上海轨道交通十四号线发展有限公司
摘要：本文以上海市轨道交通某地下车站为案例，分析介绍自动化监测技术在地铁深基坑不同阶段的施工过程中的应用。通过自动化监测技术实际运用，使地铁深基坑监测数据采集及传输实时、准确、便捷，有效地提高深基坑施工的安全性和稳定性。
关键词：地铁车站 深基坑 监测 自动化 信息化
一、案例介绍
上海市轨道交通建设某新建车站为岛式站台地下三层车站，站中心底板埋深25.51m，车站净长219.682m，净宽20.3m。在钢筋混凝土结构中主要使用的是双柱三跨式框架，标准段基坑开挖深度约25.81m，主要是在东、西相反方向进行开挖，所挖深度为27.51m。车站采用明挖顺作法施工。
地铁基坑主要处于②3a层、⑤1层粉砂夹粉土及第⑤2层粉砂层地质环境中。在接触到地下水时，主要涉及到两方面，在⑤1、⑤2层粉土、粉砂中主要存有Ⅰ层承压水，而且水量较为丰富。为了保证施工过程中基坑施工安全，提高基坑围护结构整体稳定性、抗倾覆稳定性、墙体抗隆起稳定性、抗管涌稳定性等需求，对该基坑的局部地段进行自动化监测，以实时掌握基坑结构的动态变化和满足信息化指导施工的要求。
二、自动化监测内容
本站深基坑自动化监测包括墙体测斜自动化监测6个，支撑轴力自动化监测3组，地下水位自动化监测6孔。
三、硬件设施
硬件系统由数据采集设备、现场控制箱以及远程数据中心三部分组成。数据采集设备包括测量机器人、固定式测斜仪、钢筋计、轴力计、水压力计等监测用传感器，数据采集设备均安装在地铁基坑监测点位处。测量机器人用于采集监测点的三维坐标，固定式测斜仪用于监测基坑墙体的水平位移，钢筋计用于监测砼支撑应力，轴力计用于监测钢支撑应力，水压力计用于监测基坑周围承压水水压力并反算出水位。
现场控制箱安放在地铁基坑不受施工影响的区域，包括计算机、传感器数据采集仪、数据传输模块以及电源等。测量机器人的测量信号输出端与计算机的对应信号输入端相连，监测用传感器的监测信号输出端与传感器数据采集仪的信号输入端相连。计算机及传感器数据采集仪的信号输出端均通过数据传输模块与远程数据中心的服务器进行通信，传输监测数据以及接收控制指令。
四、监测过程
首先应该将自动化系统的检测收集装置、钢筋仪，具有固定特点的测斜仪，以及轴力计还有水压力计进行布置，安装或埋设在设定好的地铁基坑监测点位处，并将各采集设备的数据线从合适的位置引出，避免受到施工破坏。
在地铁基坑不受施工影响的区域安放现场控制箱，并在现场控制箱中安装好计算机、传感器数据采集仪、数据传输模块、电源等设备。
各监测用传感器的数据线与传感器数据采集仪的固定端口相连接，测量时传感器数据采集仪按照设定好的监测频率向各传感器发送测量指令，传感器接收到指令后采集当前时刻的测量数据并将测量数据传送给传感器数据采集仪，传感器数据采集仪对数据进行解析后判断是否完整，将完整的传感器数据分别进行存储并通过数据传输模块使用无线网传送给远程数据中心的服务器。
在远程数据中心，前述数据可以供用户进行分析，采用如下方式进行处理：针对地铁基坑墙顶水平位移与竖直位移、地铁基坑墙体深层水平位移、钢支撑轴力、砼支撑应力、地下水位、水压力等项目分别新建项目，设定好各项目的监测信息和相关备注信息，各项目对应各自的数据库表。接收到各类型的监测数据后首先要进行解析，判断数据是否完整，若数据不完整则直接丢弃。在数据完整的情况下对原始数据进行处理，得到各期的测量成果并入库。接下来将测量成果与设定好的报警值进行对比，若超过报警值则进行报警。
五、基坑墙体深层水平位移自动化监测
基坑墙体深层水平位移自动化监测的测斜管布设于人工监测点位旁间隔1m处。固定式测斜仪主要是在将测斜管布置后完成在测斜管中进行安装。固定式测斜仪型号为MI600，测量范围±30°，精度0.05°，分辨率0.01°。
首先将单个测点所使用的固定式测斜仪按照使用的位置依次排列，整理好线缆。按照设计值首先下放一定长度的底部固定连接杆，底部固定连接杆为不锈钢材质，每根长度2m。在安装固定式测斜仪和之间的连接杆时需要在固定连接杆底部放下后进行连接。固定式测斜仪安装完后将所有线缆整理好，从管口引出，将线缆沿基坑挡水墙内侧布设，引至数据采集仪处。
在安装固定式测斜仪时需要注意不同方向的数值，如图一所示。
图二 固定式测斜仪布设
在安装固定式测斜仪时，要注意安装的位置，保证其安装在测斜管的内侧，并且将其固定，如果发生围墙出现移动的情况，就会导致测斜管出现偏移，从而导致起重的固定式测斜仪位置发生变化，如图三所示。测量出各位置固定式测斜仪的倾斜角度，再使用三角函数计算，可以将所测位置的墙体变形曲线描绘出来，并可根据测量值计算出导轮间距范围内的水平位移。
图四 自动生成的深层水平位移变化趋势
六、支撑轴力自动化监测
本车站采用6道支撑围护系统，第1、4道为混凝土现浇支撑，第2、3、5、6道为?609mm钢支撑。钢支撑轴力量测选择端头轴力计进行轴力测试，将轴力计安装在钢支撑的端头，通过频率接收仪测得轴力计在某一荷载下的自振频率，然后直接计算支撑轴力值。
在安装混凝土支撑钢筋应力计时，需要选择和混凝土钢筋相匹配的装置，同时需要在安装前，检查各部分的数据是否符合标准，要使其在标准范围内。在安装时，需要将螺丝口一端和钢筋螺母相结合，形成一体，将钢筋计的拉杆和等同直径的钢筋进行焊接。需要将焊接好的钢筋计支撑于主钢筋上，然后将钢筋计埋在支撑的四个主钢筋上，所焊接的长度需要满足需求，安装如图五所示。
图六 轴力数值和轴力值之间变化的曲线图
七、地下水位、水压力自动化监测
地下水位、水压力自动化监测点位布设采用振弦式水压力计进行数据采集。水压力计测量范围0.1Mpa-2Mpa，精度0.025%F·S，分辨率0.0001Mpa，工作温度范围-20℃~80℃。
如果将水压力计固定在某一测试地点，那么这个地点的所受压力就会表现在水压力计上，然后会将水压力计当中的弹性模板所受到的变形反馈给钢弦，从而转变成振钢弦受到压力的变化，改变钢弦的震动频率。电磁线圈激振振钢弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至采集设备，即可测出该测点的水压值。并由此计算出该测点水柱压力高度（1千帕=101.971毫米水柱），结合该测点高程，即可间接测出水位。用直径1mm的钢丝悬挂水压力计进行下放，放置深度在水面以下约3~4m处，保证水压力计始终在水面以下。水压力计线缆采用开槽套PVC管的形式布设，布设完成后对线缆槽进行回填。
地下水位、水压力计算公式：
地下水位、水压力监测采用水压力计监测水压力变化情况，通过自动化数据监测系统直接对原始数据进行处理，进而计算出水位变化情况。系统结合初始水位高程，得到各期水位值，如图7所示。
图7 水位值和水压力值变化折线图
八、结论
综上所言，自动化监测技术已经成为地铁深基坑施工必不可少的技术支持，这是由地铁工程的隐蔽性、复杂性、连续性、可变性等特点所决定的。操作系统实施过程中，通过Excel报表全自动导出并自动生成变化趋势图形，对自动化监测内容实现24h不间断数据传输，以此减少人力资源成本，使监测过程始终处于可知和可控状态。
地铁基坑工程采取自动化监测技术，使监测成为我们的“眼睛”指导施工，是确保地铁基坑安全的基本条件。因此，将自动化监测技术融合于地铁基坑工程施工，积极探讨该技术在工程实际中的运用和发展，使地铁基坑建设更加安全高效是必然的趋势。
参考文献
1.《深大基坑无线自动化监测系统的开发应用》作者：何宏盛、梁超、童立元
2.《远程自动连续监测系统在复杂地铁工程中的应用》作者：刘军、张飞进、高文学
3.《自动化监测系统在城市深基坑监测工程中的应用》作者：王鹏
4.《浅谈深基坑监测现状及新技术应用》作者：滕飞
论文作者:段俊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/2
标签：基坑论文; 水压论文; 地铁论文; 钢筋论文; 传感器论文; 测量论文; 数据采集论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;