在线式基坑监测系统在云南昭通管廊项目上的应用

陈长智 梁仕贤 杭建国 施行之

（中冶京诚工程技术有限公司 北京市 100176）

1 引言

综合管廊，是建于城市地下，用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施。

云南昭通管廊项目位于昭阳北部新区的核心组团、菁门组团片区，贯穿北部新区规划建设的商务中心、行政文化中心、产业中心。本项目建设是对新区新型城镇化建设要求的主动适应，将完善新区基础设施，加快北部新区建设步伐，节约新区土地资源，减少新区路面二次开挖，降低建设维护费用，减少地下管线建设及维护对新区交通的影响，促进新区地下空间的集约化开发与利用。

项目一期工程主要包括敦煌路综合管廊和控制中心。敦煌路综合管廊实施范围为K0+026.5至K4+940，长度4913.5m，矩形三舱（燃气舱、水舱、讯电舱）结构，燃气舱纳入天然气管，水舱纳入给水管、预留再生水管管位，讯电舱纳入10kV、110kV 电力电缆及市政通信线缆。控制中心位于经八路与水富路之间，南侧距离经八路口120m，地上三层、地下局部负一层，总用地面积3000m2，地上总建筑面积2509m2。敦煌路综合管廊在永善路、经八路和国学路，预留三处与规划综合管廊相交的交叉节点。

2 管廊深基坑情况分析

本项目三处交叉节点采用上下层形式设置，如图1所示，主要地质情况如下：

图1：交叉节点设计图

（1）基坑深度在10～12 米之间，属于深基坑范畴；

（2）基坑处地质总体稳定，不良地质现象主要是基坑边坡，特殊性土主要为杂填土、饱和砂土、软土及膨胀土，砂土有轻微液化；

（3）地下水初见水位3.2～8.4 米之间，稳定水位埋深在地面下1.8～3.3 米之间，基坑疏水量中等，为承压水，含水层以圆砾、卵石、粉砂、砾砂、粉土为主。隔水层为黏土；

（4）基坑毗邻学校、酒店和交通道路，结构风险较大。

综合考虑综合管廊基坑周边环境以及地质条件复杂程度、基坑深度等因素，本项目基坑支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或管廊主体结构施工安全的影响非常严重，按基坑破坏后果的严重程度划分设计等，其安全等级为一级。

如图2所示，鉴于对管廊深基坑的安全性要求，有必要设计一套在线式基坑监测系统，对基坑在管廊施工过程中存在的重大安全风险点进行实时自动化安全监测，实时上传数据并进行数据处理，实时了解基坑的健康状态，帮助检测人员快速定位基坑主要危险源，及时对基坑安全性作出准确评估，预防事故发生，避免人员伤亡，减少经济损失。

图2：现场施工图片

3 在线式基坑监测系统设计

3.1 监测目的和主要监测参数

通过对综合管廊基坑应用场景的深入分析，在线式基坑监测系统的主要监测目的为：

（1）对基坑及周边环境进行监测，预警并防范过大位移、变形与工程事故的发生，并通过监测实现基坑工程信息化施工。

（2）通过监测及时发现围护结构施工过程中的周边环境变化发展趋势，及时反馈信息，从而有效控制基坑施工对周边环境的影响。

（3）及时反映基坑施工过程中由于基坑开挖造成的坑外土体的动态变化，明确各施工阶段对坑外土层的影响，及时分析可能出现的事故隐患。

（4）通过监测及时调整支护系统的受力均衡问题，使整个基坑在开挖过程中始终处于安全、可控的范围内。

（5）及时掌握立柱桩的差异沉降状况，保障基坑施工过程中支撑体系的受力稳定。

（6）了解降水过程中，坑内外水位的变化情况。通过监测及早发现已存在或可能存在的基坑止水帷幕渗漏问题，分析可能出现渗漏的原因，并提请施工单位采取及时、有效的补救措施，防止施工过程中出现大面积涌砂现象。

（7）通过监测数据与预测值的对比，判断上一施工工艺和施工参数是否符合或达到预期要求，及时调整工艺及参数，确保顺利实现下一施工进度控制，从而切实实现信息化施工。

（8）及时将现场监测结果反馈给设计单位，使设计根据现场工况发展进一步优化方案，保障优质安全、经济合理、施工快捷目标的实现。

（9）通过周密的监测控制，及时发现基坑侧向不同部位出现较大变形，或变形速率明显增大等异常情况，为第一时间采取应急措施提供支持，避免或减轻破坏的后果，更好地保证基坑支护的安全。

（10）为理论验证提供对比数据，为优化施工方案提供依据。

（11）积累区域性设计、施工、监测经验。

根据以上监测目的，设计系统的主要监测参数如表1所示。

表1：主要监测参数表

3.2 系统架构

根据系统的监测目标和监测参数，采用云计算技术、无线通讯技术、物联网技术、GIS技术和移动互联网技术，进行实时数据采集、上传与数据处理，多方位了解基坑的健康状态。

系统分为三层，分别为采集层、边缘层和中心层：

（1）采集层包括静力水准仪、智能倾角计、固定式测斜仪、轴力计、投入式水位计、应变计等，实现围护墙顶部位移、支撑轴力、深度水平位移、锚索锚杆应力、地下水位、周边建筑物沉降及倾斜、周边地表沉降、土压力监测和降雨量监测等信息的采集，采集的数据通过RS485 线或者模拟量电缆传输给采集网关。

（2）边缘层为现场采集网关，是系统的现场核心单元，实现各采集仪表数据的采集、处理、分析和上传。网关上传数据给智慧工地平台，主要通信方式为无线运营商网络。

（3）中心层为智慧工地软硬件平台，为云端部署，实现多个基坑数据的汇集、处理、分析、集中监控和报警，当发生事故报警和预警时，可通过邮件、短信通知相关人员。

系统架构如图3所示。

图3：系统架构

3.3 基坑数据采集

主要采集的基坑数据包括沉降监测、支撑轴力、深度水平位移、锚索锚杆应力、地下水位、周边建筑物沉降及倾斜、周边地表沉降、土压力监测和降雨量监测等。

3.3.1 沉降监测

采用静力水准仪进行沉降测量。静力水准仪通过一根透明PU管串联并与一个储液罐连接，相比于管线的容量，储液罐容量足够大，能够有效减少管线容量由于温度变化引发细微变化所带来的影响。现场不用储液罐做基准，一般选择一个传感器作为基准点。传感器作为基准点可以消除液体挥发、仪器系统误差等影响因素导致的数据误差。通过测量基准点的高程，可以计算测点的高程。为消除大气压的影响，所有的传感器共用一根通气管，最后连接到储液罐，形成了一个封闭的气压自平衡系统。

设备综合精度＜0.05%F.S（单台精度），分辨率0.01mm，防护等级IP65，数据接口为RS485，通讯协议为标准工业协议。

3.3.2 倾斜度测量

采用智能倾角计进行倾斜度测量。智能倾角计采用电容微型摆锤原理，利用地球重力，当倾角单元倾斜时，地球重力在相应的摆锤上会产生重力的分量，相应的电容量会变化，通过对电容量处量放大、滤波、转换之后得出倾角。

设备实现X 轴、Y 轴两个方向测量，量程±10°，分辨率0.001°，防护等级IP65，数据接口为RS485，通讯协议为标准工业协议。

3.3.3 深层水平位移测量

采用固定式测斜仪进行基坑水平或垂直位移、垂直沉降及滑坡测量。该仪器配合测斜管可反复使用，并可便捷地实现倾斜测量的自动化。测斜仪是通过测量测斜管轴线与铅垂线之间夹角变化量（r），计算水平位移的工程监测仪器。通常情况下，由多支固定式测斜仪串联装在测斜管内，通过装在每个高程上的倾斜传感器，测量出被测结构物的倾斜角度，以此将结构物的变形曲线描述出来。

设备测量行程双轴±10，综合精度＜0.1 %F·S，分辨率0.001，防护等级IP65，数据接口为RS485，通讯协议为标准工业协议。

3.3.4 支撑轴力测量

采用轴力计进行支撑轴力测量。轴力计又称反力计或荷载计，是一种振弦式载重传感器。主要对结构加载、试桩加载测量和控制，能长期测量基础对上部结构的反力，自平衡桩基础加载测量和控制，桥梁荷载试验测量以及地下工程、隧道、深基坑等支撑轴力测量。利用钢弦的振动频率将物理量变为电量，再通过二次测量仪表（频率计）将频率的变化反映出来。当钢弦在外力作用下产生变形时，其振动频率即发生变化。在传感器内有一块电磁铁，当激振发生器向线圈内通入脉冲电流时钢弦振动。钢弦的振动又在电磁线圈内产生交变电动势。利用频率计就可测得此交变电动势即钢弦的振动频率。

设备综合精度≤0.1%F·S，分辨率≤0.06%F·S，防护等级IP65，数据接口为振弦式。

3.3.5 水位测量

采用投入式水位计进行水位测量。投入式水位传感器是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（如4 ～20mA 等）。

设备量程0-100m可定制，精度0.5% F.S，输出信号为4～20mA。

3.3.6 应变测量

采用振弦式应变计进行应变测量。当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。

设备测量范围拉1000ε、压1500ε，分辨率≤0.015 F.S，综合误差≤1.5 F.S，数据接口为振弦式。

3.3.7 荷载和预应力测量

采用锚索测力计进行荷载和预应力测量。锚索测力计在测力钢筒上均布着数支振弦式应变计，当荷载使钢筒产生轴向变形时，应变计与钢筒产生同步变形，变形使应变计的振弦产生应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出引起受力钢筒变形的应变量，代入标定系数可算出锚索测力计所感受到的荷载值。

设备综合误差≤1.0%F·S，分辨率≤0.08%F·S，数据接口为振弦式。

3.3.8 钢筋应力测量

采用振弦式钢筋计进行钢筋应力测量。振弦式钢筋计安装于钢筋上，钢筋受力产生的变形将引起焊接于钢筋上的仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到钢筋的应力变化量。

设备综合误差≤1.5%F·S，分辨率受压时：≤0.12%F·S 受拉时：≤0.05%F·S，数据接口为振弦式。

3.3.9 土体压应力测量

采用土压力计进行土体压应力测量。土压力计受力产生的变形将引起内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。测量时利用电磁线圈激拨钢弦并量测其振动频率，频率信号经电缆传输至频率读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到土压力的应力值。

设备综合误差≤1.5%F·S，分辨率≤0.08%F·S，数据接口为振弦式。

3.4 边缘计算采集网关应用

设计基于NB-IoT、物联网技术的边缘计算采集网关，满足各种信号类型的传感器的数据采集。网关将测量、传输、供电等功能集成于一体，具有集成度高、安装便捷、运用灵活、性价比高和现场生存力强等特点，适用于传感器分布较为分散、现场无供电、需无线组网、远程上传等恶劣环境使用。

硬件上由防水机壳、主控板、电源及供电防护模块、通讯扩展模块等组成。采用模块化、标准3U 机柜式板卡设计。方便现场扩展、级联模块，组成更大的系统控制器。供电可选择太阳能板或AC220V 供电方案套件，且内置大容量镍锂芯电池。寿命更长、适用更更广。

设备功能上支持振弦式、数字式（RS485）、电压式、电流式、电阻式、差阻式传感器等多种传感器接入，支持手机（蓝牙）配置仪器参数及查看数据，支持在线模式、省电模式、休眠模式，支持远程反向控制、参数配置，支持远程诊断，支持有线/无线数据上传。

3.5 智慧工地云平台应用

在云端部署智慧工地平台，平台可以实现多个基坑数据的综合展示、手机端数据查看、数据趋势分析、数据图标展示、检测设备在GIS 地图上标识、设备故障报警、数据预警分析、报警移动端推送。还可通过专有的远程配置软件，进行数据导出、数据采集时间间隔设置等。智慧工地云平台监控界面如图4所示。

图4：智慧工地云平台监控界面

4 结语

在线式基坑监测系统在云南昭通管廊项目应用效果良好，实现了高精度基坑健康实时数据的集中监控,保证了基坑及周边基础设施的安全，帮助检测人员快速定位基坑主要危险源，及时对基坑安全性作出准确评估，预防事故的发生，避免人员伤亡，减轻经济损失。