基坑監測預警系統的設計與應用

徐彥鋒

【摘要】本章主要介紹預警系統設計的主要目標、架構、功能實現等內容，并就具體工程展示預警系統的實際應用效果。

【關鍵詞】基坑監測預警系統，預警，管理

1 系統設計的總目標

本系統建設的總目標是借助物聯網、數據倉庫和數字建模等信息技術，建設一個覆蓋范圍較廣泛的基坑安全監測預警系統。該預警系統將對所應用工程的基坑支護結構及周邊建筑物、管線位移等進行實時監控并將監測結果進行預警和報警，及時以短信的形式將報警結果發給相關建設方、安全監督機構和建設行政主管部門，并追蹤有關監測報警處理情況，使監測結果反饋更具時效性，以便及時采取相應措施，提高險情處理的效率，真正達到防災減災。

預警系統建設完成后，將大幅度提高地下工程和深基坑安全質量管理工作的效率和力度，從而實現安全質量管理從被動監控向主動監控、事后處理向事前預防的雙轉變，確保各責任主體（包括建設單位、承建單位、設計單位、監理單位、施工單位等）的安全質量行為切實可控，在地下工程和深基坑工程建設領域真正實現工程安全質量齊抓共管的局面。

2 系統架構設計

系統的架構旨在為目標和功能技術之間搭建起一座橋梁，好的架構可以有效的實現總目標的各項要求。根據本系統的總體目標要求，本系統的架構主要包含有：機構管理、監測管理、實時監控管理、監督管理、系統管理五個功能模塊和數據自動采集客戶端。

（1）機構管理：監測機構進行各自的機構信息、人員信息、設備信息登記；登記完成后，主管部門對各機構的機構信息、人員信息、設備信息查詢及行為管理，行為管理包括在線查詢、實時報警查詢、采集異常查詢、設備超期查詢與設備超期預警功能。

（2）監測管理：監測機構對監測的工程信息進行工程項目登記，包括監測方案上傳、測點信息登記；巡檢記錄登記、簡報登記；基坑地理位置查詢、原始數據查詢；工程報警及報警短信發送。

（3）實時監控：主管部門監控整體的基坑現行情況，可按安監站、監測時間進行查詢。主要內容有：安全狀態（當前狀態與歷史狀態）、工程名稱、工程地點、地理分布、監測情況及處理情況。

（4）監督管理：實現報警未處理、報警處理中、報告已處理三個狀態統計各工程數量，每個狀態進行分類統計，點擊可查看相關工程信息內容及監測情況。

（5）系統管理：實現各用戶體系的人員管理、權限管理等內容，包括監測項目配置管理、短信發送配置管理和常用下載。

（6）自動采集：監測儀器數據格式及端口傳輸模式的轉化，實現數據的自動抓取。

3 系統流程

本系統以工程安全管理為主線，由監測機構登記工程，通過監測設備進行數據的采集和上傳，系統對上傳的原始數據實時處理，運用數學模型和回歸分析、差異分析等數理方法對采集的各類監測數據進行數字化建模分析，形成各類變化曲線圖形，分析工程所處的安全狀態。根據報警功能，對問題工程進行追蹤處理，落實建設各方及監管部門的工作責任。具體業務流程如下圖：

圖2 系統總體業務流程圖

4 系統的主要功能

基于系統的建設目標、架構和業務流程，該系統所具備的主要功能如下：

表1 預警系統各業務功能模塊

業務功能模塊 功能描述

監測平臺 監測管理 1） 工程項目管理：工程概況、工程地理位置、監測方案；

2） 監測儀器自動采集數據端口改造；

3） 監測數據自動采集，實時傳輸；

4） 巡檢記錄填報、上傳現場照片；

數據分析 1） 對自動上傳的原始數據進行分析；

2） 自動生成變化曲線和各種圖表；

實時監控 1） 對在建工程的實時監督和控制；

2） 隨時抽查轄區內工程的實時狀況；

3） 隨時抽查轄區內巡檢記錄，實時掌握工程施工進度；

報警平臺 1） 超出規范值的數據進行報警，確定報警級別；

2） 依據報警的級別，自動匹配實時發送報警手機短信；

3） 自動彈出報警工程名稱及具體地理位置，實時記錄在案；

問題追蹤平臺 1） 記錄工程及報警問題；

2） 報警問題整改方案及落實措施；

3） 報警問題的追蹤處理；

4） 報警問題處理完結，解除警報；

行政監管平臺 1） 監測機構的行為管理；

2） 監測機構的能力和資質管理；

3） 監督各方責任主體的安全質量行為；

系統管理平臺 1） 安全監督機構管理：監督員管理、權限管理；

2） 監測機構管理：人員管理、設備管理；

3） 系統設置、數據備份、權限分配。

5 預警系統的應用工程實例

2013年4月，廣州市城鄉建委發布《關于啟用地下工程及深基坑安全監測信息管理系統的通知》（穗建質[2013]601號）”文件。截止到目前為止，全廣州市446個基坑工程納入該系統管理，全市30余家建設主管部門和安全監督機構、51家安全監測單位正在使用。

5.1 工程概況

擬建環球大廈項目位于廣州市越秀區德政南路西側，主體結構為框架剪力墻結構，主樓地上28層，地下4層（地下室埋深14.55m），建筑總高度99.60m。建筑基坑周長約270m，占地面積5098.5㎡，開挖深度15.25m，采用地下連續墻+三道鋼筋混凝土內支撐支護形式外加高壓旋噴樁止水。本基坑附近建筑物有幼兒園，多數為住宅民房，基坑安全等級為一級。

5. 2 監測項目

基坑支護結構監測項目：基坑頂部水平位移、基坑頂部沉降、支撐軸力、深層水平位移；

基坑周邊環境監測項目：地下水位、周邊建筑物沉降。

5.3 基坑預警情況

該工程于2013年3月初開始挖土施工，系統于7月8日2次自動發出報警短信，如下：

【廣州城建】監測報警通知：2013-07-8 15：00：10貿易大樓（環球大廈）后續工程/支撐軸力ZC5監測點支撐軸力為7888kN，超過控制值（6230kN），請現場予以確認并處理，預防事故發生。

【廣州城建】監測報警通知：2013-07-8 17：47：12貿易大樓（環球大廈）后續工程/支撐軸力ZC5監測點支撐軸力為8032kN，超過控制值（6230kN），請現場予以確認并處理，預防事故發生。

圖3 報警部位示意圖

5.4 報警原因分析及事故處理

（1）巡檢圖片

a.支撐梁上堆載 b.支撐梁貫通裂縫解剖

圖4 現場巡檢記錄圖片

（2）報警原因分析

7月9日，政府主管部門、相關專家及有關單位趕赴現場，對本次事故原因達成以下共識：

a.首層支撐的腰梁未能閉合，使本來受平面應力的基坑側壁的受力狀況變得復雜化；

b.基坑場地受限，基坑邊堆載大量鋼管、木方等施工材料。

c.因場地狹小原因，施工單位預留基坑中部作為出土平臺，致使ZC5旁邊的兩道支撐未能及時澆筑，ZC5幾乎承擔了近40米長度范圍的側向壓力。

d.施工單位為打開出土車進出通道， ZC5下對應位置的支撐未能及時澆筑，超挖近3米。

e.報警期間正值廣州雨季，開挖深度處土體為松軟的粉土，經雨水浸泡土體強度大幅下降，致使開挖面以下基坑內的土體抵抗變形的能力進一步減弱，加大了ZC5的受荷。

（3）報警事故處理

經與會專家討論、設計單位復核并結合施工現場情況，本次報警需采取的處理措施如下：

a.加快澆筑完成第一道支撐系統的閉合工作，使該支撐系統形成完整的受力體系。

b.嚴格按照報審的施工方案施工，嚴禁搶挖、超挖現象。

c.現場基坑內土體回填反壓，并壓實。

d.施工單位做好應急救援準備，現場備設鋼支撐及相應應急人員。

e.業主重新組織施工單位搭建臨時施工平臺，解決出土通道問題，不能以開辟出土通道來犧牲支撐的及時澆筑。

f.監測單位加大監測頻率，直至數據穩定。

6 結語

本文針對傳統監測技術方面的不足，從監測技術和管理手段兩方面著手改進，通過開發數據采集客戶端作為輔助程序，實現了數據的自動采集并直接傳輸至監測系統進行數據運算、分析，保證了采集數據的真實性；通過創新一系列管理方法和手段，實現了數據信息的高速傳遞，使基坑安全監測監管行為由過去的被動監管向主動監管，事后處理向事前預防和過程控制的雙轉變。

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