白全巍

（西安建材地質(zhì)工程勘察院有限公司）

1 引言

基坑監(jiān)測是深基坑工程施工的重要環(huán)節(jié)，在深基坑開挖施工過程中，基坑及其周邊的土體應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，進而導(dǎo)致深基坑工程所在局部區(qū)域的土體和工程的支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形。因土體實際空間分布、地質(zhì)負(fù)荷等具有地域特性與不均勻性，無法通過理論公式反演出深基坑開挖過程中的土體應(yīng)力與變形情況，需要利用基坑監(jiān)測技術(shù)對局部區(qū)域的地質(zhì)條件、地下管線分布、土體應(yīng)力與變形情況等進行系統(tǒng)、精準(zhǔn)且實時的監(jiān)測，以便動態(tài)掌握深基坑施工過程中的現(xiàn)場土體動態(tài)，及時調(diào)整優(yōu)化深基坑的設(shè)計施工方案，有效規(guī)避深基坑工程施工對現(xiàn)場地質(zhì)穩(wěn)定性以及地下管線的負(fù)面影響，同時通過對目標(biāo)區(qū)域水平位移、豎向位移、傾斜角度等參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)對支護結(jié)構(gòu)變形等危險信號的精準(zhǔn)捕捉與預(yù)警，提高深基坑工程施工的安全系數(shù)[1]。

2 深基坑施工中監(jiān)測與控制的內(nèi)容

深基坑施工過程中需對基坑及其周邊的土體與支護結(jié)構(gòu)的變形情況進行全方位監(jiān)測，包括基坑以外地下水位、圍護結(jié)構(gòu)頂部位移、支撐軸力、地下管線水平位移、圍護墻水平位移等，通過測量工具與技術(shù)實現(xiàn)對上述內(nèi)容的精準(zhǔn)監(jiān)測[2]。同時，在深基坑施工之前需根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境條件、水文條件、氣候條件以及工程施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等合理確定深基坑土體和支護結(jié)構(gòu)變形的預(yù)警閾值，如圍護結(jié)構(gòu)頂部位移預(yù)警閾值、支撐軸力預(yù)警閾值、地下管線水平位移預(yù)警閾值等。通過預(yù)警閾值的設(shè)置與現(xiàn)場土體和支護結(jié)構(gòu)變形情況的動態(tài)連續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)對變形超出閾值情況的動態(tài)預(yù)警。

深基坑施工的監(jiān)測與控制共包括如下流程，首先需設(shè)置基坑監(jiān)測的基準(zhǔn)點，在深基坑施工現(xiàn)場的不同位置規(guī)劃設(shè)置后視基準(zhǔn)點作為基坑監(jiān)測的參照，并定期對基準(zhǔn)點的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性加以檢測校正，提高土體與支護結(jié)構(gòu)變形情況監(jiān)測的準(zhǔn)確性。其次根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容在施工現(xiàn)場布設(shè)監(jiān)測點位，包括土體位移監(jiān)測點位、支撐軸力監(jiān)測點位、深層水平位移監(jiān)測點位等，通過監(jiān)測點位的科學(xué)布設(shè)，全方位監(jiān)測深基坑施工過程中的土體與支護結(jié)構(gòu)變形情況[3]。如在土體位移監(jiān)測布設(shè)上，根據(jù)該類型點位布設(shè)空間分布，在特定點位選用測斜管扎實楔入到土體內(nèi)，并將測斜管的端口密封好以免雜質(zhì)進入管內(nèi)。最后，在測斜管上安裝連接傳感器，用于測量土體的位移數(shù)據(jù)，并保證監(jiān)測過程的連續(xù)性與實時性。

3 深基坑工程施工中的智能化監(jiān)測與控制技術(shù)

3.1 全站儀監(jiān)測技術(shù)

全站儀監(jiān)測技術(shù)是深基坑施工監(jiān)測中的常見自動化技術(shù)，其利用RTK 對深基坑及其周邊點位的三維坐標(biāo)、距離目標(biāo)地物的間距等進行測量。在深基坑工程施工中利用全站儀監(jiān)測技術(shù)對深基坑的土體和圍護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點位或者目標(biāo)監(jiān)控對象進行自動識別、自動瞄準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)置的自動監(jiān)測時間間隔動態(tài)采集目標(biāo)對象的間距、視角、經(jīng)度、緯度、海拔等數(shù)據(jù)，并依托傳輸介質(zhì)如光纖電纜、無線網(wǎng)絡(luò)等將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸并存儲到相應(yīng)的數(shù)據(jù)中心中加以組織與管理[4]，為下一步深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與結(jié)構(gòu)變形預(yù)判預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 3D激光掃描監(jiān)測技術(shù)

3D 激光掃描監(jiān)測技術(shù)利用高速激光掃描儀對目標(biāo)對象進行掃描，快速精準(zhǔn)獲取目標(biāo)對象的經(jīng)度、緯度與高程數(shù)據(jù)，利用目標(biāo)對象不同點位的三維坐標(biāo)快速勾勒并構(gòu)建三維可視化結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)對目標(biāo)對象的三維可視化建模。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測與建模技術(shù)和流程，3D 激光掃描監(jiān)測技術(shù)可無接觸式、快速獲取大規(guī)模目標(biāo)地物的密集三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于深基坑工程施工中，可以通過掃描參數(shù)設(shè)置自動化掃描并構(gòu)建深基坑及其周邊地區(qū)三維地形模型，可應(yīng)用于地質(zhì)條件惡劣且復(fù)雜的深基坑工程環(huán)境中[5]。深基坑三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)傳輸并存儲到數(shù)據(jù)中心，經(jīng)三維建模技術(shù)對深基坑進行三維可視化建模，深基坑及其周邊地形測量與三維建模精度得以大幅度提高，也可對深基坑施工過程中的三維地形建模進行動態(tài)更新。

3.3 光纖傳感監(jiān)測技術(shù)

光纖傳感監(jiān)測技術(shù)是一種全天候自動監(jiān)測技術(shù)，其利用光纖傳感器無接觸式感應(yīng)與測量目標(biāo)對象的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、間距、彎曲度等數(shù)據(jù)，監(jiān)測過程不受光照度以及復(fù)雜地質(zhì)條件的影響。將光纖傳感器技術(shù)應(yīng)用到深基坑施工中，利用光纖傳感器技術(shù)精準(zhǔn)測量深基坑內(nèi)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與位置數(shù)據(jù)，其中位置數(shù)據(jù)用于構(gòu)建深基坑內(nèi)部三維可視化模型，結(jié)構(gòu)參數(shù)等用于對深基坑內(nèi)外部的應(yīng)力狀況、地下水位、位移偏差、基坑變形情況、支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、地表沉降情況等進行量化分析，動態(tài)精準(zhǔn)探測出深基坑及其周邊區(qū)域的地面沉降現(xiàn)象、土體與支護結(jié)構(gòu)變形情況[6]，保證深基坑施工過程中的安全性。

4 智能監(jiān)測與控制技術(shù)在深基坑施工中的具體應(yīng)用

4.1 深基坑施工過程中的智能監(jiān)測

4.1.1 深基坑位移監(jiān)測

位移監(jiān)測包括水平位移、豎向位移等，對深基坑進行位移監(jiān)測，需要綜合利用自動應(yīng)變儀、全站儀、傾角儀等設(shè)備儀器進行集成，構(gòu)建深基坑位移自動化監(jiān)測前端系統(tǒng)，對深基坑施工過程中出現(xiàn)的水平位移偏差、豎向位移偏差進行動態(tài)監(jiān)測。在位移監(jiān)測點布設(shè)時，根據(jù)前期規(guī)劃布設(shè)的位移監(jiān)測點，在對應(yīng)的位置鉆孔并楔入螺紋鋼，利用細(xì)砂在螺紋鋼外側(cè)進行填充與夯實，確保楔入到土體內(nèi)的螺紋鋼不發(fā)生偏移。在螺紋鋼端口處布設(shè)RTK 等儀器設(shè)備，全天候連續(xù)性監(jiān)測深基坑位移偏差。

4.1.2 深基坑土體測斜

深基坑土體測斜是對深基坑的土體傾斜變形進行動態(tài)監(jiān)測，其利用測斜管以及兩端的位置監(jiān)測數(shù)據(jù)，測算出深基坑土體的傾斜情況。對于深基坑深層水平位移監(jiān)測而言，可在布設(shè)點位將測斜管楔入土體內(nèi)，在測斜管關(guān)聯(lián)傾斜傳感器與數(shù)據(jù)采集器，依托傾斜傳感器動態(tài)、精準(zhǔn)感知點位處的變形。一旦深基坑施工過程中土體出現(xiàn)變形，傾斜傳感器與數(shù)據(jù)采集器會實時采集到深基坑的變形數(shù)據(jù)，并依托通信網(wǎng)絡(luò)將采集的深基坑位移偏差數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心進行存儲與管理[7]。此外，也可在測斜管兩端由下往上布設(shè)傳感器，通過傳感器的初始定位實現(xiàn)深基坑傾斜初始值的確定，在深基坑施工過程中通過連續(xù)性收集傳感器的位置數(shù)據(jù)并加以計算，獲得深基坑傾斜的角度以及水平位移與初始值的偏差，輔助判定深基坑土體傾斜情況。

4.1.3 深基坑支撐軸力監(jiān)測

支撐軸力連續(xù)性精準(zhǔn)監(jiān)測是深基坑施工過程中必不可少的工序，是深基坑施工過程中保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵舉措。深基坑支撐軸力監(jiān)測需將監(jiān)測點位布設(shè)在鋼筋混凝土的支撐結(jié)構(gòu)之上，并在結(jié)構(gòu)四角主筋上安裝鋼筋應(yīng)力計與表面應(yīng)變計，動態(tài)監(jiān)測深基坑工程的支撐軸力狀況。相關(guān)設(shè)備儀器的初始值應(yīng)以無受力狀態(tài)下的頻率數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，在施工過程中以無受力狀態(tài)頻率數(shù)據(jù)為參照，量化分析深基坑的支撐軸力變化情況，確保深基坑工程的施工質(zhì)量與安全性。

4.2 深基坑智能監(jiān)控系統(tǒng)

深基坑智能監(jiān)控系統(tǒng)是智能化監(jiān)測與控制技術(shù)在深基坑施工中的核心應(yīng)用，其利用計算機技術(shù)、云存儲技術(shù)、統(tǒng)計分析方法、人工智能算法等對深基坑智能監(jiān)測數(shù)據(jù)如三維點位數(shù)據(jù)、坑外地下水位、地下管線位移、支撐軸力、圍護結(jié)構(gòu)頂部位移等進行統(tǒng)計、分析與深度應(yīng)用[8]。例如，施工單位將前端智能化監(jiān)測采集的深基坑結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)自動備份在存儲芯片中，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)等傳輸介質(zhì)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心將前端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)根據(jù)元數(shù)據(jù)與分析需要分別存儲在不同的表結(jié)構(gòu)中。同時，施工單位可在數(shù)據(jù)中心設(shè)置不同數(shù)據(jù)的預(yù)警閾值，如圍護結(jié)構(gòu)頂部位移日變化量超過3mm，累積量超過35mm；圍護墻深層水平位移日變化量超過3mm，累積量超過40mm；坑外地下水位日變化量超過300mm，累積量超過1000mm；地下管線位移日變化量超過2mm，累積量超過10mm；坑外地表豎向位移日變化量超過4mm，累計量超過30mm等[9]。通過閾值的設(shè)置與數(shù)據(jù)的動態(tài)采集，對圍護結(jié)構(gòu)頂部位移、圍護墻深層水平位移等進行超出預(yù)警，以便施工單位提前發(fā)現(xiàn)深基坑施工安全隱患，并調(diào)整施工方案。此外，數(shù)據(jù)中心可對前端下位機的各傳感器設(shè)備進行運行參數(shù)與運行狀態(tài)控制，如南京市某深基坑工程施工過程中，施工單位利用數(shù)據(jù)中心對施工現(xiàn)場各類傳感器的數(shù)據(jù)采集進行設(shè)置，控制傳感器每5 分鐘采集一次數(shù)據(jù)，確保深基坑施工中土體與圍護結(jié)構(gòu)變形等數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。

5 結(jié)語

建設(shè)項目基坑施工過程中，開挖卸荷會導(dǎo)致土體應(yīng)力發(fā)生變化，從而使圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，基坑外側(cè)土體和建筑物也會隨之出現(xiàn)沉降或是位置移動等現(xiàn)象?；庸こ淌┕み^程中需要對基坑周邊環(huán)境進行巡視檢查，根據(jù)周圍環(huán)境、工程特點和規(guī)范要求等確定位移警報值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到規(guī)定的報警級別時，須采取相應(yīng)措施，進行連續(xù)監(jiān)測。為了有效地提高深基坑各種工程監(jiān)測的工作效率，采用自動化監(jiān)測管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、分析、處理和發(fā)布深基坑各種工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果，其安全和可靠性都是為了滿足實際工程監(jiān)測的要求，并且可以有效地提高工程監(jiān)測質(zhì)量，保證深基坑的施工安全。