深基坑围护结构自动化变形监测与分析
时间：2023-06-07 13:45:41 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
赵 笠 杨嘉威
（广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510670）
近年来，城市轨道交通在我国发展迅速。全国各大城市为合理规划城市交通，拓展城市空间，完善城市基础设施，地铁建设被大面积推广。地铁建设过程中面临着一系列的安全因素，如，地铁车站深基坑的开挖建设，由于地铁的开挖位置通常处于城市核心区域，而地铁车站基坑开挖的深度较深，严重破坏该区域土体内力平衡状态，从而引起土体位移变形，进而对周围环境造成影响[1]。为避免造成严重后果，在地铁深基坑开挖过程中，需进行严格的基坑支护工作，有效的基坑支护可产生缓冲，最大程度地维护土体平衡，降低基坑开挖对周围环境的影响。在基坑开挖过程中，由于基坑支护内部的支撑力降低，支护结构受力变大，支护结构的稳定性降低，若超过其承载力则会造成严重后果，因此需要对支护结构本身及其周围环境进行监测，尤其在某些地质情况较差的地区，需要重点对支护结构深层水平位移、基坑附近地下水位、基坑内部支撑结构受力情况进行实时监测[2]。
自动化监测技术可进行基坑动态化监测，利用不同的传感器结合监测云平台，即时获取各类监测数据的变化情况。为验证自动化监测技术在基坑变形监测中的可行性，本文将自动化监测系统应用在某地下连续墙支护结构的深基坑中[3]，验证其监测效果，分析该技术可行性。
1.1 工程位置及周边环境
深基坑监测项目为地铁十二号线官洲站换乘站，位于螺旋大道以北、寰宇三路以南之间，呈南北向与螺旋大道垂直布设。车站东侧为沙布岗边坡，西侧有城市绿地、天珑广场写字楼（地下室距离车站地续墙净距约8.6m），西南侧为既有四号线官洲站（既有四号线车站位于地块内，与螺旋大道呈45度角布设）；
目前既有四号线官洲站正在运营，且未预留远期接口。本期实施十二号线车站及与既有车站接口的改造如图1所示。
图1官洲站周边建筑物相对位置关系图
1.2 基坑环境风险分析
车站基坑开挖深度约为27.4-29.2 m，属一级基坑，危险系数较高，需注意围护结构安全。开挖场地内残积土较厚，遇连续雨天易产生软化现象，且土层侧向土压力较大，在基坑开挖较快时易造成围护结构及周边环境变形。因此需重点关注支护结构墙体深层水平位移、支撑轴力、周边建筑物沉降等。
车站基坑的东侧靠近高30 m土质边坡，边坡坡脚距基坑围护结构距离约4 m，边坡支护体系为抗滑桩+格构梁+锚杆/锚索形式，车站基坑在开挖过程中易造成山体扰动，导致边坡发生滑坡的可能性较大。
车站基坑西侧距某商场广场地下室约8.6 m，基坑开挖可能导致房屋发生沉降、倾斜。因此应对周边边坡、建（构）筑物进行变形监测，密切关注监测数据的变化情况。
车站基坑西南侧为既有地铁站，车站基坑支护小间距约为5.2 m，基坑开挖时可能导致既有线沉降及位移较大而影响运营，严重时可导致既有车站结构主体结构及区间隧道结构破坏。因此除车站基坑自身监测外，还需考虑对既有地铁站进行监测。
基于车站基坑自身风险以及周边环境安全性考虑，针对车站基坑的围护结构墙体深层水平位移、地下水位及支撑轴力等项目，选择自动化监测技术进行实时监测与数据分析。
基坑自动化监测技术是在物联网、大数据分析的基础上，融合多种传感器技术，以监测信息云平台为基础，组合传感器单元、数据采集单元、数据传输单元[4]。自动化监测实现过程是利用不同传感器设备，实时采集数据，并通过数据传输系统，进行数据实时传输，利用监测云平台收集、整理、分析数据，并结合设计值发出预警信息[5]。基坑自动化监测系统构成如图2所示。
图2基坑自动化监测系统构成图
2.1 不同监测项目自动化实现
采用自动化监测项目，其传感器的埋设方法、计算原理与常规人工监测相同，主要区别在于现场增加固定的采集端或采集设备（如，传感器、采集器等）和持续供电的设施，以实现对预埋测点或传感器的连续采集，并通过通信设备远程将监测数据发送至云平台进行数据储存、处理、展示和发布等。
2.1.1深层水平位移自动化监测
围护结构层水平位移采用固定测斜仪实现自动化监测，由固定测斜仪、采集模块、供电与通信模块组成。
固定测斜仪自动化测斜方法是将多个测斜传感器按固定间距串联并固定在测斜管中，测量时由采集模块自动读取各深度测斜传感器的读数，其原理和计算方法与传统滑动式测斜仪相同。与传统方法相比，其区别仅在于数据采集和传输采用远程自动化进行控制和处理。
2.1.2支撑轴力自动化监测
支撑轴力自动化监测系统由轴力计或钢筋计等传感器、采集模块和通信模块组成，传感器的埋设位置、埋设方法和常规方法相同，线路通过PVC小导管走线至围挡护栏上，连接至供电与采集端，通过云平台设置定时监测参数，采集模块根据定时参数对各传感器进行测量，采集数据后通过传输模块传输回服务器进行处理。
2.1.3地下水位自动化监测
地下水位自动化监测系统由渗压计、采集模块和通信模块组成，其埋设方式与常规人工监测大致相同，主要区别如下：
（1）将仪器下放至安装高程，并在孔口固定线缆，记录放置深度H。
（2）孔口设置保护装置，电缆线引出孔口后，需要对孔口进行封口处理，防止地表水进入管内引起测量误差。
（3）仪器电缆在地面开槽设置PVC管进行保护，走线到施工围蔽内的通信及采集端，采集端设置太阳能电板和保护警醒标志。
（4）数据传输线由线槽引至机箱，接入综合采集模块，一般采用与支撑轴力同断面同模块设置。
2.2 自动化采集数据及无线传输系统
自动化监测系统由传感器单元、数据采集传输单元、监测信息管理云平台三部分组成，其中，数据采集传输单元是连接传感器单元和云平台的枢纽中心，应设置于通信畅通、干扰较小的区域。
现场传感器数据通过采集传输单元自动化采集，再通过无线GPRS发送至监控中心，云平台通过施工区域内覆盖的4G网络，控制设备的采集过程，并进行远程控制。
2.2.1无线数传模块
DTU无线数传是依靠成熟的移动通信网络，在网络覆盖区域内可以快速组建数据通信，实现实时远程数据传输。DTU系列通信模块内置工业级无线模块，支持AT指令集，采用通用标准串口对模块进行设置和调试，提供标准的RS485接口。通过软件多级检测、硬件多重保护机制以保障设备稳定性。支持三大运营商4G/3G/2G网络，接口灵活支持标准RS232、RS485。
2.2.2无线远程数传采集系统满足条件
（1）支持全网通4G/3G/2G网络无线网络。
（2）易于安装、维护；
使用方便、灵活、可靠，即插即用。
（3）可嵌入互联网控制器，具备完整的TCP/IP协议栈及功能强大的透明传输保障机制。
（4）可实现点对点、点对多点多种方式的实时数据传输。
（5）不依赖运营商交换中心的数据接口设备，可以直接通过Internet随时随地构建覆盖全国范围内的移动数据通信网络。
2.3 自动化设备及平台运维
2.3.1监测设施的保护
传感器及其他硬件设备、传输线缆是自动化监测系统的重要组成部分，其保护措施是否可控是系统能否正常运行的关键，主要包括：传感器、传输线缆、数据采集子站、数据传输设备及供电设备的保护等。
主要采取以下措施：
（1）根据施工工序和实际情况设计设备安装位置和线缆走向平面图，并报施工单位核准。
（2）通过交底、签订保护协议书等方式，强调施工现场硬件设备保护的重要性。
（3）安装保护装置，并作出明显标识。
（4）定期巡检，排查可能导致破损的外界因素，并协调制止。
2.3.2维护方案
为保证系统的稳定性，在传感器安装完成、系统集成试运行（1周）完成后，有必要制定系统运行维护方案。
日常运维主要包括两个方面的维护：硬件维护和平台维护。
（1）硬件维护包括对感知系统、采集系统、数据传输系统等的维护，对感知系统、采集系统、数据传输系统等使用过程中出现故障或不稳定因素进行排查，出现故障及时诊断、维修、替换。根据需要，对设备进行升级或更新，保证设备正常运行。每季度进行一次预防性巡检，巡检内容包括感知系统、采集系统、数据传输系统等，主要针对硬件的运行环境、配置的检查，并根据系统自检信息尽早采取措施，排除故障，维护后提交完整报告。
（2）平台维护由云计算服务中心进行管理，需建立针对平台的维护方案、维护流程：安排专人每周对平台系统日志进行检查分析，检查数据是否稳定、连续等；
记录并解决在使用过程中遇到的各种系统问题，在系统维护时进行数据备份；
及时更新软件补丁，完善系统；
每半年对系统性能进行测试和调优服务，保证系统性能不断改进并在最佳状态运行；
每季度进行一次数据健康巡检，检查数据备份执行情况，根据用户数据实际使用情况进行必要的性能调优；
进行防病毒软件日常维护及病毒库防病毒软件升级。
为验证自动化监测的可行性与准确性，选择对基坑的深层水平位移监测结果和地下水位监测结果进行试验对比分析。
试验一：在同一地下连续墙内埋设两条长度相同的侧斜管，对两个测斜管分布采用人工和自动化两种数据采集方法，监测结果如图3所示。
由图3可知：两种不同数据采集方法所获得的深层水平位移累计值变化趋势相似，最大位移变化位置均出现在深度10-20 m位置，符合程度较高，准确反映了地下连续墙深层水平位移变化，充分验证了自动化监测技术在基坑监测中的可行性。
图3深层水平位移人工监测与自动化监测对比
图4地下水位人工监测与自动化监测对比
试验二：距离水位监测点DSW 16（该点为自动化水位监测点）附近约5 m位置，布设水位监测点DSW 17。DSW 17布设深度与DSW 16布设深度相同，监测方法为传统人工测量，监测结果如图4所示。
由图4可知：通过长期地下水位监测数据可以看出，两个点位地下水位的变化趋势符合程度较高，且每次出现数据波动较大的时间节点均相同。自动化监测技术的地下水位监测结果与传统人工监测结果一致，验证了自动化监测技术的可行性。
自动化监测技术在基坑监测上的应用取得了较好效果，实现了基坑实时动态监测，提高了基坑预警的灵敏度，保障了基坑施工的安全性。本文以地下连续墙为支护结构的地铁深基坑为例，详细阐述自动化监测技术的组成与技术原理。
（1）结合不同监测项目，分析自动化监测技术的不同实现方法，同时对自动化监测技术的数据传输与设施保护进行讨论。
（2）为验证自动化监测技术的可行性，对比分析传统人工测量方法，结果显示：在地下连续墙支护结构的深基坑中，自动化监测技术可快速准确获取监测数据，验证了自动化监测技术的可行性。
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