軌道交通深基坑施工實時監測及預警系統研究

曹冬冬 中煤西安設計工程有限責任公司

徐秋艷 陜西省煤田物探測繪有限公司

1 前言

利用地下空間建設城市軌道交通系統已經成為我國很多城市公共交通的一個主要發展方向，而深基坑則是地下軌道交通工程建設中的重要施工內容。由于軌道交通的深基坑工程往往位于城市繁華區域，在工程區域內有大量建筑以及地下管線設施存在，且施工現場空間有限，進一步加大了軌道交通深基坑施工過程中的安全風險。因此，必須加強實時監測以及預警系統的建設，利用各種傳感設備以及網絡信息技術對深基坑施工的全過程進行在線監測，提高風險防控的能力，及時對異常情況進行預警，以保證軌道交通深基坑工程施工質量安全。

2 軌道交通深基坑施工實時監測及預警系統結構分析

深基坑施工實時監測及預警系統主要包括底層、中層以及上層三個部分，其中底層結構為現場感知層，而中層則是數據傳輸共享網絡。同時監測管理中心構成了深基坑監測預警系統的上層結構。

2.1 現場感知層

作為深基坑施工實時監測及預警系統底層結構的現場分布式監測系統為深基坑區域級集群監測提供了重要的平臺基礎，人工巡視管理系統以及在線監測系統共同構成了現場感知層，以完成相關的數據采集工作[1]。其中在線監測系統主要包括現場數據采集以及數據傳輸這兩個模塊。

各類型數據采集設備是現場數據采集模塊中的重要組成部分，其能夠自動完成數據的采集、轉換以及預處理等操作。而數據傳輸模塊則利用調制器以及光纖環網完成對信號的轉換和傳輸。同時，人工巡檢管理模塊則主要包括各種PDA 設備，并通過人工錄入等方式管理巡檢工作。

2.2 數據共享傳輸層

在深基坑施工實時監測及預警系統的中層結構中，遠程數據傳輸網絡是主要的組成部分，其是監測管理中心和現場信息感知層之間的重要聯系通道。而數據傳輸網絡則由各網絡運營商所提供的無線網絡以及光纖寬帶網絡等公共網絡資源設備所構成。

2.3 監測管理中心

深基坑施工實時監測及預警系統的上層結構為監測管理中心，其由數據庫、結構安全預警、綜合評價、數據挖掘預測以及用戶界面等多個子系統共同構成。監測管理中心能夠對深基坑施工中的各項數據進行安全評估并發出預警信息，同時可以利用網絡界面為用戶提供預警、監測以及巡檢信息等。

3 軌道交通深基坑施工實時監測及預警系統各子系統功能分析

3.1 現場感知層各子系統功能分析

3.1.1 在線監測子系統功能分析

底層分布式基坑現場感知層的在線自動監測子系統的主要功能是客觀準確的監測評價深基坑結構狀態，而評價結果將受數據采集的全面性和準確性等因素的影響。因此在深基坑施工實時監測及預警系統中應合理選擇現場傳感設備的類型型號，以確保其能夠自動完成數據采集工作，且數據采集以及轉換可靠準確。由于現場數據采集以及傳輸主要依賴采集工作站以及網絡傳輸完成，因此在各深基坑工程的施工過程中均應進行數據采集中心的設置，其還可以及時向數據管理中心傳輸數據信息。

在該子系統中，數據處理控制模塊是主要的功能模塊，其功能主要包括控制數據采集以及傳輸相關參數的設置，對信號進行轉換處理，對數據質量進以及采集設備狀態行判斷，并及時對異常狀態進行預警[2]。此外，其還可以按照設定條件對數據進行重采樣以及濾波處理，以減少數據冗余，改善數據精度。在線監測子系統還可以按照實際需要對數據進行提取、轉換以及分析處理，以便完成各類特征量的提取計算，為數據統計、對比以及分析處理提供數據基礎。在線監測子系統可以對數據進行時域時頻以及頻域的轉換處理，并進行圖形分析。

在在線監測子系統中還設置有防雷裝置，且在系統內部應設置過電壓保護等安全防護裝置，以避免在發生雷電災害時過電壓波對系統設備造成破壞。在線監測子系統能夠對軌道交通深基坑工程的重要結構點位內力、施工環境荷載等關鍵參數進行連續動態監測，從而能夠及時準確地掌握深基坑工程支護結構的深層水平位移、圍護樁頂部分的水平及豎向位移以及維護結構內力；深基坑工程水平支撐結構的支撐軸力和撓度、深基坑工程周邊建筑物的沉降變形位移情況等各種數據信息。

3.1.2 人工檢巡管理子系統功能分析

深基坑施工實時監測及預警系統除了需要利用各種自動化儀器設備外，還需要結合一定的人工巡檢，而人工巡檢管理模塊則能夠對巡檢任務的具體執行情況、現場巡檢中錄入的各種數據信息等進行管理，并能夠根據錄入數據對深基坑結構狀態以及損傷進行判斷。

3.2 數據傳輸層各功能分析

深基坑施工實時監測及預警系統的中層是遠程數據傳輸網絡，其主要功能就是為監測管理中心與現場數據采集工作站之間的相互聯系提供數據傳輸通道，以確保數據信息能夠高效、準確的實現遠程傳輸。在建設深基坑施工實時監測及預警系統的數據傳輸網絡時應結合工程區域基礎網絡設備的實際情況，利用局域網模塊連接城市主干網絡。在數據傳輸層中，主要利用設置在軌道交通深基坑工程施工現場的光纖收發器以及交換機進行數據采集，并通過城域網等與服務器完成信息交互，使管理中心以及用戶能夠及時準確地掌握深基坑施工過程中的個性化數據信息。

3.3 監測管理中心各子系統功能分析

3.3.1 安全評估預警子系統功能分析

深基坑施工實時監測及預警系統上層結構中的安全評估預警子系統的組要功能是判斷深基坑結構狀態，進行風險等級劃分，并按照風險等級發出不同的預警信息。該子系統在對深基坑結構進行評價時主要以自動采集數據以及人工巡檢信息為依據，對軌道交通深基坑施工中的危險狀態加以描述，并完成危險狀態數據庫的構建，之后再準確識別深基坑工程施工中的主要危險狀態，同時完成評估后可以自動在線完成評估報告的編制，并能夠定期進行離線綜合評測報告的生成，為深基坑工程的施工提供指導意見。此外，該子系統還能夠根據預警級別以及危險狀態的不同選擇應急處置方式，且能夠及時向施工單位發出預警信息。

3.3.2 數據挖掘子系統功能分析

深基坑施工實時監測及預警系統上層監測管理中心的數據挖掘子系統的主要功能是挖掘監測數據，以提高深基坑監測預警系統的準確性和有效性。在數據挖掘中可以結合實際情況采用遺傳算法、神經網絡、決策樹、模糊集以及統計分析等多種方法。首先應合理確定挖掘數據的主要目標，然后分析監測數據中變形速率以及累積量分布概率，并對監測數據和深基坑結構狀態進行分析，以判斷深基坑施工是否規范，并結合各種相關因素對風險安全進行定量分析。

在進行數據挖掘時，系統首先需要進行數據準備，以便明確數據挖掘的主要模板，并對數據信息進行選擇以及采樣。然后系統需要通過預處理對數據進行轉換，以完成模型構建。在進行數據挖掘時還需要對挖掘內容的適用性以及可靠性加以驗證。當數據挖掘目標確定后，應對軌道交通深基坑所有監測數據中的變形速率以及累計變形量進行概率分析，以掌握其分布特征，并以此為基礎對監測數據所反映的軌道交通深基坑在施工中的狀態進行進一步的研究，科學判斷軌道交通深基坑施工監測指標以及保護等級等，從而給出軌道交通深基坑施工安全風險預警值，以保深基坑施工安全。

3.3.3 數據庫功能分析

在監測管理中心層中，數據庫是重要組成部分，其主要功能是對數據信息進行存儲歸檔管理，并提供數據查詢調用服務。數據庫中包括多個模塊，并分別具備數據管理、系統管理配置以及預警評估管理等不同的功能。軌道交通深基坑施工實時監測及預警系統的中心數據庫中應按照不同的功能要求設置數據管理、評估管理以及系統配置管理等模塊，各模塊均應具有較好的通用性，且應充分考慮系統擴展要求。同時模塊應具備對基坑預警記錄數據信息進行管理查看的功能，并應能夠自動完成對監測數據、巡檢數據的評估以及綜合評估報告的編制，能夠為信息出查詢調用以及報告打印提供便捷的服務。

模塊還應具備管理用戶權限等功能，以便管理員設置管理系統訪問權限，以保證系統數據信息安全。此外，模塊還應具備對系統運行狀態進行全面實時監控的功能，以便及時掌握系統故障發生點位，為系統運維管理提供可靠的參考依據。通過中心數據庫的模塊化設置，使監控預警系統能夠便捷對軌道交通深基坑結構、設計參數、各種施工設備運行參數、評估配置參數和預警配置等數據信息進行及時的查詢、更新以及完善，且使系統具備了較強的自定義功能，提高了系統通用性，從而為用戶操作使用系統創造了便利條件。

3.3.4 系統用戶界面功能分析

在深基坑施工實時監測及預警系統中，其用戶界面由6個模塊共同構成，不同模塊承擔了不同的功能，并提供相應的服務。

表1 系統用戶界面各模塊功能

4 結束語

實時監測預警系統對于保證軌道交通工程深基坑施工的質量安全具有重要的作用。因此，結合軌道交通工程深基坑工程的實際情況合理進行系統結構以及相關功能的設置，以確保監測預警系統能夠對深基坑工程施工的全過程進行動態實時在線監測，從而及時發現深基坑工程施工中存在的風險隱患并發出預警信息，為深基坑施工安全提供更加可靠的保證，從而為我國軌道交通事業的健康發展奠定良好的基礎。