自动化监测在深基坑施工中的应用研究_刘文辉.pdf

江西建材质量控制与检测872023年1 月作者简介：刘文辉（1991-），男，甘肃宁县人，本科，工程师，主要研究方向为岩土工程勘察、设计和施工。自动化监测在深基坑施工中的应用研究刘文辉建材天水地质工程勘察院有限公司，甘肃 天水 741000摘 要：文中围绕天水市城区截污干管改造工程开展分析，阐述基坑安全监测方案，提出自动化监测内容、方法以及流程，打造自动化监测控制中心，设计通讯系统、供电系统、防雷系统，制定监测信息反馈机制及应急预案，切实保障施工安全，准确预判险情，降低基坑产生的危害，使基坑开挖与回填作业始终处于安全运行状态。关键词：防雷系统；自动化监测；深基坑施工中图分类号：TU753文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0087-03Application of Automatic Monitoring in Deep Foundation Pit ConstructionLiu WenhuiBuilding Materials Tianshui Geological Engineering Survey Institute Co.Ltd.,Tianshui,Gansu 741000Abstract:This paper will focus on the analysis of the reconstruction project of wastewater interceptors in the urban area of Tianshui City,elaborate the safety monitoring plan for the foundation pit of the working pit,put forward the content,method and process of automatic monitoring,build an automatic monitoring and control center,design the communication system,power supply system,lightning protection system,develop the monitoring information feedback mechanism and emergency plan,effectively ensure the construction safety,accurately predict the danger,and reduce the harm caused by the foundation pit,Keep the excavation and backfilling of foundation pit in safe operation.Key words:Lightning protection system;Automatic monitoring;Deep foundation pit construction0 引言自动化监测是指借助固定点的空间相对位移，判断监测对象变形状况，并对可能发生的塌方危险实施数字化预测。将其应用在深基坑施工中，不仅可以优化施工方案，还能掌握基坑周边沉降变化，了解基坑施工对周边环境产生的影响。本文以某工程为例，研究自动化监测技术在深基坑施工中的应用。1 项目概况天水市城区截污干管改造工程沿线西高东低，相对标高在10661088m之间。其中渭河段与穿越河堤段布置了W7、W5、W9三口竖井，其中，W5为顶管接收井，基坑底部为倾斜面，平面尺寸为25m5m，分两段完成支护；W7属于顶管始发井，平面尺寸为16m8m，基坑深度21m。2 自动化监测在深基坑施工中的应用2.1 监测目的通过基坑施工过程中的数据收集、计算与分析，可以更好地掌握项目工程的安全状态；利用监控数据的历史变化过程，可以为现场管理人员提供清晰的信息参考。当出现紧急状况时，自动化监测系统可以发出预警信息，及时处理异常状况，且利用互联网也能更好地实现监测系统的远程登录、访问以及控制，采用多级管理平台有助于监测中心、安全生产主管部门的信息共享，使工作人员能够通过手机APP在线查看监测系统状态，接收报警信息1。2.2 监测内容与方法自动化监测范围为：三口竖井的基坑开挖范围内边坡、围护结构水平向支撑应力、水位的变化监测，以及附近地面的变形监测。监测项目主要涵盖：坡顶、桩顶、地面沉降、位移、支护结构深层水平位移、支撑轴力、地下水位。自动化监测的主要方法为：采用 GNSS（全球导航卫星系统）测量技术，结合项目特点，采用边角网布设基准点，利用拓普康全站仪以及地表监测接收机，实现监测点间的通视。同时为了进一步提高监测结果的准确性，还要整体大范围布设GNSS监测网，对于局部小范围则可采用全站仪检测，以此降低检测成本。本次工程的边坡坡度较高，垂直位移的监测难度较大，为了解决该问题，可采用电磁波三角高程测量完成监测，更好地掌握边坡水平位移以及变化速率；降雨量监测，本次项目采用翻斗雨量计来测量液体降水量、降水时间，该装置的工作原理在于雨水由上方承水口流入盛水器，最终落入到翻斗。当积水量抵达0.2mm高度后，翻斗会失衡翻倒，每次倾倒都会接通电路，向记录器输入脉冲信号。由记录器记录相应信息，如此往复，便可准确测量降雨量；视频监测，即利用高清网络智能球机，完成数据的自动化采集。2.3 监测流程（1）地表位移监测布点，要求监测基点至少有三个，且要设置在稳定区域内，利用非接触式位移监测，使测点与边坡结合，沿主滑动方向选取典型断面布置测线，测线水平间距控制在合理范围内。对于岩质边坡来说，水平位移监测点位误差需控制在6mm以下，垂直位移监测高程误差则不可超过3mm。（2）安 装 地 表 变 形 监 测 设 备，结 合 点 位 完 成 场 地的 协 调 处 理，要 求 GNSS基 站 的 浇 筑 基 础 规 格 控 制 在800mm800mm800mm，立杆浇筑基础埋设钢筋地笼深度确江西建材质量控制与检测882023年1 月定在700mm。采用镀锌钢管制作固定架，镀锌钢管高度要维持在3m，管壁厚度为3mm。（3）降雨量监测布点，要依照降雨量监测结果以及天气预报，对灾害天气实施预警处理，划分好监测等级，打造雨量监测系统，统计日降雨量以及年降雨量，并生成相应报表。要求监测误差控制在0.1mm以内，并根据现场实际状况完成点位设计2。（4）降 雨 量 监 测 装 置 的 安 装，同 样 要 结 合 设 计 点位 完 成 场 地 的 协 调，要 求 基 础 立 杆 浇 筑 尺 寸 保 持 在500mm500mm600mm，立杆浇筑基础埋设钢筋地笼的深度则为500mm。对于露出地面的主筋要采用镀锌防锈，避免其受到雨水侵蚀。同时还要利用镀锌钢管制作立杆，做好固定架的支撑。（5）完成视频监控装置的布点，对边坡实施视频监控，监控范围涵盖主要坡面，依照 GB 51214-2017 边坡工程监测规范 的相关规定，完成视频监控图像的质量指标设定，并做好视频监控功能、传输方式、摄像机编号的调控，保证采用的视频监控具备夜视功能，若条件允许也可搭配一定的照明装置。（6）视频监控装置的安装，与上述地表变形监测装置以及降雨量监测装置的安装流程基本一致，区别在于镀锌钢管的高度要设置在6m。3 系统设计（1）通讯系统的设计。需要结合现场测试，保证网络信号良好，利用无线传输使GNSS监测装置可以实时传递监测数据，之后，结合项目状况，利用GPRS（全球移动通信系统）。该方法可以理解为一种移动通讯系统，能够为用户提供无线 IP服务，每个用户都可以占用多个无线信道，确保资源的充分利用，并且该系统适用于频繁的、突发的数据传输业务。（2）供电系统设计。需要结合现场状况以及 GNSS监测点、视频监控点位用太阳能完成供电，将雨量计放置在建筑楼顶，并为 GNSS监测点配备太阳能电池板以及蓄电池。（3）防雷系统的设计。需要利用避雷针来避免直击雷的影响，借助电源避雷器实现感应雷的防护。在设置避雷针时，需要保证与被保护物体的横向间隔控制在3m以上，依照滚球法确定避雷针高度。在感应雷电防护的过程中，要将防雷器安装在通信线路两侧。同时，为了减少数据信号受到的影响，可适当添加信号放大装置。此外，还要设置好接地网，选用多根热镀锌角钢作为垂直地极，与热镀锌扁钢连接，要求地基的埋地深度超过0.7m，接地电阻则不可低于103。4 自动化监测控制中心4.1 控制中心介绍控制中心主要由计算机、通信装置、局域网组成，能够对信号通道完成参数设定，比如通道的开关选择以及时间等，能够对系统的工作方式、数据传输形式、在线监测系统，实施设定、控制以及分析。在设计过程中要注意，在线监测系统需要将数据的采集、存储、预警等部分涵盖在内，能够在各类气候条件下均具备极强的监测效果。同时，监测中心需要做好防潮、降温的防护处理，配置专用网络，以此实现远程连接，采用专用机柜以及显示设备，做到整体布局合理，运行环境满足相关安全标准。4.2 总体布局计算机系统要与数据收集装置准确连接，与监控主机的配置均符合在线监测系统的要求，若条件允许还可配备相应的外部装置。同时，监测中心的环境温度需要控制在25 左右，湿度不超过85%，将系统的工作电压设定为220V，要求故障率低于5%。此外，在整体布局过程中，显示装备通常以大尺寸的液晶数字显示器为主，配置相应的视频录像机以及数据服务器，保证视频录像机能够持续作业12h以上，为此，需准备好大功率后备电源。4.3 软件系统设计自动化监测控制中心的软件系统设计可分为：数据处理模块，当数据进入服务器后，能够实现数据的自动解算以及平差处理，实时完成监测统计，做好数据的评估以及预警；数据传输储存模块，在数据储存后将原始数据与解算结果存储至数据库，进一步分析得到预警信息以及时间信息。同时，数据库也能够作为分析模块，为工作人员提供历史监测信息。4.4 解算软件本次监测中采用的数据解算软件为HCM 2.0GNSS，是为满足自动化监测应用所开发的监测算法软件，能够基于分布式服务器，切实解决负载均衡问题，利用GNSS算法保证极高的解算精度4。4.5 数据解析软件数据解析软件是由某公司针对桥梁监测、水利水文监测研发的 HCSIM系统软件，能够有效处理 GNSS、测斜仪、地声采集仪等传感器数据，且该软件的可扩展性较高，能够实现不同厂家传感器的兼容。4.6 自动化监测系统自动化监测预警系统是由某公司针对露天矿等特征的自主开发系统软件，web端采用B/S架构，能够利用网页查询监测状况。该软件功能多样化，具备雨量计监测、水位监测以及裂缝监测等多个项目功能，用户可以结合个人要求，在系统管理中找寻相应的功能项目，同时，该软件也能将监测变化信息以曲线的形式展现出来。5 监测信息反馈与应急预案（1）监测预警的信息反馈内容主要包括：设计反馈内容，利用监测资料的反分析，进一步修正设计用围岩物理力学参数、渗水压力、围岩压力等基本荷载。通过对支护结构位移应变以及建筑物位移的监测，修正设计用变形控制技术，调整好支护结构参数；施工反馈内容，需要涵盖监测结果的判断，从而及时调整施工方案，必要时可添加相应的辅助施工措施。在支护结构位移、坡体变形等数值相对较小时，可通过简化施工方案，来更好地加快施工进度，降低工程造价。若支护结构位移数值较高，则要适当增加辅助施工，保证工程安全。此外，还要进一步划分好不同运行险情的相应标准，比如，黄色预警，是指数据超标较高，且连续数日数据持续呈现加速态势；橙色预警，是指工程预计进入危险状态；红色预警指肉眼可见的危险症状，急需完成工程抢险。最后，要通过设置安全风险管理信息系统，用以解除警报，比如当施工现场出现险情，可利用警情处理措施，控制警情，消除工程隐患，执行相应的消警流程，并密切关注后续的数据变化，做到及时反馈5。（2）应急预案的设定，要做到以下几点：雨季施工容易发生局部垮塌事故，导致人员伤亡，为了避免此类现象发生，需要充分遵循施工作业的章程以及安全技术标准，充分运用安全观测以及仪器监测，及时发现安全隐患；当出现裂缝、变形等问题时，要迅速撤走人员设备，做好工作面的交通管制，安排专人完成变形监测；当出现重大滑坡事故后，要第一时间报告上级，启动应急预案，及时抢救人员与设备，利用多种观测方法，确认不会出现二次滑动时才可实施救援工作6。（下转第91 页）江西建材质量控制与检测912023年1 月图4 前后排桩在不同双排桩刚度下随深度变化曲线4.4 连梁高度影响保持其他参数不变，仅改变连梁高度以研究连梁高度的影响规律（双排桩排距取2.4m，基坑深度取11.8m）。建立4种不同连梁高度工况，分别为0.5m、1.0m、1.5m和2.0m。图5给出了前后排桩在不同连梁高度下随深度的变化规律。从图中可以看出，增加连梁高度可减小双排桩水平变形。对于0.5m连梁高度工况，双排桩最大水平变形为22.5mm；当连梁高度取1.0m时，双排桩最大水平变形为17.7mm，较0.5m连梁高度工况减小了30.5%左右。可见，连梁高度过小时，支护结构变形较大。这是因为连梁截面抗弯刚度不足削弱了连梁对双排桩的联合作用。当连梁高度取1.5m时，双排桩最大水平变形为15.8mm，较1.0m连梁高度工况减小了约10.7%；当连梁高度取2.0m时，双排桩最大水平变形为13.7mm，较1.5m连梁高度工况减小了约12.3%。可见，连梁高度超过1.0m后，进一步增大连梁高度对控制双排桩水平变形的影响有限。图5 前后排桩在不同连梁高度下随深度变化曲线5 结语本文以某采用双排桩支护的深基坑工程为研究对象，通过有限元软件建立三维数值模型，研究基坑施工过程中双排桩支护结构水平变形规律，得出以下结论：（1）双排桩排距对双排桩变形有显著影响，桩身整体水平位移随着排距的增大而逐渐减小。当前后排桩距离过大时，后排桩对前排桩的牵拉效应显著降低。本工程合理的双排桩排距范围为56D。（2）在一定范围内提升双排桩桩径和刚度，可以有效控制支护结构水平变形；当双排桩桩径和刚度增大到一定临界值后，增大双排桩桩径和刚度对控制双排桩水平变形效果有限。（3）增加连梁高度可有效减小双排桩水平变形，但当连梁高度超过1.0m后，进一步增大连梁高度对控制双排桩水平变形的影响有限。参考文献 1 万瑜.排距对双排桩位移及弯矩的影响J.科学技术与工程，2011，11（30）：7544-7546.2 陆培毅，杨靖，韩丽君.双排桩尺寸效应的有限元分析J.天津大学学报：自然科学与工程技术版，2006，39（8）：963-967.3 李松，马郧，郭运，等.双排桩与单排桩组合多级支护结构在深大基坑中的应用J.长江科学院院报，2018，35（5）：103-109.4 韦猛，王鹏，唐印.含水率对膨胀土力学性质和非等长双排桩支护变形影响分析J.科学技术与工程，2017，17（1）：92-98.5 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