基坑自動化監測數據分析及預警系統應用研究*

賴國梁，張松波，陳 國，滕 峰，賈磊柱，黃心穎

(1中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.湖北中建三局建筑工程技術有限責任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

近年來，基坑向大深度、大面積方向發展，周邊環境更加復雜，深基坑開挖與支護的難度也越來越大，基坑信息化施工越來越受到行業重視。為保證施工安全順利進行，在基坑開挖及結構構筑期間開展嚴密的施工監測很有必要。施工過程中如果出現異常，沒有及時發現而任其發展，將會導致嚴重事故[1]。基坑監測方法、監測儀器與通信技術的進步，使得自動化監測得以實現，自動化監測技術可以實現實時化、高效化及高精度反映基坑狀態[2]。

深基坑開挖多在城市密集區進行，基坑開挖所引起的周圍土體變形將直接影響周圍建筑物和地下管線的正常狀態。基坑破壞前，往往會表現側向邊線或變形速率超過警戒值。因此，在基坑施工過程中，借助自動化監測數據處理分析，并根據規范或經驗提前設置預警值，使得基坑達到預警狀態系統會自動報警，這已成為深基坑工程施工風險管理的重要內容[3]。

齊紅升等[4]開發了深基坑智能聯網監測與預警系統，實現自動采集基坑信息并進行數據分析預警，提升了監測效率和安全保障能力。徐楊青等[5]開發了一套基坑監測數據處理與預警系統，能夠提高監測的標準化和準確率。謝雄耀等[6]通過數據庫技術與Microsoft Visual Studio.Net編程技術實現了自動化監測數據在線發布，優化了盾構施工參數，有效保障了盾構掘進與周邊環境的安全。

工程實踐中既有的自動化監測系統多采用儀器廠商生產的專用軟件，這類軟件由廠商根據需求專門定制，技術成熟，工作穩定，缺點是軟件功能單一，很難實現數據的分析與實時發布，不能滿足施工企業管理需求。

本文介紹一套針對施工企業管理研發的自動監測數據分析與預警系統，該套系統能夠實現數據的實時發布，并且能夠根據采集數據判斷基坑是否進入預警狀態，如果進入預警狀態，系統立即向客戶發布預警消息。

該套系統在武漢市某深基坑中得到應用，基坑局部坑中坑采用前排傾斜雙排樁支護，本次監測具有試驗性質，本套系統實時監測基坑狀態，能反映出傾斜支護樁的應用效果。

1 系統架構

自動化監測系統由現場監測硬件(沉降儀、水位計、測斜儀等)、無線采集終端、遠程超級計算中心(工作站)和客服操作端組成。系統數據傳輸如圖1所示，數據傳輸分類如表1所示。

圖1 自動化監測系統數據傳輸示意

現場監測硬件進行監測，采集終端完成隨監測硬件數據的采集并上傳至遠程超級計算中心，超算中心完成數據的存儲與處理工作，客戶端通過設計的軟件來操作超算中心，并在客戶端完成數據發布。

2 后臺數據處理系統

2.1 數據處理系統設計

系統邏輯運行如圖2所示，數據處理系統有以下幾個部分組成，如表2所示。

圖2 系統邏輯運行

表2 數據處理系統功能介紹

2.2 數據庫設計

Mysql數據庫簡單易用，且具有完善的邏輯規則，SQL語言通俗易懂，速度較快，是現在主流的數據庫選擇。數據庫結構設計的原則要結合深基坑監測工程的實際情況和原理，要有充足的基坑監測知識，對涉及的技術了如指掌，這樣才能全方面覆蓋所有監測分項，并能創建所有表單和字段名，不會使數據產生冗余或者缺失。

數據庫中共建立了45張表，所有表之間通過主鍵和外鍵進行相互關聯。包括 12 個大的監測分項共15張表，分別存儲各種監測方法的所有數據，以及工程信息管理、用戶客戶信息、系統設置、報警值設置、預測預警、基坑信息、監測儀器信息、輸出結果設置、統計信息、視頻管理、專家風控等 30 張表。這些表相互關聯，每個表都建立了3個關聯字段：工程名、場景名、設備名。個別表還建立了其他特定的字段用于關聯表。這樣做的好處是將所有表通過一定關系關聯起來，可根據某張表的連接字段名通過 SQL 查詢語言來查找另一張表里的相關數據。

3 現場監測硬件

3.1 支護樁水平位移監測

自動化測斜繩用于測量支護樁(墻)水平位移，將測斜繩下放到測斜管中，測斜管固定在鋼筋籠上，測斜裝置隨鋼筋籠預埋到支護樁中，樁頂測斜繩外接采集模塊，作為采集終端將采集信息發送到遠程超算中心，測斜繩及安裝如圖3所示。

圖3 自動化測斜繩

3.2 內力與水位監測

基坑工程內力監測包括水土壓力、軸力、樁側土壓力。為滿足規范要求的內力監測內容，分別開發出軸力計、鋼筋應力計、土壓力計和孔隙水壓力計等自動化傳感器。

3.3 智能數據采集終端

智能數據采集儀主要應用于監測過程中傳感器數據的有線采集與無線傳輸，能夠收集附近5～6個傳感器發送的信息，采集終端將收集到的信息初步整理后采用4G傳輸方式將數據傳輸到遠程超算中心。可采集模擬信號、電壓信號、電流信號、振玄信號、以及串口信號等，采集終端可以通過連接太陽能板進行供電。

4 客戶端設計

4.1 主頁面設計

系統前端采用Vue.js腳本框架進行開發，后端采用MySQL，SQL數據庫技術進行數據處理，同時結合基坑工程專業知識，開發了一套服務于施工企業的自動化監測數據分析及預警系統，該套系統還具備數據移動發布能力。客戶端操作軟件有PC端和手機移動端兩種，PC端兩級功能菜單描述如表3所示，移動端沒有“統計分析”功能，其他功能同PC端，PC端與移動端軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

表3 軟件分級菜單列

4.2 報警功能

報警值是預警系統的關鍵指標[7]，基坑的報警值取值需要考慮很多因素，如現場地質條件，周邊環境，支護結構類型等[8]。目前對于基坑報警值的確定還缺乏系統研究，大多數依賴經驗，從各地規范[9-12]來看，報警值差別很大，確定的方式也有很大差別。為此本套系統報警值開發為用戶手動設置報警值。

報警值可以設置預警與報警兩個狀態，考慮到湖北省地方規范[12]對于報警值有變形值與變形速率兩種要求，軟件也相應做了設置。當某一硬件測值達到報警值時軟件會根據設置的客戶郵箱進行消息推送，可以使基坑參建各方及時了解基坑狀態。

5 工程應用

5.1 工程概況

武漢某基坑工程位于長江I級階地與II級階地過渡區域，場地地貌屬于河流沖擊平面類型，場地沉積有厚度達20m以上的黏性土層。局部基坑開挖深度9.05～16.1m，開挖面積39 000m2，傾斜樁支護段平面布置如圖5所示。

圖5 前排傾斜雙排樁平面布置

局部塔樓區域坑中坑先施工，從地面設計了傾斜雙排樁，如圖6所示，基坑開挖從地面標高22.000m，施工至基坑井處基底標高為12.050m，樁長30m，樁徑1m，樁間距1.5m。

注：fak為地基承載力持征值；c為黏聚力；φ為內摩擦角圖6 前排傾斜雙排樁支護剖面

5.2 監測方案

施工前制定了監測方案，具體監測點位如圖7所示。水平位移監測沿樁身每米布置1個測斜點位，同時在樁頂連梁區域4個角布設了樁頂沉降監測點。本次監測同時也是試驗過程，用于驗證傾斜雙排樁支護效果。

圖7 監測點位平面布置

5.3 監測結果

本次傾斜樁支護段基坑開挖從2020年5月16日—6月20日，基坑開挖過程中對傾斜樁變形與樁頂沉降進行實時監測，選取12號樁位前排斜樁監測結果，軟件設置報警值參考湖北省地方規范[12]，一級基坑取40mm。

開挖10m之后支護樁樁頂位移基本穩定在30mm左右，為研究支護樁最大支護深度。項目部對樁頂進行堆載，當堆載高度達到3.5m時，監測系統開始報警，同時樁頂冠梁有細小裂縫出現，現場及時進行樁頂卸載。通過本套自動監測與預警系統得到的監測數據，可以反映傾斜雙排支護樁效果，得到當前地質條件下最大支護深度可達13.5m。

6 結語

采用Vue.js腳本進行前端軟件開發，并結合MySQL，SQL數據庫后端數據處理技術開發了基坑自動化監測及數據移動發布系統。系統能方便地實現數據錄入和編輯，能滿足大部分數據分析需要，同時能夠實現監測數據的自動發布與分析，并能對工程信息、用戶、客戶等復雜的信息收集保存備用，數據輸出的結果規范簡單明了，易于查看調用。系統能夠實現對基坑狀態的預警功能，客戶能夠根據規范和現場情況靈活設置報警值，實現對基坑施工的動態管理。

該套系統應用在武漢某深基坑工程前排傾斜雙排樁支護段，自動化監測系統能夠及時反映支護結構狀態，根據湖北省地方規范，設置支護樁測斜數據的報警值，可以檢驗支護樁的最大無支撐支護深度。