深基坑施工安全監控及風險預警系統研究

張阿晉 沈 雯 朱建剛

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 上海建工房產有限公司 上海 200080

城市核心區深基坑工程面臨著水文地質情況復雜、土方卸載量大、施工作業面小、保護建（構）筑物多、地下露天作業量大、臨時施工措施多、不安全狀態轉換次數多等風險管控難題。

目前，深基坑工程施工安全監控仍大量采用人工監測數據采集與分析、紙質監測報表遞送等方式進行，這種傳統監控方式存在著監測數據誤差甚至錯誤率大、數據分析水平受限、監測數據利用率低、工程指導意義不足等問題。

近年來，隨著新型監測設備與監測技術的興起，越來越多的自動化監測技術及信息化系統平臺被應用于深基坑工程施工領域。

如楊佳等[1]、徐楊青等[2]、鄭世杰等[3]、牛文榀[4]主要研究基坑監測數據的信息化管理系統開發，側重于監測數據的匯總、查詢、分析處理等基本功能的實現。

吳振君等[5]、周二眾等[6]、楊仲杰等[7]、傅理文等[8]、王乾坤等[9]、齊紅升等[10]主要研究了基于基坑監測數據分析的風險預警系統開發。

受限于平臺開發的不同需求，上述系統普遍存在著以下問題：多數側重于監測數據的簡單分析，專業人員缺乏，專業性分析功能不足，監測數據的綜合利用率不高；安全風險評估標準單一，無法反映深基坑施工的真實安全狀態，工程指導意義不足；多層級管理架構缺乏，無法適應現有大型建設集團多管理層級、多項目工點、多協調單位的安全風險綜合管控需求[11-12]。

基于以上分析，開展集深基坑施工監測數據專業化分析、安全風險多參數評估與智能化預警、適應于大型建設集團多層級安全管控需求于一體的深基坑安全監控及風險預警系統開發，可大幅降低深基坑施工的安全風險，提高深基坑施工安全風險的專業化、信息化、智能化管控水平。

1 設計思路

深基坑施工安全監控及風險預警系統擬對深基坑施工過程中的基坑本體與周邊環境進行監測數據采集、數據跟蹤與分析、安全評價與風險預測、專家系統在線分析及智能聯動控制等，實現深基坑施工狀態的全過程安全評估及實時預警功能，降低深基坑施工安全風險。為提高基坑監測數據分析的專業化水平，實現安全管控信息流的通暢無阻，深基坑施工安全監控及風險預警系統主要從3個層級進行一體化設計，系統層級如圖1所示。

圖1 系統層級示意

1）現場層級。主要負責深基坑監測數據與工況信息的采集，日常巡檢信息的上傳，視頻監控網絡系統的維護，安全風險預評估及與自動報警，風險預警信息的執行與反饋等。

2）專業層級。主要負責監測數據的實時處理與分析，并結合實際工況定期進行數值模擬計算，出具階段性工況安全評估報告；對施工風險點預警級別進行人工復核；針對安全風險提出安全處置預案。

3）專家層級。主要負責定期對工程安全信息進行分析和階段性評估；對危險工況及高風險預警事件進行安全風險評估，并出具專家評估意見；提供專家在線網絡視頻會診，提升安全處置決策效率。

2 基本功能

深基坑施工安全監控及風險預警系統主要包括工程信息錄入及監測數據采集、監測數據自動化分析、視頻監控管理、人工專業分析、安全狀態評估、風險智能預警、專家在線咨詢、現場主動響應等8項功能，形成閉環式深基坑施工安全風險智能管控平臺。

1）工程信息錄入及監測數據采集。包括工程基本信息錄入、基坑本體監測數據、周邊環境監測數據、視頻圖像信息采集、日常安全巡檢記錄、風險預警信息等。

2）監測數據自動化分析。包括后臺數據匯總、數據曲線分析、報表分析、圖像識別等，實現監測數據工具化自動分析。

3）視頻監控管理。包括工點視頻切換，歷史錄像回溯，監控圖像的放大、縮小、旋轉等。

4）人工專業分析。包括專家分析、預案分析、視頻分析等，實現監測數據的多維度可視化分析。

5）安全風險評估。包括安全信息匯總、安全狀態智能分級、安全狀態報告發布等。

6）風險智能預警。包括風險預報警、風險點超前預測、預警信息發布等。

7）專家在線咨詢。包括工程階段性安全評價、專家在線網絡視頻會診、后臺快速評估專家系統等。

8）現場主動響應。包括安全風險信息系統發布與短信提醒、監測設備的聯動響應（如支撐軸力調整、視頻監控聯動）、風險預案自動化啟動、施工及監測數據鎖定等。

3 實施路徑

深基坑施工安全監控及風險預警系統是在深入分析大型建設集團多層級、多維度、立體化深基坑施工安全風險管控需求的基礎上，從深基坑參建各方數據流優化的角度出發，建立的一種數據采集標準化、數據分析自動化、安全分析專業化、風險預警智能化、信息傳遞高效化的系統平臺，其具體實施路徑如圖2所示。

圖2 系統實施路徑

3.1 深基坑監測數據的標準化采集與自動化分析

深基坑監測數據的采集主要依托深基坑施工單位與第三方基坑監測單位，該系統的監測數據采用以自動化采集為主、人工錄入為輔的方式，并對人工錄入數據進行二次甄別，最大程度降低數據錯誤率。利用后臺數據分析模塊對監測數據、工況信息、視頻圖像等進行自動化分析；各級項目管理人員可隨時查詢基坑監測數據分析結果，系統也可將監測數據分析結果以報表的形式發送給上級管理人員，協助其對基坑安全進行初步預判。

3.2 深基坑施工安全性專業分析

在原始數據采集和自動化分析的基礎上，監控管理分中心可組織專業技術人員對現有監測數據進行專業分析，如基坑安全性數值模擬等，并結合工程自身安全性等級、現場即時工況、數據變形趨勢等，對自動報警結果進行重新評估，并進行多參數變權重分級細判（表1），擺脫了傳統監測數據報警僅憑借累計值和變形速度作為標準的單一評判模式，并引入了關聯報警、趨勢報警及工況分析等多個風險評估因子。其中，關聯報警是指通過分析多個監測報警項目（如地下連續墻測斜與周邊地表沉降等）之間關聯性強弱對原始監測報警數據進行安全性細分；趨勢報警指通過數值模擬等手段分析未來幾天或下一步工況可能發生的報警點，通過可能發生報警點數量及變化趨勢等因素對現有安全風險進行重新評判。對不同級別安全風險，給出不同風險處理方式，達到有效管控風險的目的。

表1 安全風險等級劃分

3.3 深基坑施工安全性專家咨詢服務

對于深基坑工程施工中出現的高風險預警或較危險工況，可在監控管理中心初步判定的基礎上，提交專家咨詢委員會。專家咨詢委員會由集團公司與外聘深基坑領域的資深專家及學者組成，咨詢服務可采用在線視頻咨詢、現場會診及險情處理等方式進行，可出具咨詢服務報告。該項功能可充分發揮大型建設集團高水平人才集中的優勢，為深基坑工程建設提供高質量、專業性技術支撐。

3.4 深基坑施工多層級安全管控信息流閉環管理

本系統采用信息流的多層級安全管控方案，共分為項目工點、項目部、工程公司、子集團公司和集團公司5級管理架構。其中項目工點主要負責深基坑工點的建立、人員及工程配置、項目初始化、監測設備安裝、原始監測數據的采集及無風險預警等級的安全處置等。項目部、工程公司、子集團和集團公司等各級相關責任人員按照各自權限劃分進行監測數據、工控、視頻等信息查閱及提醒事件的處理等日常工作，并分別對低風險預警、一般風險預警、中風險預警和高風險預警進行安全處置。業主單位可通過該系統進行項目安全管理，如實時查詢監測數據、調取視頻監控、發布監督檢查信息等，大幅提升了工程安全管理的信息化水平。

3.5 深基坑施工全過程信息化管理

為滿足事件產生后可能發生的任何情況，系統提供了事件升級、降級、閉合等多種處理方式，可記錄和展示事件處理的全過程信息、最新進展、相關責任人意見等，并根據不同預警事件級別，自動獲取工程信息資料，生成相應的安全風險預案，提升了項目安全風險的自動化處置水平與決策效率。

4 應用效果

本系統適用于大型建設集團基坑施工風險的多層級安全管控，曾先后在上海后世博央企總部片區建設、海門路55號地塊、徐家匯中心等深基坑工程項目中得到了成功應用。以海門路55號地塊深基坑施工為例，基于基坑監測數據的自動化采集與無線傳輸技術，本系統通過后臺大數據處理提供了深基坑本體（如地下連續墻測斜、支撐軸力）與周邊環境（如地下水位變化等）監測數據的實時匯總、累計量與變化速度的曲線分析、各方監測數據的對比分析、監測項目之間的關聯分析等。從首道支撐下土體開挖到第6道支撐下土體開挖完成，系統共發布了129次安全風險預警事件，形成了41份階段性安全報告，為工程項目安全建設提供了可靠的數據支撐，其在施工階段的數量分布如表2所示。

表2 預警事件及安全報告

在此基礎上，制定了多參數風險預警評判標準，并通過參數權重的合理化設置，實現了深基坑安全風險的全要素、全方位、全過程考量。采用的多層級安全風險管控理念與系統架構，充分考慮了項目工點、項目部、工程公司、子集團和集團5個管理層級在深基坑安全與風險預警方面的需求，通過多層級管理權限與管理界面的合理劃分，保證了深基坑施工安全風險信息流的高質量、高速度、高安全運行，大幅提升了深基坑施工安全風險預警與處置的決策效率。

5 結語

1）該系統從現場層級、專業層級、專家層級3個層級進行一體化設計，擺脫了傳統監控系統專業分析人員不足、分析水平參差不齊的局面，大幅提升了深基坑施工監測數據的專業化分析水平，并通過專家系統的應用，提升了工程難題的決策效率。

2）該系統提出了深基坑施工安全風險多參數變權重評判標準，通過引入關聯預警、趨勢預警及工況分析等評判因子，對深基坑施工安全風險進行重新評估細判，有助于掌握深基坑真實安全狀態，提升深基坑安全綜合評判水平。但該系統在多參數引入及權重設置等方面的研究尚不成熟，需在今后大量工程實踐經驗的基礎上進行逐步優化。

3）該系統采用了基于大型建設集團深基坑多層級安全管控需求的系統架構，在保證深基坑施工安全風險信息流通暢的情況下，探索了新型深基坑安全風險管理模式，對未來深基坑施工安全領域的信息化系統建設具有一定的借鑒意義。