张志强,纪文武,薛琼瑶,胡 月,刘道学,杨晓徐

（1.济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 250000; 2.中铁四局集团有限公司,安徽 合肥 230023）

0 引言

城市地下空间的深入开发，使得越来越多的基坑工程不断涌现。在开挖基坑的施工过程中，环境效应极为重要。如果不能有效控制基坑的变形，将会导致基坑本身严重变形，并影响附近的建筑物和结构物的正常使用。最严重时，可能导致基坑坍塌、周围建筑物倒塌以及管线断裂等一系列危险情况的发生。所造成的经济损失和社会影响难以估量。因此，在基坑施工过程中，为了确保安全性和可靠性，必须采取相应措施控制基坑本身变形，以抑制其对周边环境的影响，不仅要保证基坑的安全，更要确保基坑周边的被保护对象不会发生变形或控制在极为严格的范围之中[1]。为了达到这一目标，实时监测是不可或缺的工具。通过对实时监测数据进行处理和分析，能够推断出施工过程对结构变形的影响，并总结出相应的规律，据此实现对基坑变形的实时控制，从而保证基坑施工中各结构的安全与稳定，减小基坑对周围环境的影响[2]。

1 基坑监测方案对比

基坑监测具有监测点位多、范围大、数据类型多、监测任务重的特点，人工监测效率低下、不可控因素更多，出错概率高，难以及时发现和预报安全隐患。与人工监测相比，自动化结构安全监测系统具备诸多优点，实时监测以及远程自动化可以让施工管理人员在任意时间与地点简单地通过便携式设备如电脑或手持设备就可以完成管理工作，体现了自动化结构安全监测系统的时效性、准确性、连续性、便捷性和安全性[3]，能够实现基坑的安全、信息化施工，并提供及时有效的反馈。

人工监测与自动化结构安全监测优缺点对比如表1所示。

2 自动化结构安全监测系统架构

自动化结构安全监测系统利用先进的信息化、自动化、物联网[4]等技术，实现土木工程结构物的在线可视化实时监测。该系统利用自动化的传感器数据采集、分析、传输和管理，能够精确监测范围内结构物的实时健康状况，在降低人工监测成本的同时确保监测数据的连续性和智能化管理，从而预防安全事故的发生。

在基坑监测中，自动化结构安全监测系统的现场数据采集层由多种测点组成，包括机器视觉测量仪、倾角仪、固定式测斜仪、投入式水位计、轴力计、静力水准仪等。这些测点用于获取基坑周围地表沉降、基坑立柱沉降、周围建筑物及管线沉降、支撑轴力、坑外水位、深层水平位移、围护结构顶部的沉降和位移、倾斜等数据。借助这些数据，系统能够全面了解基坑的监测情况，并迅速采取相应的安全措施。监测数据由通用网关经无线网络上传至云服务器，展现于数据管理平台上，在办公室对现场结构物安全与健康进行实时远程监控。监测系统架构如图1 所示。

图1 监测系统总体架构

3 自动化监测系统数据采集层传感器

基坑自动化监测所需的传感器列于表2 中。其中，机器视觉测量仪和固定式测斜仪是新型传感器，其特征和原理在3.1 和3.2 节中有详细介绍。

表2 基坑监测各测项数据传感器

3.1 TH-ISM 系列机器视觉测量仪

如图2 所示，机器视觉测量仪是一种智能摄像机，拥有边缘计算能力。它内置了并行机器视觉算法，并采用嵌入式Linux 系统和专用的机器视觉硬件电路。该测量仪能够精准地识别靶标的坐标。靶标的坐标会随着被测结构物的平面位移发生相应改变，从而得到被测物体的水平和垂直位移。这种机器视觉测量仪借助高效的算法和智能化系统，可以可靠地实现对结构物位移的监测，提供可靠的测量方法。具体参数如表3 所示。

图2 机器视觉测量仪

表3 机器视觉测量仪参数表

机器视觉测量仪应安装在现场的稳定位置，要求能够观测到安装于被测点位的靶标。用户可以使用专用的移动应用程序，在他们的手机或平板电脑上进行本地调试和设置测量仪，以观察靶标识别的情况。测量仪在设置好后将自动进入长期监测状态，将测量数据源源不断地上传至监测管理平台。正常运转时，为减小流量与功耗，测量仪仅向云平台传输坐标数据，如果现场异常，还可以在平台上远程查看现场图片，也能设置异常图片自动上传，用于调试与系统维护。

3.2 固定式测斜仪

深层水平位移监测主要关注基坑侧部土体不同深度处的水平位移。量测方法如下：

（1）首先，将垂直测斜管埋设于深度足够的预定位置。测斜管内部有4 个导槽，互成90°，使其中一对互成180°的导槽与基坑变形方向一致。

（2）将配有导轮的测斜仪放入测斜管中并沿着导槽滑动。测斜仪能够测量出测管在土体作用下的倾斜度θi。接着，将该位置的测斜仪上下导轮之间（或分段长度）的位置偏差Δd进行计算和记录：

式中，l——量测点的分段长度。自下而上累加可知各点处的水平位置：

与初位置的测值相减便可以得到各点该次量测的水平位移。

固定式测斜仪及其原理如图3~4 所示，设备参数如表4 所示。

图3 固定式测斜仪设备示意图

图4 固定式测斜仪设备原理示意图

表4 固定式测斜仪技术参数

4 数据管理平台功能

作为自动化结构安全监测系统的核心组成部分，智能化数据管理平台功能强大。该平台能够智能地管理监测工程的信息，实现监测方案布点图的导入，以及以曲线或表格等形式查看数据。用户可以根据需要自定义数据的标定系数和公式，并进行预警设置和用户管理等操作。

此外，该数据管理平台不仅支持在计算机上显示数据，还提供了适用于Android 和IOS 手机的应用程序。这意味着用户可以通过移动设备进行数据管理和展示，实现便捷的移动端操作。

5 工程实例

5.1 工程概况

济南市R2 线一期工程是一条城市轨道交通线路，起始于槐荫区的王府庄站，止于历城区彭家庄站。全长约36.4 km，地下线约34.5 km，高架线约1.6 km，过渡段约0.3 km，设有车站18 座，17 座为地下车站，1 座为高架车站。

济南市R2 线土建工程的六标段是该线路的组成部分，包括历黄路站、历黄路站至历山北路站之间的区间以及历山北路站，总长度约为1.03 km。历山北路站是R2 线、环线和M4 线的三线换乘车站，位于历山路和北园大街的交叉路口，中心里程为CK18+488.365。环线和M4 线沿着历山路南北向布置，R2 线沿着北园大街东西向布置。

R2 线的车站采用地下双层双柱三跨式设计，车站的主体总长度为522.71 m（内净），标准结构段宽度为21.3 m（内净），覆土厚度约为3.6 m。车站的小里程端线采用缓和曲线进站，车站平面布置为曲线形状。纵向坡度自32 轴向东西向以2‰的坡度降坡。标准段底板埋深约19.6 m。基坑采用明挖顺作法施工。

环线和M4 线的车站采用地下三层平行双岛式设计，主体总长188.58 m（内净），结构标准段宽度47.8 m（内净），覆土厚度约2.3~5.5 m。端头井段的底板埋深约为26.8 m，而标准段的底板埋深约为25.1 m。基坑采用逆作法施工。

5.2 自动化结构安全监测系统实施

依据基坑周边环境变形规律、基坑本体，根据相关技术规范，监测内容如下。自动化监测仪器及其安装如表5 所示。

表5 自动化监测仪器及安装

（1）围护结构深层水平位移（测斜）监测。

（2）钢支撑监测。

（3）混凝土支撑监测。

（4）基坑外潜水水位监测。

（5）围护结构桩顶垂直和水平位移监测。

（6）周边地表沉降监测。

（7）支撑立柱沉降监测。

5.3 数据分析

在该次现场试验中，深层水平位移、围护结构墙顶水平位移和竖向位移监测项的自动化监测设备周围都设置了人工监测点。通过对比自动化以及人工监测数据，以验证自动化监测系统的准确性。

该次试验采用了每5 min 进行一次自动化监测的频率设置。监测数据被存储和管理在专用的数据管理平台中，该平台可以承载大量的监测数据。结合基坑开挖的工序，从数据管理平台中提取了关键时间节点的数据，时间范围为2019 年12 月12 日至2020 年3 月29 日。

5.3.1 深层水平位移数据分析

自动化测斜孔用于监测深层水平位移，顶部测斜测点的埋深为0.5 m，相邻测斜测点的竖向间距为1 m。底部测斜测点的埋深为17.5 m。与之相邻的人工测斜孔标识为ZQT19。

需要注意的是，由于该次自动化测斜孔的深度限制，仅能反映基坑开挖深度范围内的深层水平位移变化情况，应当谨记此限制，并综合考虑其他监测手段进行全面评估。

自动化测斜孔自0.5 m 埋深开始，每1 m 竖向间距设置1 个测斜点，共计18 个测斜点形成该孔在0.5~17.5 m深度范围内的深层水平位移情况。

据图5 所示，在18 m 深度范围内，深层水平位移随基坑开挖深度的增加而增加。在0~12 m 深度范围内，深层水平位移随深度增加而增大，在12 m 深度处出现约25 mm 的水平位移极值。而在12~18 m 的深度范围内，深层水平位移随深度增加而略微减小，整体呈现出中部凸起的曲线形态。

图5 自动化测斜孔与ZQT-19 测斜曲线

通过与ZQT-19 人工监测深层水平位移曲线进行对比，可以观察到在已探测的深度范围内，自动化监测数据与人工监测数据在曲线形态、发展趋势、极值大小和极值位置等方面十分接近。这充分证明了自动化测斜孔在实际工程应用中的准确性和实用性。

5.3.2 围护桩顶沉降和水平位移数据分析

在该次试验中，针对围护墙顶部的竖向和水平位移，分别设置了竖向位移-1 和水平位移-1 两个自动化监测点，以及两个人工监测点，分别为ZQC/ZQS-19 和ZQC/ZQS-21。其中，ZQC/ZQS-19 与竖向位移-1 相邻，而ZQC/ZQS-21 与水平位移-1 相邻。

通过对比图6~7 所示的四个监测点的监测数据，可以得出以下结论：围护墙顶竖向位移的人工监测数据与自动化监测数据一致，除了短时间内的波动外，整体呈现稳定状态。而围护墙顶水平位移的自动化监测数据与深层水平位移曲线中0 m 埋深的人工监测数据保持一致，呈现缓慢增大的趋势。然而人工监测数据基本保持不变，这表明自动化监测数据在测量墙顶水平位移方面更可靠。

图6 围护墙顶竖向位移随时间变化曲线

图7 围护墙顶水平位移随时间变化曲线

6 结语

（1）该文通过对自动化结构安全监测系统在某地铁基坑监测工程实例中的应用原理和方法的论述，以及对自动化监测系统数据进行分析，得出结论：自动化监测数据对基坑开挖过程中各监测项的实时变化情况反映良好。这验证了在基坑变形监测方面应用自动化监测系统的技术可行性和数据准确性。

（2）通过对比分析人工监测数据和自动化监测数据，发现虽然两者存在微小差异，但基本保持一致，自动化监测数据甚至更可靠。

上述分析表明，基坑监测中应用自动化结构安全监测系统是可行的，能够保障基坑及周围建筑物的安全。因此，该技术应用前景广阔。