深基坑工程自动化检测技术研究

黄礼辉

湖南省第六工程有限公司  湖南省长沙市  410004

摘要：目前，在深基坑施工中所运用的支护类型和支护技术相对成熟,但是，由于施工环境等因素的影响，地基基础结构的变形控制仍存在不足，如场地土条件和施工外部荷载等，这些因素会导致基坑结构变形过大和荷载不均匀，进而导致基坑结构失稳，影响周围建筑物的稳定性。本文围绕某项目建设中所应用的深基坑支护技术进行探讨，通过有限元数值模拟方法，对深基坑支护结构的变形做出估计，并结合现场实际变形进行对比分析，为今后深基坑支护施工提供参考。

关键词：深基坑；自动化监测；基坑监测；发布和报警

引言

如何在复杂环境和有限的施工空间中保证基坑的充分安全稳定，是基坑深度监测结构设计和施工的重点和难点，是保证深基坑开挖稳定性、对深层环境位移变形的综合监测、水位动态变化、洞内压力变化等方面的重要手段，为了提供可靠的信息保护，以便在计算机技术飞速发展的施工过程中优化支护结构的设计和施工方案的合理性。

1监测系统组成及原理

1.1数据采集系统主要由自动采集箱和自动全站仪两大部分组成

自动全站仪以测量机器人为基础，实现自动化观测和上传基坑水平位移和垂直位移观测数据，根据现场条件建立基坑支护结构变形监测系统观测室，并将全站仪和控制计算机放置在观察室内。该系统使用与全站仪匹配的软件来控制测量。功能模块包括三个部分：测量站的建立、监测点的初始测量和定期重新测量。数控采集箱自动采集系统利用软件控制锚索的水平位移、周边道路及地表沉降、支撑轴向力、锚索应力、深层水平位移、地下水位、周边建筑物沉降等数据的采集，并将采集的数据实时传输到数据库，实现同步监测。

1.2保障支护结构的稳定性

深基坑施工随着开挖深度加深，在土体压力的作用下有坍塌的风险，为此需要根据地质勘查信息制定完善的防护方案，以保障施工现场人和物的安全，因此，基坑支护通常和基坑开挖施工会同时进行。而对于深基坑工程来说，可选的支护技术种类较多，但只有合理选择，正确应用才能真正提高基坑的承载力。因此需要对基坑支护结构进行监测，以了解支护结构的有效性，在出现变形等问题时及时加固或联合使用其他支护方式，以提高支护效果，避免前期施工资源浪费。

1.3结果发布系统包括数据查询、统计分析、视频管理、预警和预测模块

数据查询引擎将调用数据库中的相应数据，并允许对受监视的数据执行实时查询和统计分析。当数据超出警报值时，警报预测模块将在计算机页面上发布警报信息。作为监控系统的辅助，视频管理模块系统地管理安装在现场的所有摄像头，以实时监控现场的环境和施工条件。

2深基坑施工的风险性

首先，要分析深基坑施工的特点，由于深基坑施工位于基底标高和基础平面以下，受地下地质和水文条件的影响，深基坑施工具有明显的区域性，不同地区的地下土层结构不同，水位及其变化也有差异，且当前大部分建筑工程的深基坑开挖工程量较大，越向下，面对的岩土也愈加丰富，涉及的岩土区范围也比较大。其次具有综合性，由于深度加大，对土方开挖、基坑支护、排水降水等专业施工的要求更高，各专业需要保持高度的协调性，同时在施工设计中，也需综合考虑岩土工程、测量工程、排水工程等多方面的规范，需要合理融会贯通才能制定科学的深基坑施工及监测方案。最后其不稳定特征也较为突出，因为深基坑在施工过程中面临的风险因素较多，地下水位上升、土体压力增加会增加施工风险，影响施工正常开展。此外，在开挖过程中，由于基坑底部土体会产生向上为主的位移，进而造成土体位移过大，作为临时结构的支护体系面对的压力会加大，很有可能会失稳造成坍塌事故，也有可能造成附近地面不均匀沉降，进而降低建构物的安全性。因此深基坑工程是一项较为危险的工作，要想保证整个工程的安全性与可靠性，必须考虑如何基于事实来制定完善的防范措施来降低深基坑工程施工风险，而这就涉及到下文继续介绍的深基坑监测技术。

3自动化监测技术在深基坑施工中的应用

3.2有限元模型

通过大型的通用有限元软件ANSYS构建了一个关于该项目的深基坑仿真模型,勘察报告中表明该项目土质类型依次为素填土、粉土、中砂、砾石,其具体土体。深基坑的有限元仿真使用了实体单元Solid95建模,将锚索钢筋简化为空间梁单体,使用Beam188单元建模,两个单位自由度具有明显差异,故使用了ANSYS中多节点约束（MPC）的方式实现耦合作用,并且忽视了桩体-土体的相互作用。基坑底部土体的约束作用模拟为固定约束,基坑侧面有外部负荷以及土体压力的共同作用,因此采取了水平面荷载模拟,基坑顶部无约束，具有自由度。为了准确分析深基坑在开挖施工过程中的位移值，选取了现场中具有代表性的8个观测点进行分析，A、C、E、G点在基坑四周边缘上，B、D、F、H点在基坑中部，有限元模型见图1。

图1有限元模型

3.3监测数据分析

根据上文的监测点布设方案，结合工程施工进度，得出了施工全过程基坑开挖监测数据。对于同一监测点位，随着基坑开挖深度的增加，围护结构水平位移增大，对于深基坑而言，开挖至14m和16m这2次位移增量最为明显，对于相同开挖深度而言，围护结构不同位置的水平位移量不同，围护结构中部偏上位置变形量最大，是位移的最值点，围护结构顶部和底部位移量基本为0。从绝对数值上分析，水平位移量与变化速率均小于预警值的0.7倍，表明基坑开挖对围护结构位移是安全的。随着开挖深度的增加，地表沉降变形量也随之增加，在距离基坑开挖6m处，地表沉降达到了最大值，对于同一开挖深度曲线来看，地表沉降绝对值随着距离的增加呈现先增大后减小的趋势。这是因为在距离围护结构近的区域，围护结构对土体形成了刚性约束，土体内的塑形位移只能向基坑外侧一定距离转移，同时随着距离的增加，塑形变形减小，因此地表沉降又会减小。

3.4支护桩倾斜监测

（深层水平位移）支护桩倾斜监测（深层水平位移）采用导向轮固定倾角仪或滑动倾角仪。基坑开挖施工过程中造成土体扰动和卸荷效应，导致基坑周边土体应力发生显著变化，并且由于土体卸荷效应和支护结构变形造成基坑周边的地表及建构筑物发生相应位移。基坑自动化深层水平位移监测通过对支护结构竖向分布的水平位移监测、整理和分析，判断基坑支护结构的受力状态、周围是否存在软弱土层，还可以指导设计和施工。在基坑周边区域中间设置一个监测孔，并提前将测斜管埋入监测孔内。每个监测孔内每隔3～4m设置导轮式固定测斜仪。

3.5明确监测项目的报警值

获得可靠的数据并认真分析后，需要对照报警值来确认当下的施工风险，对后续施工影响进行合理预测，以采取相应措施，促使施工顺利进行。因此报警值在深基坑监测中非常重要，在监测工作开始前就应结合有关规范要求、实际施工情况、工程安全等要素对监测的项目设定报警值，以松弛有度的报警标准保障施工进度，也能维护支护结构、基坑和周边环境的安全性。

结束语

（1）数值模拟能够较好地预测深基坑支护结构的水平和竖向位移趋势，其误差范围在4%~23%，对指导现场实际具有一定的实践价值；（2）在基坑开挖初期，基坑的角部位置受到的扰动较大，应及时做好支护，加强监测频率；（3）在施工开挖过程中，深基坑支护结构的基坑边部水平侧移量大于基坑角部的侧移量；在竖直位移上，则是基坑角部沉降量大于基坑边部位置的沉降量。

参考文献

[1]梁位鸿.深基坑工程自动化监测技术研究[J].工程与建设,2021,35(06):1245-1247.

[2]陈吉.市政深基坑工程智能化监测发展趋势分析[J].交通世界,2021,(32):9-10.

[3]刘延龙,齐继.周边环境复杂的深基坑工程支护设计和位移监测[J].建筑技术开发,2021,48(21):163-164.

[4]程香丽.深基坑工程施工变形的监测和分析[J].江西建材,2021,(10):57-58.