一、任务来源
本项目属于自主研发项目。项目依托山东滨州北海新区软土地区某基坑、山东德州禹城某基坑项目进行研究分析，探寻了软土地区深基坑监测关键技术。
二、应用领域和技术原理
应用领域：本技术主要应用于软土地区的基坑监测领域。对非软土地区的基坑监测也具有很强的指导借鉴意义。
技术原理：
1.水平位移监测关键技术
该技术以徕卡公司TS30测量机器人为研究依托对象，以变形监测理论和数据库技术为基础，通过Visual C++编程语言及徕卡 GeoCOM 开发平台开发了一套自动化变形监测系统：大数据在线安全监测系统。在时间、精度方面相对于传统人工数据采集方式有了较大的提高，改善了现场作业人员的作业环境。基于未来监测手段自动化、智能化的发展趋势，本系统有着良好的应用前景。
自动化变形监测系统主要由软件(监测系统、数据库平台)、硬件(测量机器人)以及监测点等各部分组成(如图1所示)。
图1 自动化变形监测系统构成
2.沉降监测关键技术
软土地区基坑沉降监测主要包括周边环境（建筑物、管线、道路）沉降，基坑支护结构（支护桩）的沉降等。相比较而言，支护桩由于入土较深，沉降相对较小。但处于地面的一些浅基础建筑物，浅埋管线，道路则容易受基坑降水的影响产生附加沉降，从而产生破坏导致无法正常使用。由于在软土地区，软土自身会由于固结作用产生沉降。所以如何准确计算出软土固结沉降和受基坑降水影响的附加沉降，从而避免构筑物所属单位引发不必要的争端是软土地区基坑监测的一个重要工作内容。
针对以上问题，本课题研究小组采用一种动态比较理论确定软土地区周边环境实际沉降量。通过同时测量监测点和参考监测点的沉降量，采用监测数据和改正数同步更新的理论，有效的区分了软土地区自身固结沉降和基坑降水引起的附加沉降变形量。同时，在处理原始沉降观测数据时引入了变异系数以及统计修正系数的修正。由于变异系数考虑了测量尺度和量纲的影响，以及数据计算、公式表达等由于理想和现实、现实和调查等产生偏差的影响，从而可以使数据更加真实，准确。同时，课题小组提出了沉降梯度的概念以及简单应用；基坑工程中，降水对周围环境的影响是由近及远逐渐减小的，单纯的考虑沉降量的绝对值不能全面反映建筑物的受影响程度，通过沉降梯度的提出，能够更具体、形象的描述该影响程度。
3.支护桩变形值确定关键技术
基坑监测过程中，对变形值的确定是事关基坑监测安全的一项重要步骤。对于安全等级较高、地质环境较差的深基坑、超深基坑比较常用的支护形式有支护桩加内支撑的组合，或者支护桩加锚索的组合。无论采用那种组合，控制支护桩的变形都是十分必要的。在现场实际监测支护桩变形的过程中，可采用不同的方法测量支护桩的变形情况。例如可采用：①支护桩桩顶水平位移监测；②支护桩深层水平位移监测；③支护桩内力监测等。且每一种监测方法都有自己的预警标准数值。这样就产生了一个问题，如果采用前述的①、②、③方法同时测量支护桩变形时，某一项或者两项已经报警，而其余的两项或者一项没有报警，那对于这一根支护桩而言，它的安全状况究竟如何界定，安全还是不安全？有没有发生破坏的危险？施工单位需不需要采取一些应急预案？这个时候我们不能仅仅看一项或者两项的监测数值就下结论，而是应该统筹综合分析。针对以上问题，课题小组研究出一种采用综合理论确定基坑支护桩变形值的方法。该方法具体的操作步骤如下：
测量钢筋应力计在待测支护桩的若干个监测点位置处的受力值，将若干个监测点位置处的受力值通过公式转换为对应监测点的第一位移值。测量测斜管在待测支护桩的若干个监测点位置处的第二位移值，同时，根据第一位移值和第二位移值，确定图形修正系数。根据图形修正系数和第一位移值，得到改正后的由钢筋应力计的受力值计算的位移变形值。获取全站仪测量的桩顶水平位移绝对值；根据桩顶水平位移绝对值和桩底的第二位移值，确定绝对值修正系数；根据位移变形值和绝对值修正系数，确定支护桩最终变形量。
4.变形值预测关键技术
基坑监测是基坑工程施工中的一个重要环节，如何科学、准确地预测形变的发展趋势是基坑监测的一项重要内容。本案例将探讨分析通过采用灰色GM（1，1）模型，对各个监测项目进行预测，从而将更好的为基坑施工提供安全保障。
本课题小组选取支护桩桩顶位移、支护桩深层水平位移、周边铁路沉降、周边地表沉降、支护桩内力、支撑内力、立柱沉降、地下水位变化等监测项目的监测值进行预测分析，将前期的采集数据按时间的先后顺序进行排列作为原始的数据序列，并通过生成算法对原始序列做新数列生成，跟生成的新数列建立的动态微分方程将对未来某一期或者某几期的数据进行预测。
在确定样本数据后，由于量纲的不同对每一项监测项目的实测数据利用 Matlab 平台搭建不同的灰色 GM 模型，在此过程中由于原始数据的离散性不同和线性、非线性趋势的不同，在利用数据序列生成时的生成手段也不同。如对线性关系较为强烈的支护桩桩顶水平位移采用累加或累减的生成算子，而对于像地下水位变化和钢支撑轴力这样的非线性的特征明显的监测项目，采用级比算子和均值算子等序列算子生成手段。通过建立针对不同监测项目的一系列灰色GM 模型，根据监测项实测数据，利用搭建好的 GM 模型，对实测值进行系列处理，计算出最终的预测结果值
5.监测数据管理关键技术
基坑工程施工面积大，参与人员多、数据信息量大，传统的施工监测方式主要依靠 CAD 图纸和人工定期操作仪器采集数据反映工程运行状况。数据处理和存储模式较原始。一般是数据存储在Word或者Excel中，采用人工计算监测数值平差完成后和预警值进行比较，得出基坑安全与否的结论。传统方法模式工作信息化水平低，不能及时获取监测点的实时状态，不利于施工的安全管理。这种监测模式下的数据收集、处理、分析以及最终的预警结果较分散，极易产生数据错误和预警遗漏。本研究课题采用智能数据库管理系统：工程安全风险评估与监控管理信息系统。工程安全风险评估与监控管信息系统是一套基于互联网，针对基坑工程的自动化信息监控管理系统，可以应用于基坑工程监测管理、监测数据统计分析、监测成果展示等。该系统利用数据采集、网络、视频、数据库等信息技术，以监测行业规范资料为基础，覆盖基坑工程项目的规划、设计、施工、监理、监测和运营维护的整个过程，集数据采集、汇总分析、预测报警、流程管理、应急指挥于一体，协助工程建设各方对风险及时预测、预警、分析和消除，从而提高工程施工的安全状况，有效降低和消除安全风险。
三、性能指标
1.水平位移监测关键技术：基于徕卡TS30测量机器人的全自动水平位移监测系统，在时间、精度方面相对于传统人工数据采集方式有了较大的提高，改善了现场作业人员的作业环境。利用不同气象环境下获取的测距数据，采用测距内符合精度验证测距精度，以及利用不同观测时段获取的角度观测数据进行T检验以及F检验，以上检验可用于检验观测数据的平均值以及方差显著性差异。试验结果表明：全自动监测模式比人工模式具有更高的精度。
2.沉降监测关键技术：能有效区分不同原因引起的沉降值。可计算沉降坡度，能更具体的反映降水对基坑随距离远近的影响。
3.支护桩变形值确定关键技术：提高了确定支护桩安全结论的准确性，为支护桩安全与否的判断提供了新的标准。将支护桩的受力转换为更直接具体的位移量的形式，实现了由不同标准的监测方法放到统一标准下进行比较，保证了判断支护桩安全与否的全面性和准确性。
4.变形值预测关键技术：能有效的预测未来某天或者某几天的变形量，可做到动态预测。
5.监测数据管理关键技术：系统界面含数据分析、工程信息、测点布置图、安全评估、视频监控、文档上传下载、企业通讯录、发送短信、人员考核等基本功能；系统带现场挖土工况的图表，并可结合基坑工程的工况记录图表（基坑工况平面图、总剖面图、监测布点图、每天土方开挖记录表、每天现场巡检记录表、监测分析表），各参建单位每日上传工况信息中的相关信息后，系统平台能自动显示更新生成图表；对于挖土工况，应能生成三维的图形；能够将盾构机的掘进参数连接到信息平台。信息系统满足每日更新安全评估、工况信息（基坑工况平面图、总剖面图、监测布点图、每天土方开挖记录表、每天现场巡检记录表、监测分析表）信息、监测安全评估；登陆人员可以对文档和信息内容进行回复交流；信息平台具有预警显示功能。
四、与国内同类技术比较
通过国内外学者的研究发现，对于基坑水平位移变形的研究，大部分研究都针对的是变形的形状以及变形所处的位置，而对于如何获取变形值并无太深入、细致的研究。对变形值的获取属于工程测量的范畴，在现场监测过程中只有准确的获取基坑的变形值才能有效的分析变形与受力、变形与支护结构形式、变形与基坑开挖深度之间的关系。
1.对于沉降的研究，大部分学者研究的都是地表沉降影响的范围、产生沉降的原因等，而对于如何区分不同原因产生的沉降并且以量的形式体现出来则无细致的研究。
2.对于支护桩，大部分学者研究的是支撑的安装问题，以及模拟值与实测值之间的数据吻合问题。而由于基坑支护桩变形可通过不同的监测项目来进行反映，就一根支护桩而言，单一的通过测量力的变化并不能全面、准确的反映期实际的变形，对于如何准确的确定某根支护桩的变形则研究较少。
3.对于变形值的预测，大部分学者都是采用线性理论进行简单预测，数据处理也较简单。
五、成果创新性
1.采用了国际最先进的徕卡TS30测量机器人全自动、全天候监测基坑变形及铁路变形。该方法可将测量机器人架设在立柱或者承重墙处，从而可避免传统的测量模式下监测人员因场地狭小而无法立脚观测的难题。同时，由于该方法实时上传监测数据，在数据处理平台可自行设置采集时间、预警标准，从而使得基坑监测水平位移测量的监测范围加大，监测精度提高。
2.采用了新的理论，确定了一种沉降变形值的确定的方法。鉴于软土地区欠固结土自身沉降和基坑降水引起的有效应力增加产生的附加沉降同时进行，课题小组的新的理论方法能够有效的区分这两种沉降，从而避免不必要的争端。
3.采用了新的理论，确定了一种基坑支护桩变形值的新方法。众所周知，支护桩对基坑的安全性起着决定性的作用，因此，支护桩的变形值须准确无误。现有的方法采取用不同的监测项目来确定一根支护桩的变形情况，每一种监测项目都有自己的预警标准，这样就会产生预警混乱和应急浪费。新的理论可有效的避免这种情况。
4.采用了新的数学理论方法来预测变形。本课题小组成员经过分析比较采用了灰色理论，以灰色理论为数学基础对基坑变形做出预测。经过工地现场试验，效果良好。
5.采用了全新的数据信息管理平台。传统的监测模式下，数据一般以Word或者Excel进行存储，手动分析。测量间隔以及预警提示均需手动算出，费时费力且容易产生数据混乱和预警遗漏。在采用了智能化的管理平台后可以实现数据分类管理，预警自动发出，各个监测分项科学管控，从而能够提高监测效率。
六、本项目研究意义
深基坑工程一般多为临时工程，目前大型深基坑工程附近有很多密集的城市建筑群、道路设施、地下管线、学校、医院等。城市周边环境复杂情况下的深基坑施工，如果在设计前期控制标准不合理或者施工过程中处理不当，都将导致基坑及周边施工出现安全问题，酿成巨大损失。针对基坑各种事故问题，如果能在基坑失事之前利用现场监测数据分析基坑的异常情况，排查危险源并及时采取对应措施，将更好地保障基坑和周边建筑物的安全；如果可以利用前期监测数据准确地预测未来某阶段基坑的发展情况，准确地预测基坑工程的变形，则对于基坑安全就能提前掌握并能实现动态评估基坑工程进展对周边建筑物的影响，从而避免造成人民生命和财产损失。为了确保深基坑工程的安全，同时加强对于深基坑事故发展的机理研究，学术界和工程界加强了对基坑工程的监测工作，并开展了一系列基于基坑现场监测数据的预测和安全性研究。研究发现，基坑监测数据背后反映的是基坑受力和变形等物理意义的数字展现，监测数据的深入挖掘有利于掌握基坑发展状态和有利于开展安全评价，对基坑的前期设计及后期施工的动态纠偏具有重要意义。监测数据是一个复杂的多因素系统作用的数字展现，其中包含了某些并不能明确表现的基坑发展机理信息，如果能从监测技术上对基坑变形和发展信息做出规律性的总结并加以利用，就能避免基坑静态设计带来的偏差和弊端，减少基坑事故造成的损失。
综上所述，现场监测结果对基坑的发展变化提供了客观数据，为后续的动态预测提供了前期的真实信息有利于掌控基坑的未来短、中期变化动向，有助于对基坑事故的发生进行预警研究，避免造成人和物的损失。
针对以上出现的问题，开展基坑监测关键技术的探讨及研究是十分有必要的。首先，它能够帮助工程管理者及时了解基坑的变形和沉降情况，预防和减少工程事故的发生。其次，监测结果能够为设计人员提供有价值的数据，以优化设计方案并确保工程的安全性和稳定性。此外，监测数据还可以为日后类似工程提供参考，提高施工质量和效率。基坑工程监测工作对于确保工程质量和安全至关重要。通过监测可以准确了解基坑的变形、沉降和应力变化等情况，为工程管理者和设计人员提供必要的数据并指导工程的优化和改进。各种监测方法和工具被广泛应用于基坑工程监测中，帮助人们更好地应对基坑工程的挑战。随着技术的不断发展，基坑工程监测将在未来发挥更加重要的作用，为建筑施工行业的发展做出更大的贡献。

一、推广应用的范围
本技术适用于基坑监测领域。对规模为深基坑、超深基坑的场地均可以利用该技术进行监测。从场地地质条件上来说，软土地区、饱和土地区、地下水位较浅的沿海冲积地区，周边环境复杂的场区均可应用。本技术工艺能较好的解决监测数据获取困难，变形原因模糊不清，变形值预测不准确，数据管理混乱等问题。
二、应用条件和应用前景
1.应用条件：对深基坑、超深基坑采用支护桩支护。
2.应用前景：随着近几年国家建设的加快，深基坑工程迅速发展。深基坑已经成为关乎国计民生的大问题。针对基坑各种事故问题，如果能在基坑失事之前利用现场监测数据分析基坑的异常情况，排查危险源并及时采取对应措施，从而将更好地保障基坑和周边建筑物的安全。同时，如果可以利用前期监测数据准确地预测未来某阶段基坑的发展情况，准确地预测基坑工程的变形，则对于基坑安全就能提前掌握。通过本文所述的五项基坑监测关键技术可以达到理想的监测效果。故本技术应用前景良好。
三、存在的问题和改进意见
基坑监测属于多学科结合的领域。同时鉴于深基坑工程研究具有综合性、整体性的特点，涉及岩土工程、结构工程、水文地质、工程地质、工程测量等多个学科领域。影响深基坑安全稳定的因素包括整体强度、稳定性、变形量、渗流、时空和环境效应等。此外，基坑工程还具有明显的地域性和独特性，不同地区不同项目的地质条件和施工技术差异很大，因而对于深基坑监测还有很多的问题需要解决。如何更加全面、更有针对性的对基坑进行监测，更加自动化的监测，从而减小人为误差的影响仍然是基坑监测需要急需解决的问题。本课题的研究对基坑工程来说仍然只是沧海一粟，下一步我们会继续改进基坑的监测工艺及方法模式，争取将监测技术提升到一个更高的层次。