軌道交通深基坑施工實時監測及預警系統研究

王曼 步樂樂 冷志鵬 朱立偉

摘 要：文中為城市軌道交通深基坑科學監測及預警管理提供了設計支持，建立了基于自動化實時監測系統的深基坑監測體系，通過應用現代傳感、通信和網絡等信息化技術，實現了一個集中式在線監測綜合管理平臺。該平臺具有多項目深基坑在線監測、數據信息處理及安全預警等功能，可幫助管理部門科學評估深基坑的狀態及其發展演化趨勢，在基坑接近危險狀態時及時預警，從而降低深基坑發生安全事故的風險。

關鍵詞：城市軌道交通;深基坑;實時監測;安全評估;預警系統;信息化技術

中圖分類號：TP393;U231.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

城市空間資源不足限制了城市的建設和發展，城市地下空間的開發與利用在城市建設和發展中發揮著越來越重要的作用[1]。軌道交通作為一種高效便捷、安全舒適的交通工具，極大地緩解了城市公共交通壓力，促進了社會和經濟發展。隨著地鐵線路不斷增多，深基坑也在向超深、超大方向發展。近年來，在城市建設過程中會出現管線改移、管線被挖損等事故，造成巨大的經濟損失[2]，由深基坑施工所造成的基坑坍塌、建（構）筑物傾斜或開裂、道路沉陷、管線爆裂等事故屢有發生，造成了不良的社會影響。因此，保證深基坑施工安全是目前亟需解決的難題之一。

深基坑施工實時監測及預警系統面向一個區域多項目基坑對象，應用現代傳感、通信和網絡等信息化技術，實現集基坑結構監測、數據分析處理、預警評估等功能于一體的集中式在線監測綜合管理平臺[3]，同時結合數據挖掘技術及時掌握深基坑變形演化趨勢，方便建設單位提前采取措施，避免事故發生。

1 系統總體功能概述

本系統實現重點基坑集中式在線監測管理，系統以統一標準化的方式進行總體規劃，由底層的分布式基坑現場監測系統，中層的共享式數據遠程傳輸網絡以及上層的集中式基坑監測管理中心組成。

基坑監測系統組成如圖1所示。其中分布式基坑現場監測系統是區域級基坑集群監測平臺基礎支撐系統。底層的基坑現場信息感知層由自動化在線監測子系統與電子化人工巡檢子系統組成。自動化在線監測子系統由數據采集模塊、現場傳輸模塊組成。其中，數據采集模塊主要由分布在基坑現場的數據采集工作站中的各類采集設備組成，主要功能是數據采集，并按照監測信號種類進行數據轉換、預處理、獲取目標監測量。現場傳輸模塊將經過采集模塊獲得的數字信號集中匯聚，調制成為可供遠程傳輸的信號，并通過現場光纖環網傳輸到基坑現場工作站。電子化人工巡檢子系統由基坑監測人員利用PDA設備進行巡檢數據及人工監測數據的錄入，并對日常巡檢管理、巡檢任務的執行情況進行有效監控。

中層的共享式數據遠程傳輸網絡是聯系底層分布式基坑現場監測系統與上層基坑監測管理中心的通道。遠程傳輸網絡包含基坑公共資源網絡，如電信、移動、聯通的寬帶光纖網絡及4G/5G無線網絡。

上層基坑監測管理中心主要由結構安全預警與綜合評估子系統、監測數據挖掘及預測子系統、中心數據庫子系統、用戶界面子系統組成，主要功能是完成對基坑的預警與安全評估等，并通過Web應用提供給用戶如監測、巡檢、預警等信息。

2 分布式基坑現場信息感知層設計

2.1 自動化在線監測子系統

基坑監測系統能否對基坑結構的安全狀態做出準確客觀的評估，取決于數據采集系統能否及時采集到真實反映結構狀態的特征信息。監測系統方案中傳感器系統的類型和規模確定后，便立即著手解決傳感信號的自動采集、可靠轉換和傳輸等問題。數據采集與傳輸子系統由分布在基坑現場的數據采集工作站和傳輸網絡構成，即基坑數據采集中心。對每個項目分別設置一個數據采集中心，各數據采集中心通過無線網絡將數據傳輸到基坑管理數據中心。

數據處理與控制模塊負責對以上兩個模塊采集的數據進行處理，并提交給后續各子系統使用[4]，同時對數據采集與傳輸模塊的工作進行操作控制。數據處理與控制模塊實現功能如下：

（1）數據采集、傳輸的設置和控制;

（2）將傳感器信號轉換為目標測試量;

（3）評估數據質量，剔除異常值，抽取優良數據，判斷傳感器和數據采集板卡工作狀態，如有異常及時報警;

（4）根據需要對數據進行濾波和重采樣，提高數據信噪比，降低數據量;

（5）根據需要進行相應的數據分析、提取和變換，包括計算和提取各類特征量，進行數據統計分析、數據對比分析、數據圖形分析、時域變換、頻域變換、時頻變換等;

（6）向自動化在線監測子系統提交所需數據。

同時，本系統還為現場供電進行了防雷電設計，將絕大部分電流直接引入地下泄散，防止沿電源線或者數據、信號線引入的過電壓波危害設備（內部保護及過電壓保護），限制被保護設備的浪涌過電壓幅值（多電壓保護）[5-6]。

自動化在線監測子系統中的監測項目包括環境荷載、基坑結構關鍵位置內力等參數，具體見表1所列。

2.2 電子化人工巡檢子系統

對基坑進行全面監測不僅要依靠自動化數據采集子系統，還要建立人工巡檢管理子系統。電子化人工巡檢子系統包括電子化巡檢管理軟件和現場巡檢軟件，其中現場巡檢軟件的主要功能是對基坑施工過程中發現的問題進行現場記錄;電子化巡檢養護管理軟件主要管理基坑損傷信息、結構狀態評估、預測分析、運行狀態等。系統應具備以下功能：

（1）及時記錄基坑現場巡視及人工監測的內容、手段、檢查表格、時間間隔等;

（2）對巡檢項目實現電子化，制定巡檢計劃和任務，并按照規范提供人工巡檢內容電子化表格，規范巡檢，實現巡檢信息自動上傳[7-8];

（3）制訂基坑的巡檢養護手冊與養護指導意見，對巡檢數據、巡檢任務的執行情況進行有效管理。

3 基坑遠程傳輸網絡層設計

建設區域范圍的監測系統，搭建合適的數據遠程傳輸網絡，由現場局域網模塊與城市主干網絡連接，完成數據從基坑現場采集工作站到基坑監測管理中心的遠程傳輸。本項目擬建的監測物聯網系統數據遠程傳輸網絡拓撲結構如圖2所示。

4 上層集中式基坑監測管理中心

4.1 結構安全預警與綜合評估子系統

結構安全預警與綜合評估子系統分為結構安全預警模塊和綜合評估模塊。

結構安全預警模塊的主要作用是對基坑出現的危險狀態進行藍色、黃色、橙色、紅色分級預警。首先，描述基坑的主要危險狀態，建立危險狀態信息庫;其次，對基坑的主要危險狀態進行識別;最后，根據不同的危險狀態和預警級別給出相應的應急預案，并以最快的方式通知基坑建設單位。

結構綜合評估模塊主要功能包括結合人工巡檢信息和自動采集數據對基坑的整體工作狀態進行評估，在線生成快速評估報告，定期生成離線綜合評估報告，并根據評估結果給出相應的基坑施工建議。

4.2 監測數據挖掘及預測子系統

監測數據挖掘及預測子系統須對監測數據進行數據挖掘。目前數據挖掘的主要方法包括神經網絡方法、遺傳算法、決策樹方法、粗集方法、統計分析方法以及模糊集方法[9]。

基坑監測數據挖掘流程如圖3所示。

數據挖掘的步驟如下：

（1）在數據準備階段確定挖掘目標，完成數據選擇和采樣工作;

（2）在實施階段對數據進行預處理，將數據轉換為指標，形成模式和模型;

（3）在數據挖掘驗證階段，通過數據驗證挖掘得到內容的可靠性與適用性[10]。

在確定數據挖掘目標之后，首先需要尋找各監測累計變形與變形速率的概率分布特征，然后探尋基坑狀態與監測數據之間的關系，進而探討基坑施工規范程度、保護等級與監測數據指標間的關系。通過以上研究，給出考慮實際風險的安全警戒值。

4.3 中心數據庫子系統

中心數據庫子系統實現基坑監測管理中心所有數據的平臺管理工作，完成數據的歸檔、查詢、存儲等。通過建立該子系統，可統一管理與組織數據信息，不僅可為系統的維護與管理提供便利，也可為各應用子系統提供可靠的分布式數據交換與存儲平臺，方便開發與使用[11]。

中心數據庫子系統劃分為系統管理、系統配置、數據管理、預警評估管理共計四個模塊，具體功能要求如下：

（1）具有良好的可擴展性、通用性強;

（2）能夠查看基坑預警記錄并及時管理，提供巡檢數據評估、監測數據評估和綜合評估報告，具有信息查詢、導出和打印功能;

（3）具有用戶權限管理功能，系統管理員對系統功能點進行授權訪問，防止非法用戶獲取數據;

（4）監控整個系統的運行狀態，方便用戶定位系統故障位置，及時對系統進行維護;

（5）系統能夠對基坑基本信息、構件結構信息、自動化設備信息、預警配置信息以及評估參數配置信息等進行必要的增、刪、查、改操作，使用戶能夠全面了解系統，使軟件系統具有可定義配置能力，增強系統的通用性。

4.4 用戶界面子系統設計

用戶界面子系統劃分為六個模塊，各模塊的功能描述及對應功能點見表2所列。系統首頁監測與預警界面如圖4所示。

5 結 語

本文根據軌道交通深基坑的監測需求設計了施工實時監測及預警系統，并對系統組成及模塊功能進行了闡述說明。該系統可滿足軌道交通深基坑的實時監控、安全預警、綜合評估等管理需求，有效降低了深基坑發生質量安全問題的風險。

參考文獻

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