远程无线自动监测系统在深基坑工程中的应用研究

王文辉 周成峰 吴铭炳

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

远程无线自动监测系统在深基坑工程中的应用研究

王文辉 周成峰 吴铭炳

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

远程无线自动监测是未来监测的发展方向，能够真正实现实时监测、实时报警，但目前在我省的应用仅仅是起步阶段。本文结合深基坑监测工程实例，从深层土体位移、钢筋内力、土压力三个方面，进行了自动监测系统及技术应用研究，通过与传统的人工监测数据对比分析，证明自动化数据采集的可靠性，并实现了深基坑工程远程无线自动化监测、传输和成果分析。

远程无线自动监测；深基坑监测；实时监测

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0 引言

随着城市大量高层建筑的兴建，深基坑大量出现[1]。当前，基坑开挖深度呈现越来越深的趋势，相应基坑安全及变形要求也越来越高[2]。由于岩土工程问题的复杂性，岩土体的不均匀性和复杂性，岩土技术仍然不够成熟，理论与实际相差很大，很多问题仍然依靠经验来解决。在工程应用中采用测试手段，取得测试数据，分析判断工程安全问题，是目前国内外解决岩土工程问题的通常办法。

目前，监测技术大多仍然停留在传统的人工现场测试阶段，即主要靠派出测试人员到野外现场测得数据，然后回到室内整理、统计、绘制曲线、分析判断、出具当日监测报告。不仅费力费时，效率较低，而且任务多时，疲于应付，造成部分工程监测频率偏低，对工程安全分析判断留下隐患。采用远程无线自动监测，才能够真正实现实时监测、实时报警。

近年来，远距离无线自动化监测系统在水电站、公路、桥梁、隧道、边坡、地铁等多种场合的大型重点岩土工程项目中得到了运用，并取得了较好的效果，其特点是：监测仪器一旦安装完毕，监测系统即可实现监测数据自动收集、存储发送；技术人员在办公室通过相应软件随时可以查看、下载监测现场仪器所收集的数据，然后通过数据处理，取得监测成果，避免现场人工操作带来的种种不便[3]。但远距离无线自动化监测系统在深基坑工程中应用相对较少。为此，本文结合基坑监测工程实例，采用传统的人工监测与自动化监测同时进行，对监测数据进行对比分析，研究自动化监测的可靠性，研究深基坑工程远程无线自动化监测数据采集、传输和基础结果分析，取得良好效果。

1 远程无线自动化监测系统组成

从功能上分析，远程无线自动化监测系统主要由现场监测终端单元、数据传输单元和计算机监控及数据处理单元3个部分组成，如图1所示。自动化监测系统现场布置安装效果示意图如图2。

图1 远程无线自动化监测系统结构

图2 自动化监测系统现场布置示意图

2 远程无线自动化监测系统安装

2.1 固定测斜仪

固定测斜仪安装步骤为：(1)定位；(2)埋设测斜管(内有导槽)；(3)安装、固定测斜仪。所有固定测斜仪都分别由各自的电缆线连接，延伸于测斜管之外，连接到数据总线。

2.2 钢筋计

钢筋计安装步骤为：(1)定位；(2)绑扎、焊接固定。另外，所有钢筋计都分别由各自的电缆线连接，沿钢筋笼钢筋延伸于围护桩之外，连接到总线。土压力盒安装同钢筋计。

2.3 自动采集箱

自动采集箱一般由电源管理模块、智能测量模块、数据传输模块构成：

电源管理模块负责模块供电及蓄电池的充放电管理，用于控制内置免维护蓄电池的充放电，并为测量单元提供电源。

智能测量模块主要用于实现数据采集系统自检、测量与控制、数据存储、数据通讯、内部电源管理等。

数据传输模块负责数据和命令在传感器、采集模块、遥控主机之间的传输。 北京基康自动监测系统所有传感器通过一根总线接入智能测量模块，数据和命令在传感器、采集模块、遥控主机之间的传输通过数据传输模块进行。

2.4 自动化监测系统软件

在完成测点埋设、各监测传感器接入采集箱采集模块后，安装、运行自动化监测系统软件，系统注册，进行无线通讯连接调试后，通过自动化监测系统软件对其单元配置和测点配置选项中的相关参数进行自动化配置，主要包括单元信息、通讯方式、测点信息、测量方式及报警值设置。利用GPRS网络，用户监控主机只需通过INTERNET网络与中心端连接(中心端是一个有固定IP地址的服务器，该服务器与现场监测设备的IP地址连接)，点击测试连接和单元控制选项，即可实现对基坑监测数据进行远程采集、传输。自动化监测系统软件功能结构划分如图3所示。

图3 功能结构划分图

3 工程应用

3.1 工程概况、监测点布置

某工程场地位于福州市台江区北江滨路北侧，设有四层地下室，基坑开挖深度19.3m(坑中坑开挖深度25m)，采用冲钻孔灌注桩加高压旋喷桩止水，三道砼内支撑。场地土自上而下依次为：(1)杂填土；(2)粉质粘土；(3)淤泥；(4-1)粉质粘土；(4)中砂；(5)淤泥质土；(6)中砂；(7)卵石。

图4 基坑监测点布置图

监测点C7、C14位置分别布置手工、自动土体深层位移监测点，围护桩钢筋应力监测点和围护桩外侧土压力监测点，监测点平面图见图4，C7、C14支护结构简图如图5所示。

3.2 监测成果分析

自动监测系统采集数据，通过办公软件Office和绘图软件Origin8.0将之或与手动监测数据对比分析，或绘图分析。

为便于对比，按基坑开挖不同阶段时间节点及支撑施工、土方开挖深度如表1：根据人工采集、自动采集数据进行对比。

图5 (a)C7支护结构简图， (b)C14支护结构简图

表1 施工监测时间节点及支撑、土方开挖深度

3.2.1 深层土体位移

由于自动化监测需在测斜管中埋设固定测斜仪，受经费限制，固定测斜仪数量一般偏少、测点间距偏大，因此，自动化监测精度主要受测点间距大小控制，测点间距越小、精度越高，C7位置深层水平位移手工、自动监测数据对比见图6。

图6 手工、自动监测数据对比图

分析图6可知，手工和自动监测的深层水平位移-深度曲线形状基本相同，随着深度增加，位移逐渐增大，在开挖面附近达到最大值，随后又慢慢减少。

对自动监测而言，在相同深度位置，深层水平位移变化趋势与手工的基本一致。当水平位移较小时，手、自动监测结果基本相同；但当土体位移较大时，相比较而言，手、自动监测结果偏差会增大，分析主要原因如下：

(1)手工、自动监测系统本身存在一定误差；

(2)自动监测传感器之间的距离较大，约为3.0m，其监测数据点距离约为手工的3倍，精度相对差些；

(3)监测点测斜管埋置的位置有差异，自动监测测斜管埋置在围护桩附近的土体中，而手动监测测斜管埋置在围护桩中。

(4)受基坑内支撑影响，支护桩变形存在弯矩反弯点。

3.2.2 钢筋内力

考虑到成本和仪器设备的兼容性问题，采用工程上常用的钢筋应力计外接数据采集处理器， C14位置围护桩内共布置6支海岩钢筋应力计。

经对比，人工采集钢筋应力频率与自动采集频率相同。

根据钢筋应力频率率定曲线计算钢筋受力。采用Office软件对数据进行处理，绘制钢筋应力时程曲线，见图7～图10(负值表示受压)。

图7 围护桩基坑内侧钢筋内力图(坑内不同深度)

图8 围护桩基坑外侧钢筋内力(坑外不同深度)

图9 深度=16.0m，围护桩基坑内、外侧钢筋内力

图10 深度=28.0m，围护桩基坑内、外侧钢筋内力

图7中曲线可以看出，围护桩基坑内侧不同位置处钢筋受力状态不同，随基坑开挖深度增加，时程曲线变化趋势也不同。在9.5m处，钢筋受拉，随基坑开挖深度增加，内力先逐渐增大，随后趋于稳定；在16.0m处，钢筋受压，随基坑开挖深度增加，内力逐渐减小；在22.0m处，钢筋在受拉、受压之间来回波动，随基坑开挖深度增加，内力大小呈锯齿状；在28.0m处，钢筋受拉，随基坑开挖深度增加，内力基本上逐渐增大。

图8中曲线可以看出，围护桩基坑外侧不同位置处钢筋受力状态不同，随基坑开挖深度增加，时程曲线变化趋势也不同。在16.0m处，钢筋受拉，随基坑开挖深度增加，整体上呈增大趋势；在28.0m处，钢筋先受拉，随后很快进入受压状态，随基坑开挖深度增加，内力基本上逐渐增大。

图9和图10中曲线可以看出，同一深度处的钢筋计应力发展变化呈对称式。

综合分析图7～图10中钢筋内力时程曲线特征，可以得出以下结论：

(1)在不同深度处围护桩基坑内、外侧钢筋内力正负号相反，由此可推知在基坑开挖深度以下某个位置存在弯矩反弯点；

(2)同一深度处的钢筋计内力呈对称式发展变化。

上述规律符合围护桩受力规律。

3.2.3 土压力

同钢筋内力一样，考虑到成本和仪器设备的兼容性问题，采用工程上常用的土压力计外接数据采集处理器， C14位置围护桩外侧沿深度方向共布置3支海岩土压力盒，自动化监测系统对土压力盒频率进行采集和传输，经对比，自动采集和人工采集的土压力频率变化相同。

利用Office软件对数据作进一步的处理，绘制围护桩基坑外侧土压力随工况的时程曲线见图11。

图11 围护桩基坑外侧土压力

图11中曲线可以看出，随着开挖深度增加，由于围护桩变形不大，同一深度处土压力变化不大；在同一工况条件下，随土体开挖深度的增加，土压力先增大后减小。桩侧土压力大小主要与埋设深度和开挖深度有关。

上述工况二、三条件下，基坑开挖深度约为6.5～11.2m，深层水平位移在10m左右达到最大值，桩侧土压力深度分别为5.0m、9.5m、16.0m，深度为9.5m位置的压力值最大，符合位移-土压力理论(土压力跟深层水平位移值呈正比)土压力变化规律。

4 结论

(1)通过远程无线自动化监测系统应用于深基坑监测的工程实践，掌握了深基坑远程无线自动化监测技术，大大降低了技术员的劳动强度、提高了工作效率；

(2)通过人工监测与自动化监测数据对比，两者测试结果的规律相同，数据大小基本相同，说明自动化监测精度基本满足要求。产生误差的主要原因是由于测斜管内自动化监测的固定式测斜仪(监测元件)数量较少，监测点内测试元件之间距离偏大，导致监测精度偏低，但基本上不影响变形的分析、判断。在以后工程中，可通过合理地增加固定式测斜仪数量来提高监测精度；

(3)围护桩钢筋内力、外侧土压力自动化监测结果与人工监测结果完全相同，在基坑开挖深度以下某个位置围护桩存在弯矩反弯点，钢筋应力受力条件出现变化；同一深度处的钢筋计内力呈对称式发展变化，符合围护桩受力情况；

(4)土压力变化与围护结构变形有关，变化较小的情况下，土压力变化较小，围护桩变形较大时，土压力变化较大，符合土压力理论和工程实际。

[1]杨佳，张志强，张强勇，等．深基坑安全监测信息分析系统的开发与应用[J]．地下空间与工程学报，2010，6(6)：1247．

[2]吴振君，王 浩，王水林,等．分布式基坑监测信息管理与预警系统的研制[J]．岩土力学，2008，29(9)：2503．

[3]杨育文，殷建华，涂望新．岩土工程自动化监测系统及其应用[J]．城市勘测，2002，(1)：7．

王文辉(1968.2- )，男，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、监测方面的工作。

周成峰(1986.11- )，男，助理工程师，主要从事岩土工程勘察、监测方面的工作。

吴铭炳(1962.11- )，男，教授级高级工程师，主要从事岩土工程方面的工作。

The application of long-range wireless automatic monitoring system in deep foundation pit engineering

WANGWenhuiZHOUChengfengWUMingbing

(Fujian Provincial Institute of Architectrual Design and Research,Fuzhou 350001)

Long-range wireless automatic monitoring which can truly achieve real-time monitoring and real-time warning, is the future direction of monitoring. However, this technology in our province is only in the beginning stages. In this paper, combined with engineering examples of deep foundation pit monitoring, automatic monitoring system and technology application are researched in respect of the displacement of deep soils, steel stresses, soil pressures. It is proved that the automatic data collection is reliable by comparing with the traditional manual monitoring data. Finally, Long-range wireless automatic monitoring, transmission and result analysis of deep foundation pit engineering are realized.

Long-range wireless automatic monitoring;Deep foundation pit monitoring;Real-time monitoring

王文辉(1968.2- )，男，高级工程师。

2015-11-23

TU47

A

1004-6135(2015)12-0077-05