基坑結構健康監測系統的設計與研究

郭雷剛,李曉敏，孟凡俠，張 婷，李偉華

(1.中交二公局第五工程有限公司，陜西 西安 710075； 2.北京安信卓越信息科技有限公司，北京 100088； 3.山東高速濰坊發展有限公司，山東 濰坊 261000)

1 概述

基坑結構屬于隱蔽工程，施工開挖過程受地質、降雨等外界環境影響較大，現場危險源相對較多，因此其安全性被工程界廣泛關注。目前第三方監測是基坑施工安全保障的一個重要手段，但第三方監測受施工時間、空間等因素制約，過程很難做到全天候、全周期參與，觀測數據也往往受技術人員經驗、觀測習慣等影響，存在一定的誤差，同時傳統檢測是由人工定期用傳統儀器到現場進行測量，工作量大，受天氣、現場條件等許多因素的影響。而在線實時監測系統的實施，便于企業和安全監管部門快速掌握與工程安全密切相關的技術指標的最新動態，有利于及時掌握工程的運行狀況和安全狀況。所以如何對基坑結構實施全因素全天候的實時在線監測、分析及預告警等工作，逐漸被提上議程。

2 系統設計原則與實現內容

2.1 基坑監測系統的設計原則

近年來，隨著基礎設施的大力開展以及5G技術、物聯網技術的迭代普及，結構健康監測得以在國內外發展迅速[1]，對應于土木工程中基于物聯網、大數據技術的結構監測意識也越來越強。目前結構健康監測已被廣泛應用于橋梁、地鐵、隧道等大型結構物上，成功實現了對所監測結構物的全生命周期實時在線監測[2-7]。由于基坑工程屬于隱蔽工程，施工周期較短，環境復雜，制約因素較多，所以基坑結構中的在線監測應用較少，因此很有必要對基坑結構在線健康監測建立一套完整便捷的系統。

本文系統開發設計及建設圍繞經濟實用、方便可靠的原則，利用信息技術、軟件開發、硬件通訊等手段，以監測數據采集為主、數據分析預警并重，設計建立了一套基坑結構實時在線健康監測系統，以期滿足大多數民建、市政基坑的在線安全監測需求。

2.2 基坑監測系統的框架搭建

基坑結構健康監測系統是一個以工程管理、數據采集、實時監測、閾值告警為主線，以數據分析、存儲及報表輸出為輔線的監測云平臺，其模塊組成如圖1所示。

2.2.1 監測因素構成

結合既有工程經驗，基坑結構常見破壞危險源通常分為變形、受力及環境三部分，系統監測因素考慮見表1。

表1 監測系統考慮的基坑結構監測因素

2.2.2 工程管理模塊

該模塊設計初衷是針對同一單位不同項目的情況下，可以做到對所有需要監測的項目匯總于同一平臺下進行管理;可以實時增加或刪除工程，對任意不同工程可做到無縫切換，讓業主隨時掌握名下所有監測項目的安全情況。

2.2.3 數據采集及分析模塊

數據采集模塊是通過硬件傳感器采集到的數據，經過數據轉換，再通過GPRS網絡無線發送到云平臺服務器，后端經過對數據的分析及匯總生成可視化的圖表，用戶側即可通過任意可上網電腦或手機端APP使用該工程健康監測管理系統，做到對數據24 h不間斷的采集與監測，隨時掌握監測項目結構物的因素數據動態，特別是針對基坑結構的沉降監測、變形和錨桿受力監測，這些高危險的關鍵節點因素，情況可了然于心。

2.2.4 閾值告警模塊

系統支持兩種方式的告警。一種是數據告警，一旦所監測的數據觸發了某一閾值范圍，系統會智能地以短信或郵件的方式提醒相關工作人員，及時去工程現場進行排查。另一種告警是針對硬件告警，任意位置的傳感器采集到數據或其他故障導致的數據中斷等問題，系統也會智能地以短信或郵件的方式提醒相關工作人員，及時去工程現場維修或更換相關硬件設備。

3 基坑結構健康監測系統的應用

3.1 工程概況

基坑結構健康監測系統在實驗室經過了多次測試，結果都較為合理、穩定，為進一步驗證系統，2016年10月系統在北京某在建基坑項目中予以現場實施。該工程基礎采用鋼筋混凝土支撐結構，持力層為中風化巖層，垂直段底標高-21.3 m；底標高-28.8 m，項目采用整體開挖方案，場地東面幾十米范圍內遍布磚混凝土結構的民居，基坑開挖過程需同時考慮對相鄰建筑產生的不良影響，在基坑支護方案中采用地下連續墻加內支撐的方案。

3.2 監測因素及布點

根據基坑結構的實際情況，選取以下6個監測因素：1)圍護墻位移監測；2)圍護墻結構內力監測；3)土壓力監測；4)地下水位監測；5)錨桿拉力監測；6)周邊建筑變形。

監測系統設備布置熱點圖如圖2所示。

3.3 系統呈現

搭建的基坑監測系統命名為“知物云”在線監測系統，結合實際項目的系統部分模塊及結果展現見圖3～圖5。

基坑結構在線監測系統通過基于實例的應用，各個子系統功能很好地得到了驗證，采集的數據合理規范，數據連續穩定，證明了系統的有效性和實用性。

4 結語

對基坑結構進行實時在線監測，取代了傳統的沉降觀測等人工檢測操作，大大提升了施工組織管理的效率，進一步保障了施工安全[8]，相比人工檢測體現了較大的優勢：1)低成本：一次投入，長期監測；2)規范化：可實現無線傳輸，無需長距離布設線纜、光纜；3)即時性：當結構出現異常信息時，系統第一時間發出預警信息，并通過短信方式將信息及時轉達給相關管理人員，以便對結構安全進行及時評估；4)全周期：能夠全天候24 h監測，如果需要，可以對結構物全生命周期進行監測。對下一階段研究的建議：基坑自動化健康監測因為還處于發展初期，對應的規范及標準并不健全，傳感器參數約定也不系統規范，接下來的平臺拓展需要更多該方面的工作，以便盡早形成基坑監測系統的統一參考標準。