基坑、边坡检测_【CMA/CNAS认证】_中科光析科学技术研究所

基坑与边坡工程监测技术体系研究

摘要： 基坑与边坡工程的安全稳定性直接关系到工程自身及周边环境的安全，系统化、精准化的监测是进行动态设计与信息化施工的核心依据。本文系统阐述了基坑与边坡工程监测的关键项目、方法原理、应用范围、标准规范及仪器设备，旨在构建一套完整的技术实施体系。

1. 检测项目与方法原理

监测项目需根据工程安全等级、地质条件、支护结构类型及周边环境敏感度综合确定，核心在于捕捉岩土体与支护结构的力学状态及变形演变。

1.1 变形监测

表面位移监测：
- 方法： 大地测量法、测斜法（用于深层水平位移）、沉降测量法。
- 原理： 利用全站仪、水准仪、GNSS接收机等，通过测量设置在监测对象上的标志点（监测点）的绝对或相对三维坐标变化，计算其水平位移与沉降。深层水平位移则通过测量埋设在土体或支护结构中的测斜管轴线与铅垂线的夹角变化，经积分计算不同深度处的水平位移。
深层水平位移监测（测斜）：
- 方法： 活动式测斜仪法、固定式测斜仪法。
- 原理： 在钻孔或支护结构中埋设带有导向槽的测斜管，通过测斜仪探头沿导向槽逐段测量其与重力方向的夹角偏差，通过数值积分得到沿深度方向的水平位移曲线，是判断潜在滑动面位置和变形大小的关键手段。
竖向位移（沉降/隆起）监测：
- 方法： 几何水准测量、静力水准自动化监测。
- 原理： 几何水准通过建立高精度高程基准网，周期测量监测点的高程变化。静力水准系统则利用连通管原理，通过测量各测点容器内液面的相对高差变化，实现自动化、高频率的沉降监测，尤其适用于对差异沉降敏感的区域。
支护结构变形监测：
- 方法： 倾斜监测、挠度监测。
- 原理： 在围护桩（墙）、冠梁、支撑等结构上安装测斜管或倾角计，测量其在不同深度或位置的倾斜角度，进而计算挠曲变形。也可通过布设位移计直接测量支撑轴力变化引起的压缩或拔伸变形。

1.2 应力应变监测

土压力监测：
- 方法： 采用土压力盒进行测量。
- 原理： 将压力传感器（土压力盒）埋设于土体与支护结构接触面或土体内部，感知土体传递的压力并将其转换为电信号输出，从而直接测量主动、被动或静止土压力的大小及分布。
支护结构内力监测：
- 方法： 钢筋计、混凝土应变计、轴力计（用于支撑）。
- 原理： 钢筋计通过测量钢筋的应变变化（通常基于振弦式或电阻应变式原理），结合材料力学参数计算钢筋应力。混凝土应变计直接测量混凝土的应变。轴力计通常安装在钢支撑或混凝土支撑端部，直接测量支撑轴力，判断其是否处于设计允许范围。
孔隙水压力监测：
- 方法： 采用孔隙水压力计（渗压计）进行测量。
- 原理： 将传感器探头埋设于饱和土体中，通过透水石与孔隙水连通，测量孔隙水的压力，用于分析土体有效应力、判断降水效果、预警渗流破坏和管涌等风险。

1.3 周边环境监测

邻近建（构）筑物监测： 包括沉降、倾斜、裂缝观测。采用水准仪、全站仪、裂缝观测仪等进行。倾斜监测可通过倾角传感器或测量顶部与底部的相对位移实现。
地下管线监测： 主要通过埋设于管线附近的沉降标，采用水准测量方法监测其竖向位移。对于重要管线，可设置直接安装在管线上的传感器。
地表裂缝监测： 使用裂缝计、伸缩仪或定期进行宽度、长度的高精度人工观测与记录。
地下水位监测： 通过埋设水位管，采用水位计进行人工或自动化测量，监控坑内外水位变化，评估止水帷幕效果及降水影响。

1.4 其他专项监测

锚杆/土钉拉力监测： 在锚头或杆体上安装荷载计或压力传感器，直接监测预应力的变化与损失。
巡视检查： 虽非仪器监测，但至关重要。定期对基坑边坡的支护结构、坡面、周边地面、建筑物进行目视检查，记录裂缝、渗漏、鼓胀、剥落等异常现象。

2. 检测范围与应用领域

监测需求广泛存在于各类岩土工程活动中：

建筑工程领域： 高层建筑深基坑、地下车库、地下商场等开挖工程。
交通工程领域： 公路/铁路路堑高边坡、隧道进出口边坡、地铁车站及区间明挖基坑、桥梁墩台基坑。
水利水电工程领域： 水库库岸边坡、坝肩边坡、渠道边坡、船闸基坑。
市政公用工程领域： 大型管道沟槽、泵站基坑、污水处理厂深基坑。
矿山工程领域： 露天矿边坡、排土场边坡的稳定性长期监测。
地质灾害防治领域： 自然边坡、滑坡体的稳定性监测与预警。

3. 检测标准与规范

监测工作须严格遵循国家、行业及地方标准规范，确保数据的可靠性、准确性和法律效力。

国内主要标准：

国家标准：
- 《建筑基坑工程监测技术标准》GB 50497
- 《建筑边坡工程鉴定与加固技术规范》GB 50843
- 《工程测量规范》GB 50026
- 《建筑变形测量规范》JGJ 8
行业标准：
- 《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120（含监测要求）
- 《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T 0219
- 《公路边坡养护技术规范》JTG/T 5332（含监测内容）
地方标准： 各省市常结合本地地质特点，发布更为具体的地方性基坑与边坡监测技术规程。

国际参考标准：

国际标准化组织（ISO）： ISO 18674系列《岩土工程监测》标准。
美国材料与试验协会（ASTM）： 如ASTM D7299《采用测斜仪监测竖向钻孔中深层水平位移的标准指南》等。
欧洲标准（EN）： 相关岩土工程设计规范（如Eurocode 7）中对监测有原则性要求。

4. 主要检测仪器设备

现代监测依赖于高精度的仪器设备，根据功能主要分为以下几类：

4.1 变形监测仪器

全站仪： 用于监测点的三维坐标测量，实现水平位移和沉降的集成监测。自动化全站仪（测量机器人）可实现无人值守、自动跟踪监测。
水准仪（数字/精密）： 用于高精度的高程测量，是沉降监测的传统核心设备。
GNSS接收机： 通过接收卫星信号，提供监测点的绝对三维坐标，适用于大范围、开阔区域的表面位移自动化监测。
测斜仪： 分为活动式和固定式。活动式测斜仪由探头、电缆、读数仪组成，需人工操作。固定式测斜仪将传感器串固定于测斜管内，实现实时自动化监测。
静力水准仪： 由一系列通过管路连通的液罐和液位传感器组成，用于高精度、自动化的相对沉降监测，尤其适用于建筑内部或基准点不稳定的情况。
裂缝计/位移计： 用于测量结构裂缝宽度或两点间相对位移的变化，有振弦式、电位计式等多种类型。

4.2 力学监测仪器

土压力盒： 有振弦式、电阻应变式等，需根据埋设介质（土/混凝土）选择界面类型。
钢筋计/混凝土应变计： 振弦式传感器因其稳定性好、抗干扰能力强而广泛应用，通过测量钢弦振动频率变化换算应变。
轴力计： 通常为振弦式或液压式，专门设计用于测量支撑轴向力。
锚杆测力计/荷载传感器： 安装于锚具下方，直接测量锚杆或土钉的拉力。

4.3 地下水监测仪器

孔隙水压力计（渗压计）： 振弦式最为常见，输出频率信号，长期稳定性好。
水位计： 有投入式压力水位计、雷达水位计、电测水位计等，用于监测水位管或钻孔中的地下水位。

4.4 数据采集与传输系统

数据采集仪： 用于集中采集各类型传感器的模拟或数字信号，并进行初步处理与存储。
无线传输模块： 基于GPRS/4G/5G、LoRa、NB-IoT等技术，将现场数据远程传输至监控中心。
监测管理软件平台： 用于数据接收、存储、处理、分析、可视化展示、预警发布及报告生成，是实现信息化施工与智能化监控的大脑。

结语
基坑与边坡工程监测是一个多参数、多层次、全过程的系统工程。科学选择监测项目与方法，合理布设监测点位，严格依据规范标准操作，并依托先进的仪器设备与数据系统，才能构建有效的安全预警体系，从而为工程安全、优化设计、保护环境提供不可替代的技术保障。随着传感技术、物联网及人工智能的发展，监测正朝着实时化、自动化、智能化的方向不断演进。