上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

0 引言

城市的快速發(fā)展使得超高層建筑、超大型深基坑不斷涌現(xiàn)。上海世博會(huì)地區(qū)B02、B03地塊涉及多家開(kāi)發(fā)單位，場(chǎng)地及周邊規(guī)劃道路下將開(kāi)發(fā)大型地下空間，基坑安全施工關(guān)系到整個(gè)地塊開(kāi)發(fā)建設(shè)的成敗，而基坑監(jiān)測(cè)是基坑安全施工的保證。目前國(guó)內(nèi)基坑監(jiān)測(cè)方法仍然以人工監(jiān)測(cè)為主，這種監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是投入少，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集及分析效率低，數(shù)據(jù)滯后性嚴(yán)重，不能夠及時(shí)指導(dǎo)基坑工程施工；而自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有操作安全、工作效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯著優(yōu)點(diǎn)。鑒于重大基坑工程對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和及時(shí)性的要求，世博央企總部基地基坑工程進(jìn)行了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)及試驗(yàn)應(yīng)用[1,2]。

1 工程概況

本工程為某央企總部基地基坑工程，位于世博園地塊，東西寬約95 m，南北長(zhǎng)約120 m，基坑開(kāi)挖面積約11 000 m2，地下3層，地下建筑深度為13.50 m，開(kāi)挖深度為15.40 m，地塊屬濱海平原地貌類型。

本工程施工分區(qū)較為復(fù)雜，施工周期很長(zhǎng)，施工流程較多且交叉影響。周邊市政管線眾多，且基坑鄰近軌道交通13號(hào)線，環(huán)境保護(hù)要求較高，需嚴(yán)格控制坑邊土體變形，確保周邊地下管線、周邊建（構(gòu)）筑物的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及安全使用。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

考慮到工程的特殊性，本工程基坑監(jiān)測(cè)中引入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)，為基坑施工提供技術(shù)支持（圖1）。

2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

利用Zigbee無(wú)線協(xié)議實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集之間的無(wú)線連接。傳感器連接端設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集發(fā)生器，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集接受終端，數(shù)據(jù)采集接受終端再將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)采集接收終端可同時(shí)實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)數(shù)據(jù)采集發(fā)生器的聯(lián)系。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)是由上海建工集團(tuán)主導(dǎo)研發(fā)的一套集工程項(xiàng)目管理、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和文案上傳下達(dá)于一體的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。現(xiàn)階段每天的基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需技術(shù)人員人工上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

項(xiàng)目部遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)人員根據(jù)當(dāng)天的施工工況和上傳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)填寫(xiě)安全評(píng)估報(bào)告。安全評(píng)估報(bào)告內(nèi)容包括當(dāng)天的施工工況、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳情況、視頻及照片等，并依此填寫(xiě)綜合評(píng)估報(bào)告和建議措施，項(xiàng)目部負(fù)責(zé)人查閱安全評(píng)估報(bào)告并依此做出施工決策。

結(jié)合工程風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建立三級(jí)報(bào)警機(jī)制，具體如下[3-6]：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)人根據(jù)設(shè)計(jì)單位所確定的報(bào)警值判斷是否為三級(jí)報(bào)警。若系三級(jí)報(bào)警，須啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)報(bào)項(xiàng)目部管理人員；

2）項(xiàng)目部管理人員對(duì)上報(bào)的警情進(jìn)行進(jìn)一步了解、分析，選擇以下一種處置方式：結(jié)束報(bào)警、采取措施進(jìn)行處理、將警情升級(jí)為二級(jí)，同時(shí)啟動(dòng)子公司應(yīng)急預(yù)案并上報(bào)子集團(tuán)公司；

3）子集團(tuán)公司對(duì)上報(bào)警情進(jìn)行進(jìn)一步了解、分析，選擇以下一種處置方式：結(jié)束報(bào)警、采取措施進(jìn)行處理、將警情升級(jí)為一級(jí)，同時(shí)啟動(dòng)子集團(tuán)公司應(yīng)急預(yù)案并上報(bào)集團(tuán)總部。子集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)組織專家會(huì)審，形成相應(yīng)方案后（包括搶險(xiǎn)方案）上報(bào)集團(tuán)審批備案，并立即組織相關(guān)人員進(jìn)行搶險(xiǎn)?，F(xiàn)階段集團(tuán)也在積極研發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控專家評(píng)估系統(tǒng)，針對(duì)特殊的項(xiàng)目在系統(tǒng)管理平臺(tái)上組織專家進(jìn)行評(píng)審。

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布點(diǎn)及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法

本次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)基于第三方監(jiān)測(cè)，設(shè)置了如下相關(guān)的試驗(yàn)點(diǎn)：支撐軸力觀測(cè)點(diǎn)3組，坑外土體深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)，坑外潛水位觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)，坑外土體分層沉降觀測(cè)點(diǎn)1個(gè)。

3.1 鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)

根據(jù)鋼筋混凝土受力時(shí)內(nèi)部鋼筋和混凝土協(xié)同變形的原理，計(jì)算整個(gè)支撐（全斷面）應(yīng)力的變化。

ZX-400型智能弦式數(shù)碼鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝方式見(jiàn)圖2。

圖2 鋼筋應(yīng)力計(jì)安裝示意

3.2 坑外土體深層水平位移監(jiān)測(cè)（土體測(cè)斜）

本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)是用測(cè)斜儀自下而上測(cè)量預(yù)先埋設(shè)在土體內(nèi)的測(cè)斜管的變形情況，以了解基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，與測(cè)斜管共同作用的坑外土體在各深度上的水平位移情況。測(cè)斜儀具體工作原理如圖3所示。

圖3 測(cè)斜儀工作原理

本項(xiàng)監(jiān)測(cè)采用固定式測(cè)斜儀。固定式測(cè)斜儀將若干個(gè)測(cè)斜儀探頭組合上下成串地安裝在同一個(gè)測(cè)孔中，各探頭連續(xù)工作，不斷將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳到測(cè)孔外。

固定式測(cè)斜儀采用了基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，將全部（可多達(dá)幾十個(gè)）固定式測(cè)斜儀探頭的數(shù)據(jù)傳到地面。經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù)在地面用數(shù)據(jù)采集器采集、存儲(chǔ)，并與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控。

3.3 坑外潛水位監(jiān)測(cè)

預(yù)埋水位測(cè)管于基坑外的土體內(nèi)，用水位計(jì)測(cè)量，了解水位變化。

3.4 坑外土體分層沉降監(jiān)測(cè)

對(duì)土體分層沉降的監(jiān)測(cè)采用與本系統(tǒng)配套的智能數(shù)碼分層沉降計(jì)。分層沉降計(jì)由多個(gè)單點(diǎn)沉降單元與PVC管串接而成。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本基坑共設(shè)3道支撐，基坑第1皮土方開(kāi)挖開(kāi)始于2012年11月7日，并于2013年2月1日完成基坑大底板澆筑。

4.1 鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)

不同于傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)的曲線，較好地反映了支撐軸力的實(shí)時(shí)狀態(tài)。第1道支撐施工過(guò)程中軸力的變化范圍基本在-1 500～+1 000 kN之間（圖4），在第1皮土方開(kāi)挖時(shí)，支撐軸力變化較大，待第2道支撐完成后支撐軸力有所減小；在挖第3、第4皮土方時(shí)，支撐軸力變化相對(duì)較小。大底板澆筑完成后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于平穩(wěn)，但一處數(shù)據(jù)有較大突變，這體現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。基坑第2道支撐軸力監(jiān)測(cè)開(kāi)始于2012年12月6日。第2道支撐軸力的波動(dòng)性較小，并很快趨于穩(wěn)定，波動(dòng)范圍在-7 000～0 kN之間?；拥?道支撐軸力監(jiān)測(cè)開(kāi)始于2012年12月25日。相比較前2道支撐，該處的支撐軸力明顯較大，波動(dòng)范圍在-8 000～0 kN之間。

圖4 第1道支撐鋼筋計(jì)1/斷面1

4.2 坑外潛水位監(jiān)測(cè)

由自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法得到的基坑外潛水位變化曲線如圖5所示。圖中水位變化曲線顯示，與初始潛水位相比，整個(gè)水位的變化介于-300～+500 mm之間，屬于合理區(qū)間。

圖5 坑外潛水位監(jiān)測(cè)曲線（自動(dòng)化方法）

4.3 坑外土體地表沉降監(jiān)測(cè)

由圖6可知，在基坑進(jìn)行土方開(kāi)挖時(shí)，土體有較大沉降；在基坑開(kāi)挖完成、底板澆筑完成后，土體沉降基本穩(wěn)定。在沉降數(shù)值方面，最大沉降為35 mm，與傳統(tǒng)方法監(jiān)測(cè)數(shù)值相近。

圖6 基坑周邊地表沉降曲線（自動(dòng)化方法）

4.4 坑外土體水平位移監(jiān)測(cè)

截至2013年3月5日，坑外土體的最大水平位移達(dá)到38 mm，最大位移點(diǎn)隨著基坑開(kāi)挖，逐漸向下移動(dòng)，最大位移值也逐漸趨于穩(wěn)定。這一變化規(guī)律符合理論邏輯。

5 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)不受現(xiàn)場(chǎng)條件以及氣候等因素的影響，具有操作安全、工作效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的顯著優(yōu)點(diǎn)，具有很好的開(kāi)發(fā)潛力與應(yīng)用前景。通過(guò)本項(xiàng)目的試驗(yàn)研究可知，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)是可信并符合邏輯的。但是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有突變的情況，這也體現(xiàn)了現(xiàn)階段自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集具有不穩(wěn)定性，同時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器昂貴的價(jià)格也未能使其完全取代人工監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的建立使項(xiàng)目部管理人員及時(shí)了解工程現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展情況，包括每天的施工工況（文字描述、照片和錄像），各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和曲線，突發(fā)情況的現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警（錄像、短信提示）。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)三級(jí)報(bào)警及各方專家評(píng)估系統(tǒng)的建立將對(duì)基坑安全施工和組織搶險(xiǎn)的決策都有著巨大的幫助[7-9]。