基于“BIM+GIS+IoT”信息管理平臺的鋼支撐軸力伺服系統在地鐵基坑變形控制中的應用*

盛燦軍

(中鐵二十四局集團有限公司， 200433， 上海∥高級工程師)

城市軟土地區深基坑工程施工中周邊環境的保護及圍護結構的變形控制一直是每個項目的關注重點[1]。2009年“上海會德豐國際廣場”深基坑工程首次應用鋼支撐軸力伺服系統，通過對鋼支撐軸力的自動化監測、預警及調控，有效控制了緊鄰地鐵隧道的變形[2]。自此針對有特定環境保護對象的深基坑工程，在其支護結構設計中往往在保護區段增設鋼支撐軸力伺服系統，以達到控制圍護結構變形、保護基坑周邊環境的效果[3]。

然而一般的鋼支撐軸力伺服系統都只對其軸力及千斤頂行程進行監測管理，圍護結構及周邊建(構)筑物位移則依靠其他監測系統進行數據采集，通過跨平臺的數據傳遞、匯總和分析，采用人工方式上報日報表來完成。該模式費時費力，且對鋼支撐軸力調控的及時性和針對性還不強，致使部分項目基坑變形控制未達到預期效果。本文提出了一種基于“BIM(建筑信息模型)+GIS(地理信息系統)+IoT(物聯網)”信息管理平臺(以下簡為“信息管理平臺”)的協同管理模式，并對其工程應用進行了介紹，以期為類似工程提供參考。

1 鋼支撐軸力伺服系統管控模式分析

伺服鋼支撐軸力施加可分為初始預加載及加載過程軸力調控兩個階段。鋼支撐軸力伺服系統的管控主要指在軸力調控階段依據各監測點的數據變化調整支撐軸力的過程。

1.1 傳統鋼支撐軸力伺服系統的管控模式

傳統的鋼支撐軸力伺服系統主要以日報表為手段進行數據分析。其管理流程如圖1所示。

圖1 傳統的鋼支撐軸力伺服系統管控流程

由圖1可見，各方監測數據收集匯總工作量大、耗時長，且數據分析只包含圍護結構深層水平位移、支撐軸力及千斤頂行程3個方面，而忽略了環境保護對象、地下水位等重要監測部分。這樣，勢必會在數據分析的及時性、原因研判的準確性、措施采取的時效性和針對性方面存在缺陷。

以某地鐵車站出入口基坑為例，其開挖深度為16.75～18.85 m，基坑北側為飯店及鍋爐房。基坑第2～4層鋼支撐采用軸力伺服系統，運用傳統管理模式。在基坑底板開挖期間鍋爐房發生局部沉降且產生大量斜裂縫，主要原因是各方監測數據未能有效整合并反映基坑變形，導致加撐不及時。

該項目典型鋼支撐軸力變化曲線如圖2所示。有圖2可見，2021年11月28日前，鋼支撐軸力隨溫度成周期性規律變化，11月28日下午鋼支撐軸力出現異常變化并逐漸上升，12月2日該支撐軸力超過上限預警值(4 600 kN)，且11月30日開始千斤頂行程被明顯壓縮且壓縮量持續增加。盡管11月30日報表數據已顯示鋼支撐軸力變化異常，并提出加撐建議，但在此期間基坑測斜數據仍顯示為負位移增長，加之缺乏周邊環境監測數據對比分析，導致該項目12月4日才采取加撐措施，但此時距離基坑變形異常已超過6 d，周圍環境已產生沉降。

圖2 典型伺服鋼支撐軸力隨時間變化曲線截圖Fig.2 Curve of typical servo steel support axial force changing over time curve

1.2 信息管理平臺協同管理模式

信息管理平臺是基于智能化建造理念，結合BIM、GIS及IoT所搭設的施工信息可視化顯示管理平臺[4]。其作用主要是解決數據孤島效應，通過“無人機+GIS”技術采集施工區及周邊地理空間數據而形成三維地理模型[5]，并與BIM相結合形成實時場景平臺，再利用物聯網將各方監測數據匯總標記于平臺之上，以達到現場可視化監控、數據信息化傳遞及部門協同化管理的效果。

鋼支撐軸力伺服系統搭配信息平臺的協同管理模式以監測信息共享分析與智能預警為核心，并引領多方協同管理。具體管控流程如圖3所示。

此種包含鋼支撐軸力伺服系統的協同管理模式具有以下優點：

1) 大部分監測數據由采集設備自動上傳至信息管理平臺，人工監測數據在指定時間通過云端手動上傳，并由信息管理平臺統一分享管理，確保數據傳遞的及時性和有效性。

2) 所有數據由信息管理平臺依據設定的預警閾值進行初步分析及預警，并實時推送至各單位進行協同校核。通過可視化界面可甄別現場非施工干擾因素，提升了調控效率及針對性，亦能通過各類數據的對比分析檢查數據的真實性和準確度。

圖3 信息管理平臺協同管理流程圖

3) 各方人員可在信息管理平臺協同辦公、召開遠程會議，提高了信息化管理效能，解決了組織協調難的問題。

2 信息管理平臺協同管理模式的應用

2.1 工程概況

上海市域鐵路機場聯絡線(以下簡為“機場聯絡線”)1#風井(兼盾構始發井)與滬昆高鐵并行，1#風井基坑總長度為156.4 m。為減少基坑變形，整個基坑分5小段分坑跳挖，最深的5#基坑開挖深度為25.5 m，且距離高鐵路基僅10.6 m，為國內鄰近高鐵路基最深基坑。為確保列車運行安全，要求高鐵軌道結構變形不能超過2 mm，同時要求基坑圍護結構的深層水平位移不超過1‰H(H為基坑開挖深度)，比DG/TJ 08-109—2017《城市軌道交通設計規范》中規定的的圍護結構變形控制要求提高了30%，因此，1#風井5段基坑的鋼支撐全部采用軸力伺服系統。為提高監測精準度和應急響應速度，應用了信息管理平臺協同管理模式。地鐵基坑周邊環境如圖4所示。

圖4 機場聯絡線1#風井基坑與周邊環境平面圖

2.2 信息管理平臺協同管理實施流程

信息管理平臺協同管理實施流程主要分為場景可視化平臺搭建、數據信息上傳共享，預警分析調控管理3個步驟。其實施流程如圖5所示。

注：API為應用程序接口。圖5 信息管理平臺協同管理實施流程圖

2.2.1 場景可視化平臺搭建

采用無人機掃描作業區及其周邊環境，合成GIS三維地形圖，并導入基坑BIM模型形成可視化電子沙盤，真實展現建設場景和工程建成后樣貌。利用“物聯網”監測技術在需重點保護的滬昆高鐵，以及地鐵基坑內、外布置監測點，將所有監測點在可視化沙盤中進行標注，并設置相應報警閾值。

2.2.2 信息數據上傳共享

信息管理平臺信息數據傳輸根據采集形式的不同(自動化采集、人工采集)分為API和EXCEL云端上傳兩類。鋼支撐軸力伺服系統等自動監測設備通過API自動傳輸至信息管理平臺，人工測量的基坑測斜數據則采用手機或電腦通過網絡定時上傳。數據上傳后各單位可直接登錄信息管理平臺在可視化沙盤中進行查看。

2.2.3 預警分析調控管理

預警調控管理流程可分為系統預警、視頻校核、會議分析及啟動預案4步，如圖6所示。

第1步：當監測數據達到報警值時，該系統通過微信、APP、短信等自動發送消息提醒相關人員；同時可視化沙盤中的標注會自動變色或由“笑臉”變成“哭臉”，并提示相關人員各監測項目的風險等級(黃色表示中風險，紅色表示高風險)。其中，鋼支撐伺服位移報警閾值包括日變化量異常、累計值異常兩類。若同一個數據連續2 d發出預警，該系統將自動提高預警級別及監測頻率。

第2～3步：各方人員收到預警信息后,點擊電子沙盤中的異常圖標，查看報警地點對應的監控視頻及監測數據，并遠程排除明顯非施工原因引起的誤報干擾。若為施工導致的數據異常，各參建單位可召開視頻會議，實時分析數據、診斷原因及商討對策。

第4步：根據基坑變形原因，該系統迅速啟動應急預案，保護基坑與周邊環境。例如，可遠程控制鋼支撐伺服系統提高或降低基坑變形處的支撐軸力，或采取啟動地下水回灌等措施；亦可根據基坑變形趨勢，研判是否需要增設臨時鋼支撐。

圖6 信息管理平臺預警分析調控管理流程圖

以2021年5月28日圍護結構變形為例，該系統于當日10:00發出預警，顯示5#基坑測斜點P112為高風險預警，以及該點對應的伺服鋼支撐與左、右兩側測斜點P111與P113為中風險預警。項目管理人員立即查看系統，發現P112測斜點深層水平位移變化速率超過1 mm/d(向基坑內收斂)，其對應鋼支撐ZL42-2軸力上升429 kN；P111與P113同樣向基坑內的收斂位移達0.5 mm左右，基坑外土體位移及對鐵路的監測數據均正常。從現場監控視頻發現：位移變化側基坑邊堆有大量臨時物料，監控人員立即通知現場工人轉移物料，并將鋼支撐ZL42-2及其周邊伺服鋼支撐軸力上調200 kN以平衡土壓力。此次基坑變形調控從鋼支撐軸力伺服系統預警至軸力上調共耗時5 min，臨時物料轉移耗時30 min，及時有效地控制了圍護結構變形。

2.3 基坑變形控制效果

經信息管理平臺統計，該系統1年內處理施工現場14類監測點的數據達4 300多萬條。最深的4#、5#基坑從開挖至結構回筑完成，靠近高鐵側的基坑測斜結果為：4#基坑圍護結構累計最大水平位移為21.59 mm，與基坑深度的比值為0.94‰；5#基坑圍護結構累計最大水平位移為22.05 mm，與基坑深度的比值為0.86‰，均滿足1‰H的基坑變形設計控制值要求。同時，監測到滬昆高鐵軌枕板累計位移均未超過2 mm，且施工期間列車運行正常，達到了預期效果。4#、5#基坑測斜數據如表1所示。

表1 1#風井4#、5#基坑測斜數據統計

3 結論

1) 信息管理平臺可實現對現場鋼支撐軸力伺服系統的實時數字化管控。

2) 信息管理平臺協同管理模式具有數據傳遞及時有效、分析研判全面準確、統籌管理方便快捷、調控措施針對性強的優點。

3) 采用鋼軸力伺服系統搭配信息管理平臺協同管控復雜條件深基坑工程，圍護結構水平位移滿足了極其嚴格的基坑變形和環境保護要求，效果明顯。