对局部区域的地质条件、地下管线分布、土体应力与变形情况等进行系统、精准且实时的监测，以便动态掌握深基坑施工过程中的现场土体动态，及时调整优化深基坑的设计施工方案，有效规避深基坑工程施工对现场地质稳定性以及地下管线的负面影响，同时通过对目标区域水平位移、竖向位移、倾斜角度等参数的动态监测，实现对支护结构变形等危险信号的精准捕捉与预警，提高深基坑工程施工的安全系数[1]。

2 深基坑施工中监测与控制的内容

深基坑施工过程中需对基坑及其周边的土体与支护结构的变形情况进行全方位监测，包括基坑以外地下水位、围护结构顶部位移、支撑轴力、地下管线水平位移、围护墙水平位移等，通过测量工具与技术实现对上述内容的精准监测[2]。同时，在深基坑施工之前需根据当地的地质环境条件、水文条件、气候条件以及工程施工标准规范等合理确定深基坑土体和支护结构变形的预警阈值，如围护结构顶部位移预警阈值、支撑轴力预警阈值、地下管线水平位移预警阈值等。通过预警阈值的设置与现场土体和支护结构变形情况的动态连续监测，实现对变形超出阈值情况的动态预警。

深基坑施工的监测与控制共包括如下流程，首先需设置基坑监测的基准点，在深基坑施工现场的不同位置规划设置后视基准点作为基坑监测的参照，并定期对基准点的准确性与稳定性加以检测校正，提高土体与支护结构变形情况监测的准确性。其次根据监测内容在施工现场布设监测点位，包括土体位移监测点位、支撑轴力监测点位、深层水平位移监测点位等，通过监测点位的科学布设，全方位监测深基坑施工过程中的土体与支护结构变形情况[3]。如在土体位移监测布设上，根据该类型点位布设空间分布，在特定点位选用测斜管扎实楔入到土体内，并将测斜管的端口密封好以免杂质进入管内。最后，在测斜管上安装连接传感器，用于测量土体的位移数据，并保证监测过程的连续性与实时性。

3 深基坑工程施工中的智能化监测与控制技术

3.1 全站仪监测技术

全站仪监测技术是深基坑施工监测中的常见自动化技术，其利用RTK 对深基坑及其周边点位的三维坐标、距离目标地物的间距等进行测量。在深基坑工程施工中利用全站仪监测技术对深基坑的土体和围护结构的监测点位或者目标监控对象进行自动识别、自动瞄准，根据设置的自动监测时间间隔动态采集目标对象的间距、视角、经度、纬度、海拔等数据，并依托传输介质如光纤电缆、无线网络等将采集的数据实时传输并存储到相应的数据中心中加以组织与管理[4]，为下一步深基坑监测数据分析与结构变形预判预警提供数据支持。

3.2 3D激光扫描监测技术

3D 激光扫描监测技术利用高速激光扫描仪对目标对象进行扫描，快速精准获取目标对象的经度、纬度与高程数据，利用目标对象不同点位的三维坐标快速勾勒并构建三维可视化结构模型，实现对目标对象的三维可视化建模。相较于传统的监测与建模技术和流程，3D 激光扫描监测技术可无接触式、快速获取大规模目标地物的密集三维坐标数据，将其应用于深基坑工程施工中，可以通过扫描参数设置自动化扫描并构建深基坑及其周边地区三维地形模型，可应用于地质条件恶劣且复杂的深基坑工程环境中[5]。深基坑三维坐标数据通过数据传输介质传输并存储到数据中心，经三维建模技术对深基坑进行三维可视化建模，深基坑及其周边地形测量与三维建模精度得以大幅度提高，也可对深基坑施工过程中的三维地形建模进行动态更新。

3.3 光纤传感监测技术

光纤传感监测技术是一种全天候自动监测技术，其利用光纤传感器无接触式感应与测量目标对象的三维坐标数据、间距、弯曲度等数据，监测过程不受光照度以及复杂地质条件的影响。将光纤传感器技术应用到深基坑施工中，利用光纤传感器技术精准测量深基坑内的结构参数与位置数据，其中位置数据用于构建深基坑内部三维可视化模型，结构参数等用于对深基坑内外部的应力状况、地下水位、位移偏差、基坑变形情况、支护结构稳定性、地表沉降情况等进行量化分析，动态精准探测出深基坑及其周边区域的地面沉降现象、土体与支护结构变形情况[6]，保证深基坑施工过程中的安全性。

4 智能监测与控制技术在深基坑施工中的具体应用

4.1 深基坑施工过程中的智能监测

4.1.1 深基坑位移监测

位移监测包括水平位移、竖向位移等，对深基坑进行位移监测，需要综合利用自动应变仪、全站仪、倾角仪等设备仪器进行集成，构建深基坑位移自动化监测前端系统，对深基坑施工过程中出现的水平位移偏差、竖向位移偏差进行动态监测。在位移监测点布设时，根据前期规划布设的位移监测点，在对应的位置钻孔并楔入螺纹钢，利用细砂在螺纹钢外侧进行填充与夯实，确保楔入到土体内的螺纹钢不发生偏移。在螺纹钢端口处布设RTK 等仪器设备，全天候连续性监测深基坑位移偏差。

4.1.2 深基坑土体测斜

深基坑土体测斜是对深基坑的土体倾斜变形进行动态监测，其利用测斜管以及两端的位置监测数据，测算出深基坑土体的倾斜情况。对于深基坑深层水平位移监测而言，可在布设点位将测斜管楔入土体内，在测斜管关联倾斜传感器与数据采集器，依托倾斜传感器动态、精准感知点位处的变形。一旦深基坑施工过程中土体出现变形，倾斜传感器与数据采集器会实时采集到深基坑的变形数据，并依托通信网络将采集的深基坑位移偏差数据传输至数据中心进行存储与管理[7]。此外，也可在测斜管两端由下往上布设传感器，通过传感器的初始定位实现深基坑倾斜初始值的确定，在深基坑施工过程中通过连续性收集传感器的位置数据并加以计算，获得深基坑倾斜的角度以及水平位移与初始值的偏差，辅助判定深基坑土体倾斜情况。

4.1.3 深基坑支撑轴力监测

支撑轴力连续性精准监测是深基坑施工过程中必不可少的工序，是深基坑施工过程中保证结构安全稳定的关键举措。深基坑支撑轴力监测需将监测点位布设在钢筋混凝土的支撑结构之上，并在结构四角主筋上安装钢筋应力计与表面应变计，动态监测深基坑工程的支撑轴力状况。相关设备仪器的初始值应以无受力状态下的频率数据为准，在施工过程中以无受力状态频率数据为参照，量化分析深基坑的支撑轴力变化情况，确保深基坑工程的施工质量与安全性。

4.2 深基坑智能监控系统

深基坑智能监控系统是智能化监测与控制技术在深基坑施工中的核心应用，其利用计算机技术、云存储技术、统计分析方法、人工智能算法等对深基坑智能监测数据如三维点位数据、坑外地下水位、地下管线位移、支撑轴力、围护结构顶部位移等进行统计、分析与深度应用[8]。例如，施工单位将前端智能化监测采集的深基坑结构参数等数据自动备份在存储芯片中，利用无线通信网络等传输介质将数据上传至数据中心。数据中心将前端传输的数据根据元数据与分析需要分别存储在不同的表结构中。同时，施工单位可在数据中心设置不同数据的预警阈值，如围护结构顶部位移日变化量超过3mm，累积量超过35mm；围护墙深层水平位移日变化量超过3mm，累积量超过40mm；坑外地下水位日变化量超过300mm，累积量超过1000mm；地下管线位移日变化量超过2mm，累积量超过10mm；坑外地表竖向位移日变化量超过4mm，累计量超过30mm等[9]。通过阈值的设置与数据的动态采集，对围护结构顶部位移、围护墙深层水平位移等进行超出预警，以便施工单位提前发现深基坑施工安全隐患，并调整施工方案。此外，数据中心可对前端下位机的各传感器设备进行运行参数与运行状态控制，如南京市某深基坑工程施工过程中，施工单位利用数据中心对施工现场各类传感器的数据采集进行设置，控制传感器每5 分钟采集一次数据，确保深基坑施工中土体与围护结构变形等数据采集的连续性。

5 结语

建设项目基坑施工过程中，开挖卸荷会导致土体应力发生变化，从而使围护结构产生位移，基坑外侧土体和建筑物也会随之出现沉降或是位置移动等现象。基坑工程施工过程中需要对基坑周边环境进行巡视检查，根据周围环境、工程特点和规范要求等确定位移警报值，当监测数据达到规定的报警级别时，须采取相应措施，进行连续监测。为了有效地提高深基坑各种工程监测的工作效率，采用自动化监测管理系统进行数据采集、分析、处理和发布深基坑各种工程监测数据的结果，其安全和可靠性都是为了满足实际工程监测的要求，并且可以有效地提高工程监测质量，保证深基坑的施工安全。