網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化技術(shù)在建筑深基坑變現(xiàn)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

童鵬程 （中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司，安徽 合肥 230022）

隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，緊臨城市干道和既有建筑物的深基坑越來(lái)越多的出現(xiàn)，深基坑的安全與穩(wěn)定更加重要，采用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器人工監(jiān)測(cè)，已經(jīng)無(wú)法實(shí)時(shí)反映深基坑施工變形情況。利用信息網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代化的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)深基坑施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)。

1 工程概況

武漢市軌道交通7號(hào)線瑞安街配套綜合開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目位于武漢市武昌區(qū)。項(xiàng)目分為A、B兩個(gè)地塊，分別采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其中A地塊基坑開挖面積3481.89m2，開挖深度約14.0m，B地塊基坑開挖面積約7017.34㎡，開挖深度約10.9m。兩個(gè)基坑開挖深度大，地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等情況復(fù)雜。

2 深基坑監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀與不足

目前，國(guó)內(nèi)深基坑監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)設(shè)定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的累計(jì)變形值及單次變化速率控制值，超過(guò)控制值及時(shí)通報(bào)施工、設(shè)計(jì)等相關(guān)單位采取必要的應(yīng)對(duì)措施。采用的技術(shù)方法主要是利用人工操作傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單的分析對(duì)比，判斷基坑變形是否達(dá)到預(yù)警值，卻未將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與基坑周邊施工環(huán)境相結(jié)合進(jìn)行分析。

采用傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器監(jiān)測(cè)的方法存在很多不足之處，可以概括為以下3個(gè)方面：①現(xiàn)場(chǎng)全人工采集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)效率慢；②缺乏高素質(zhì)技能人才儲(chǔ)備，既懂工程結(jié)構(gòu)，又懂工程測(cè)量的是少之又少；③數(shù)據(jù)分析處理還是以人工為主，缺少監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)軟件。

3 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方法

3.1 監(jiān)測(cè)原則

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、設(shè)計(jì)及施工方案，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)土體狀況及周邊環(huán)境、鄰近建筑物、地下設(shè)施等結(jié)構(gòu)物變化的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，正確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，避免事故發(fā)生。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置及密度應(yīng)與基坑開挖順序、被保護(hù)建筑物的位置及特性相配套。監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)充分結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)、基坑設(shè)計(jì)參數(shù)特性和基坑施工參數(shù)特性進(jìn)行合理布置，特別是基坑圍護(hù)體側(cè)邊中部、陽(yáng)角處、受力（或變形）較大處應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見圖 1、圖 2）。

圖1 A地塊測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 B地塊測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.3 監(jiān)測(cè)部位與監(jiān)測(cè)元器件

3.3.1 圍護(hù)體頂部水平位移監(jiān)測(cè)

基坑開挖期間，為掌握圍護(hù)體頂部的位移信息，布設(shè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，擬采用拉線式位移計(jì)，安裝方法如下：在所測(cè)位置砌兩個(gè)水泥墩，與支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部表面保持平行，一端固定位移計(jì)本體，一端固定鋼絲端。通過(guò)對(duì)鋼絲長(zhǎng)度調(diào)節(jié)觀察讀數(shù)儀讀數(shù)，將儀器大致拉伸至滿量程1/2左右（保證能夠測(cè)量拉伸或壓縮兩個(gè)方向的變形，見圖3）。

圖3 拉線式位移計(jì)布點(diǎn)示意圖

3.3.2 深層水平位移監(jiān)測(cè)

土體開挖會(huì)使圍護(hù)體兩側(cè)受力不均，產(chǎn)生壓力差，從而引起圍護(hù)體的變形。利用滑輪式固定測(cè)斜儀（見圖4）探頭深入圍護(hù)體內(nèi)部，通過(guò)測(cè)量預(yù)先埋在圍護(hù)體內(nèi)部測(cè)斜管的變化情況反映出圍護(hù)體各深度上的水平位移情況。

圖4 測(cè)斜儀及其連接鋼圖

3.3.3 支撐軸力監(jiān)測(cè)

支撐軸力測(cè)點(diǎn)主要選擇基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)受力較大處，在起主要控制作用的斷面處焊接鋼筋計(jì)（見圖5），同時(shí)要考慮鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)軸力時(shí)的全面性和代表性。

圖5 鋼筋計(jì)安裝圖

3.3.4 周圍建筑物沉降、傾斜監(jiān)測(cè)

基坑土體開挖會(huì)對(duì)基坑外一定范圍內(nèi)建筑物造成影響，如建筑物變形過(guò)大，將導(dǎo)致該建筑物不能正常、安全使用，故需對(duì)建筑物進(jìn)行沉降和傾斜監(jiān)測(cè)。將靜力水準(zhǔn)儀（見圖6）和傾角儀（見圖7）安裝在被監(jiān)測(cè)建筑物上即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖6 靜力水準(zhǔn)儀安裝示意圖

圖7 傾角儀示意圖

3.3.5 裂縫監(jiān)測(cè)

基坑開挖前應(yīng)記錄監(jiān)測(cè)建筑物、道路等對(duì)象已有裂縫的分布位置和數(shù)量，測(cè)定其走向、長(zhǎng)度、寬度等情況，監(jiān)測(cè)標(biāo)志應(yīng)具有可供量測(cè)的明晰端面或中心。裂縫計(jì)（見圖8）可用于混凝土凝固后結(jié)構(gòu)體伸縮縫的位移測(cè)量。

圖8 靜力水準(zhǔn)儀安裝示意圖

3.3.6 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

整個(gè)基坑監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（見圖9）將預(yù)先埋設(shè)或安裝的監(jiān)測(cè)元器件分別聯(lián)通，共分為三級(jí)：一級(jí)網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)工作站內(nèi)的服務(wù)器和收發(fā)器組成；二級(jí)網(wǎng)絡(luò)由分布在基坑與工作站中間的若干中繼器組成；三級(jí)網(wǎng)絡(luò)由分布在基坑內(nèi)部各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采集器組成。

圖9 基坑監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

受無(wú)線傳輸距離及無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度影響，二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)中繼器默認(rèn)與較近的采集器通信，以增強(qiáng)通信的穩(wěn)定性、可靠性。當(dāng)中繼器發(fā)生故障，或者中繼器與采集器之間因新建筑阻擋導(dǎo)致通信中斷時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換相鄰的中繼器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。

4 監(jiān)測(cè)平臺(tái)

監(jiān)測(cè)平臺(tái)將現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)元器件采集器采集的數(shù)據(jù)收集、匯總，并通過(guò)相關(guān)軟件進(jìn)行處理、分析及預(yù)測(cè)，上述內(nèi)容是系統(tǒng)平臺(tái)的核心應(yīng)用功能（見圖10）。主要包括原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的篩選、變形數(shù)據(jù)計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及短時(shí)預(yù)測(cè)，支持現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)的要求。

圖10 監(jiān)測(cè)平臺(tái)工作示意圖

4.1 變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

4.1.1 測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)分析

用來(lái)查看各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)走向并生成測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，根據(jù)其規(guī)律走向，分析是否存在潛在隱患以及根據(jù)測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)走向圖可作未來(lái)預(yù)測(cè)性分析。

4.1.2 斷面趨勢(shì)分析

看各個(gè)斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)走向。根據(jù)測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)圖研究該斷面的數(shù)據(jù)規(guī)律走向，分析該斷面各個(gè)測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)走向是否存在規(guī)律或潛在聯(lián)系，以便為后期監(jiān)測(cè)提供有力的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)管及科學(xué)化分析。

4.1.3 多測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合

將多個(gè)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制成曲線在一個(gè)平面圖中顯示，可用來(lái)查看多個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，觀察各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比。

4.1.4 測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性分析

查看多個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，觀察各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)判斷多測(cè)點(diǎn)是否有存在變化關(guān)聯(lián)。

4.2 變形趨勢(shì)短期預(yù)測(cè)分析

由于變形體機(jī)理的復(fù)雜性和多樣性，對(duì)變形分析與建模理論和方法的研究，需要結(jié)合地質(zhì)、力學(xué)、水文等相關(guān)科學(xué)的信息和方法，引入數(shù)學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)科學(xué)以及非線性科學(xué)的理論，采用數(shù)學(xué)模型來(lái)逼近、模擬和揭示變形體的變形規(guī)律和動(dòng)態(tài)特征。系統(tǒng)采用多元線性回歸方法及Kalman濾波算法實(shí)現(xiàn)變形數(shù)據(jù)的短期預(yù)測(cè)，并輸出監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的下一監(jiān)測(cè)時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。

4.3 智能化預(yù)警

在施工過(guò)程中，為了能及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)警基坑施工中潛在的風(fēng)險(xiǎn)，該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)基坑現(xiàn)場(chǎng)聲光預(yù)警、短信預(yù)警及3D圖形化可視預(yù)警研究，

5 監(jiān)測(cè)成果分析對(duì)比

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

現(xiàn)選取離基坑最近的建筑物沉降人工監(jiān)測(cè)累計(jì)值與自動(dòng)監(jiān)測(cè)累計(jì)值對(duì)比（見表1），再選取基坑南側(cè)維護(hù)體頂部水平位移人工監(jiān)測(cè)累計(jì)值與自動(dòng)監(jiān)測(cè)累計(jì)值對(duì)比（見表2）。

人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)累計(jì)沉降值對(duì)比 表1

人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)累計(jì)水平位移值對(duì)比 表2

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)采用靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)的累計(jì)沉降值與采用電子水準(zhǔn)儀人工監(jiān)測(cè)的累計(jì)沉降值，及采用位移計(jì)自動(dòng)監(jiān)基坑頂部水平位移累計(jì)值與采用全站儀人工監(jiān)測(cè)的水平位移累計(jì)值存在的差別非常小，完全可以替代人工監(jiān)測(cè)。

5.2 存在優(yōu)勢(shì)

采用網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以提高深基坑的監(jiān)測(cè)效率，特別是在極端氣象條件下或臨邊危險(xiǎn)位置，人工無(wú)法監(jiān)測(cè)時(shí)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)自動(dòng)發(fā)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。另外，平臺(tái)系統(tǒng)可以自動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并生成監(jiān)測(cè)位置的變化趨勢(shì)。

6 結(jié)論

在深基坑監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)深基坑網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比可知，在建筑、道路、管網(wǎng)等密布的復(fù)雜施工環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)完全能夠滿足深基坑監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)要求，從而提高深基坑監(jiān)測(cè)的實(shí)效性、精確性。

GB50497-2009，建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.