基坑监测系统的研究*

吴 健，张 伟，司拴牢，王志泉

(1.甘肃土木工程科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730020；2.武汉捷探科技有限公司，湖北 武汉 430070；3.兰州市建设工程安全质量监督站，甘肃 兰州 730030）

随着国家经济建设的发展，基建行业发展迅猛，高层建筑及地下工程日益增多，尤其是高铁、城铁、地铁等城市轨道交通发展迅速。高层建筑及地下工程在进行基坑施工过程中，容易产生支护结构内力变化以及基坑顶部发生形变等安全隐患，威胁施工人员的人身安全，特别是城市中心地带，还会极大地威胁公众生命安全和造成重大财产损失。因此，在施工过程中需要对相关重点区域和点位进行实时监测，并经由数据中心处理后及时进行紧急处置动作，以最大限度降低可能发生的各种安全事故所造成的经济损失[1-2]。

1 系统工作原理

传统的人工监测只能定点、定时对深基坑工程进行监测，不能掌握其动态、连续的变化过程，效率低。尤其在西北黄土地区，基坑安全大多与水有关，雨雪天气时不具备人工监测条件，而基坑安全事故往往多发于雨雪天气之后，传统的人工监测受诸多条件限制，发现问题不及时，容易在基坑工程中留下严重的安全隐患[3]。鉴于传统人工监测无法满足基坑工程需求，拟采用自动化在线监测手段进行监测。具体监测内容包括3个方面：（1）基坑顶部变形（沉降、位移）监测（静力水准仪、倾角仪）；（2）土体深层水平位移监测（固定式测斜仪）；（3）支护桩深层水平位移监测（固定式测斜仪）。

基坑监测预警系统采用分布式结构进行平台搭建，主要由分布于各个监测点位的传感器、数据采集单元和数据处理终端组成。其中，安装于监测点位的传感器类型主要有倾角传感器、静力水准仪以及测斜仪等，不同种类的传感器的安装数量将依据现场的实际情况进行部署。基坑监测预警系统的结构框图如图1所示。

如图1所示，静力水准仪和倾角传感器均采用工业标准4～20mA电流传输，测斜仪采用工业级RS-485进行通信。静力水准仪和倾角传感器分别用于针对基坑的沉降和位移等进行实时监测测量；测斜仪用于对土层深部的水平位移进行实时监测。上述监测数据通过数据采集单元进行采集和汇总。为了保障整个系统持续不间断运行，拟设计供电控制系统对设备供电进行保障，保证当整个系统外部供电断开时候，可采用后备电源进行供电，且能保持48h持续不间断运行。数据采集单元通过4G无线网络与远程数据处理终端进行数据通信。

图1 基坑监测预警系统的结构框图

2 现场施工部署方案

基坑监测的基本目的是对基坑开挖过程中的支护结构的实际位移以及周围相关建筑的变化实施监测，及时排查基坑塌陷、地面沉降以及支护结构的形变等隐患。基坑的在线监测，既能对现场施工进行相应的指导，也能防患于未然，为安全生产工作提供有力的保障。

基坑监测的主要内容是对围护和支撑结构的水平位移进行监测。围护结构的顶部水平位移最能直观体现整个结构的变形状况，在进行监测点布置时采用静力水准仪在基坑拐角处和靠近周围建筑物的部位进行重点部署，一般5m左右部署1个。另外，在靠近建筑物的基坑附近进行倾斜监测，通常部署在建筑物的拐角处、中心点以及周围，且部署点位不少于6个。对于土体深层，应用测斜仪进行监测。

3 系统方案设计

3.1 监测节点

监测节点主要是由部署在工地现场的各种监测传感器组成，包括静力水准传感器、倾角传感器以及测斜传感器等。

（1）静力水准传感器。静力水准传感器由储液罐、连通管等部件组成。利用连通液的原理，储液罐通过连通管连接在一起，可保证初始状态储液罐液面总是在同一水平面，通过对储液罐液面高度的测量，计算各个静力水准传感器的相对高度差来达到测量沉降的目的。储液罐初始状态及相对位移状态示意图分别如图2、图3所示。图2为两个储液罐初始位置状态，此时初始液位Y01+h01=Y0i+h0i；当两者之间产生相对沉降变化后，（Y01+Δhk1）+hk1=（Y0i+Δhki）+hki，两者前后变化ΔH=Δhki-Δhk1。通过监测该相对变化量ΔH来实现位移沉降监测的目的。

图2 储液罐初始状态示意图

图3 储液罐相对位移状态示意图

储液罐由压力计和容器箱构成。压力计选用型号MIK-P300电流型，满足工业变送标准电流4～20mA输出，测量量程为0～0.1MPa（水位测量深度为0～10m），最高分辨率为1mm，测量精度为满量程的2.5%。依据上述测量原理，压力计固定在容器箱内，多级储液罐通过连通管进行级别并装取适量蒸馏水。储液罐A与储液罐B之间，当储液罐B产生沉降后（设定变化量为ΔHb），储液罐A产生的沉降变化为ΔHa，则两者的相对垂直方向的位置变化为ΔHab=ΔHb-ΔHa，对应的压力计的输出电流变化与位移变化的比例关系为（Im-I0）/Hm=（Ia-I0）/ΔHa，即Ia=ΔHa·（Im-I0）/Hm+I0（其中，Im为满量程电流20mA，I0为初始电流值4mA，Hm为对应满量程水深10m，Ia为压力计实际电流输出）。后级数据采集单元的采样电阻R=100Ω，则对应输出电压Va=Ia·R，最终数据采集的输出电压与对应沉降的变化关系为Va=[ΔHa·（Im-I0）/Hm+I0]·R。

（2）倾角传感器。选用型号为SVT628T-15电流输出型倾角传感器，满足工业标准电流4～20mA输出，最远可传输2000m的距离，承受振动能力佳。内置抗射频，采用抗电磁干扰电路，可应用于地下非开挖型机械及其他恶劣工业环境。其主要技术参数——量程范围为-15～15°、精度为0.01°、分辨率为0.001°，满足现场的实际需求。在具体施工过程中，传感器的安装面与被测量面固定必须紧密、平整、稳定，如果安装面出现不平容易造成传感器测量夹角误差。传感器轴线与被测量轴线必须平行，两轴线尽可能不要产生夹角。传感器的0°所对应的电流输出I0=（Imax+Imin）/2，其中Imax=20mA，Imin=4mA；翻转角度与对应输出电流之间的关系为Ix=8·β/15+12，其中β的取值范围为-15～15°，Ix的取值范围在4～20mA，后级数据采集单元的采样电阻R=100Ω，则对应输出电压Vx=Ix·R，即最终的测量电压与角度之间的对应关系为Vx=（8·β/15+12）·R。

（3）测斜传感器。采用型号为GH-CX埋入式测斜传感器来实现土层水平位移的实时监测，其测量精度可达0.01°，测量范围为0°～90°，通过RS-485进行通信，最远距离可达1000m，可同时挂载32路进行同时监测。

3.2 数据采集单元

数据采集单元主要由微处理器、AD采集、多通道自动量程转换、备用电源电路和4G路由等电路组成。倾角传感器和静力水准传感器属于电流型输出系列，通过多通道自动量程转化电路实现电流转电压、信号调理放大、自动量程转换等功能；通过多通道自动量程转换对输出电压进行AD采集，再通过微处理器根据采集的电压控制多通道量程自动转换电路进行量程切换，用于设置放大倍数或衰减系数，保证所采集的电压信号在有效的AD采集电压范围内。此外，通过RS-485对测斜仪进行通信，读取所对应土层的水平位移信息。

3.3 数据处理终端

数据处理终端由主机和液晶显示器组成，配置有专用数据处理软件系统，通过4G无线通信采用TCP/IP网络协议与数据采集单元进行数据交互。数据处理软件系统的运行环境为Windows XP操作系统，利用Visual C++作为软件开发工具，分别采用MFC、ADO以及GDI等技术进行开发，实现数据统计、监测报表自动生成、监测预警、信息查询以及软件操作界面设计等功能。

4 结束语

与传统的人工基坑监测方法相比，自动化监测预警能将多种观测方式和手段进行融合，可实现24h实时监测，数据具有连续性和实时性，克服了人工监测耗时、耗人及耗物的问题，能实现无人值守在线监测，并在最短的时间内迅速作出提前预警。相关机构及人员也可随时查询在建项目基坑的实时变动情况，能在最大程度上保证施工安全。该基坑监测预警系统能应用于城市轨道交通基建、大型建筑施工等市区内基建领域，也适用于类似湿陷性黄土地区等特殊、有待进一步发展开拓的边缘地带基建等工程建设中。