高层建筑深基坑桩锚支护变形智能监测系统

高层建筑深基坑桩锚支护变形智能监测系统

陈振宇,黎圣章,盛杰

中建二局第一建筑工程有限公司

摘要：基坑施工工程的地质条件具有一定的复杂性与不确定性，如果不对现场环境进行有效监测，会造成施工数据不准确，影响基坑施工安全。因此，基坑工程施工监测系统对保证基坑稳定，以及周围土体和建筑物的安全具有重要意义。近年来，高层建筑项目逐步增多，此类项目具备基坑规模大、主体结构复杂的特点，给建筑项目施工带来了一定安全隐患。为保证高层建筑结构的稳定性以及施工过程的安全性，必须开展基坑变形监测和主体结构沉降观测工作，掌握建筑结构工程变化规律，找到引起变形、不均匀沉降的原因，为优化工程设计、调整施工方案、预防事故发生提供可靠依据。

关键词：高层建筑；深基坑桩锚；支护变形；智能监测系统

引言

近年来，建筑工程的建设力度逐渐加大，深基坑技术作为常用技术不仅有效提升了施工质量，也延长了工程的使用寿命。只有选择科学的施工工艺，明确具体的施工顺序，才能够达到预期的建设目标。深基坑施工工艺会受到施工组织顺序的影响，必须严格按照设计要求进行施工，将工程成本控制在合理的范围内，促进整体施工质量的提高，保证施工的安全性。本文以某基坑为例，进行相关分析。建筑高度38.838m，主体11栋，层高11+1，基坑最大深度5.4m。

1建筑工程中深基坑工程的主要特点

1.1深基坑工程的施工条件复杂

施工条件比较特殊是深基坑工程最为主要的特点，且需要长时间进行深处作业。在地质比较差的情况下实施基坑工程，很容易出现渗水问题，必须解决好渗水问题。在开展深基坑工程的过程中，基坑很容易出现坍塌等事故，对人员生命造成威胁。另外，还需要对周边环境情况进行分析和考虑，避免施工破坏周边的建筑。

1.2深基坑工程施工困难性较强

受到不同地质情况的影响，会增加深基坑工程施工的困难性，因此，在施工时必须针对性地检测地质条件。如果施工场地的地质比较松软，很容易造成基坑下沉，在施工中不断增大深度，将导致施工面临较大的困难性。

2高层建筑深基坑桩锚支护变形智能监测系统

2.1监测方法

基坑变形监测重点监测各测点坐标变化值、变形方向特征，监测基准点选为观测墩。（1）在待测基坑稳定处布设混凝土监测墩式基准点，共4个，分别为J1、J2、J3、J4，基准点布设强制对中底盘螺杆，以J1为控制起算点，形成边角控制网；选取远离待测基坑的固定目标作为定向检查点；为保证基准点稳定性，定期联测检验基准网。（2）在基坑支护顶部边缘处、周边建筑物埋设监测点，用于监测位移和沉降，采用冲击钻钻孔置入法埋设监测点；将全站仪安置到固定基准点上，测量监测点相对距离和角度，根据实测数据计算监测点坐标，采用矢量变形量计算方法。（3）待测点的平面坐标采用全站仪测量，获取待测点位移方向的变形数据；在监测点位移量为基坑边线垂直方向的坐标增量，累计位移量为单测位移量的总和；水平位移监测采用徕卡TS11全站仪；竖向位移监测采用徕卡DNA03电子水准仪。（4）在监测过程中，注意以下事项：基准点埋设后，待达到稳定状态才能开展监测，稳定期为15d；不允许在高温晴朗的烈日下使用全站仪测量，以免降低测量精度；在遇到基点附近开挖土方的情况下，需在每次测量前校正基准网；采用交汇法测量工作基点坐标，采用独立坐标系，坐标系中的一个方向与基坑轴线方向保持平衡；监测点坐标误差控制在±1.0mm以内。

2.2基坑观测技术

基坑观测技术是建筑深基坑施工中最为常用的技术，应用该技术施工人员可以观测基坑周边事物的变形情况，了解基坑施工的实际情况。在此基础上，结合实际情况，合理控制偏差，对深基坑施工加以调整，从而降低深基坑施工的困难程度。随着科学技术不断发展，深基坑支护观测技术更为多元化，应用范围也更广，可以结合实际情况合理选择基坑观测技术，发挥这些技术的优势，为施工顺利开展提供技术方面的支持。

2.33D扫描仪设计

与其他类型构件的变形监测不同，深基坑桩锚支护的形变无法通过直接测量的方式得到，为此，本文通过采集建筑的宏观变化量对建筑整体受力情况进行分析，再结合深基坑不同位置的桩锚支护结构分布情况个性化分析其应力，以支护结构自身属性为基础计算其形变。为此本文采用3D扫描仪实现对高层建筑整体外形数据的采集。考虑高层建筑的实体较大，选用MetraS-CAN3D扫描仪用于建筑的扫描。其外观规格为270mm×115mm×85mm，重量也仅为0.7kg，小巧便携的属性决定了其可通过无人机搭载的方式完成对建筑整体的扫描，大大降低了数据采集阶段的难度。在无贴点、非固定状态下可以实现即时启动，减少了预热过程的时间，对于反光表面可以实现无差别信息捕捉，建筑表面的玻璃等反光物质不会对采集结果造成干扰，为后期的监测工作奠定良好基础。其扫描范围为200～5000mm，光源类型为LED白光，因此不会在扫描过程中对建筑内的人员造成影响。平均扫描速率可以达到200万points/s，电池组的续航能力为10h，可以满足不同规模的扫描需求。同时内置的Ruler Wand Studio  Pro可以将扫描的数据实时传输到连接的设备中，允许连接设备中Geomagic Solutions、Poly works、CATIA、SolidWorks、Pro/ENGINEER、NX、Solid  Edge、Inventor、Alias、3dsMax、Maya、Softimage软件的访问请求，输出的格式可以按照使用需求设置为OBJ、PLY、STL、ASCII、Ruler3DCloud。

2.4深基坑桩锚支护结构应力分析

支护结构的变形是由于受力变化引起的，这种变化可以分为两方面，一是建筑本身自重的变化，二是深基坑地质承重能力的变化。并且这种变化的存在状态是非固定的，可以是一种单独存在，也可以是两种同时存在。为了明确不同因素对模型变化产生的影响，本文通过对二者进行赋权处理。首先，假设建筑本身自重的变化量为W，深基坑地质承重能力的变化为P，当二者共同作用时，此时通过3D图形处理单元扫描结果的变形状态进行分析，则存在

式中γ表示扫描结果与初始结果的差异；λ和μ分别表示建筑自重的影响系数以及地质承重能力的影响系数；e表示支护结构的稳态基数。通过对ST-M32Cube固件库中的每个聚类进行上述计算，得到λ和μ的阈值范围，并将其作为系统对支护变形计算的基础。

结语

总之，智能代替人工已经成为了一种主流趋势，利用先进的互联网技术，不仅可以降低建筑稳定性监测的成本开销，同时也可以大大提高监测工作开展的便利性。本文提出的高层建筑深基坑桩锚支护变形智能监测系统，实现了对支护结构变形情况的准确获取。在之后的研究中，可以加深对建筑信息采集方式的优化。

参考文献

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