基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用

劉 星

（1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心，上海 201114）

城市化進程的加速，促進了地下空間的開發(fā)，深基坑工程的數(shù)量越來越多，地域分布越來越廣，對深基坑施工過程要求越來越嚴，基坑水平位移變形量等控制精度達到了cm級甚至mm級。

1 研究背景

上海市軌道交通13號線東明路站位于成山路與東明路交叉口東側，主體沿成山路東西向走向，13號線東明路站全長203.2m,寬度為21.6m，地下3層島式車站。該站基坑采用明挖順做法施工，基坑圍護由3段組成，沿基坑深度方向設置6道支撐，所用鋼管支撐包括?609mm、t=16mm的鋼支撐和?800mm、t=20mm的兩種鋼支撐。該工程位于軌交6號線東明路站旁，建成后6號線、13號線可T型換乘；合流污水管距車站東側端頭井基坑最近處約1.7m，距離車站西側端頭井基坑最近處約0.8m，存在難點較多。

因此，施工過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和信息，出現(xiàn)情況也較為復雜，僅靠現(xiàn)場人員進行實時監(jiān)控、監(jiān)督、管理和控制，難以應對。在復雜多變的地質環(huán)境、多工種多單位參與施工的情況下，需要大量信息交互，便于推進施工。需要對現(xiàn)有變形控制系統(tǒng)進行實時遠程監(jiān)控，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集和快速集中，獲得現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)，無需技術人員親臨現(xiàn)場即可監(jiān)視現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)及各種參數(shù)，方便多方參與監(jiān)督，減少值守工作人員，維護施工設備和系統(tǒng)的正常運行，以滿足不同用戶的需要。基坑變形控制要求難度極大，為滿足設計及施工要求，使工程順利進行，采用了基坑微變形遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，對鋼管支撐進行軸力補償和實時監(jiān)控，及時應對多種工況，確保鋼支撐受力均勻。

2 基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

2.1 系統(tǒng)的組成與設計

為此，開發(fā)出了基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)，由壓力傳感器、現(xiàn)場控制柜、現(xiàn)場監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)采集設備和無線網(wǎng)卡等組成。系統(tǒng)與現(xiàn)有的鋼支撐補償系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)多項目錄入云平臺，通過網(wǎng)頁端/移動端，實時監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，接收和處理預警信息，最終形成一套網(wǎng)絡的、實時的、多終端的基坑微變形智能監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)提供深基坑項目在施工階段的遠程智能控制，主體采用B/S架構（圖1），數(shù)據(jù)總線采用HTTP/MQTT結合的方式，系統(tǒng)采用了MySQL數(shù)據(jù)存儲、分布式數(shù)據(jù)請求、前端數(shù)據(jù)緩存等前沿互聯(lián)網(wǎng)技術，保證了系統(tǒng)的易用性及可移植性，主要的功能模塊有項目中心、項目總覽、項目監(jiān)控、預警中心等。通過這些功能，實現(xiàn)對項目的遠程智能監(jiān)控，提高了信息對接的效率，同時保證了數(shù)據(jù)的安全性。系統(tǒng)適用于IOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)、Windows系統(tǒng)，支持相關人員通過電腦、手機等設備實時查看施工現(xiàn)場鋼支撐的運行狀態(tài)，

圖1 基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)的架構圖

2.2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理服務端研究

數(shù)據(jù)處理服務端系統(tǒng)分為4層架構：終端接入層、系統(tǒng)服務層、集群服務層、物理層（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)處理服務端架構

終端接入層的主要作用是提供數(shù)據(jù)接入的入口，同時提供數(shù)據(jù)展示端的數(shù)據(jù)獲取服務。數(shù)據(jù)總線采用HTTP/MQTT結合的方式，有利于總線管理的高效性及數(shù)據(jù)的高可靠性。數(shù)據(jù)下行，主要提供網(wǎng)頁/微信展示及控制所需的數(shù)據(jù)服務，如用戶認證、監(jiān)測點當前數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測點詳情、系統(tǒng)狀態(tài)等。數(shù)據(jù)上行，主要提供數(shù)據(jù)接入服務，按照既定的規(guī)則，將原有鋼支撐補償系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)完整的、可靠的存入當前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲模塊。

系統(tǒng)服務層主要為系統(tǒng)提供所需的網(wǎng)絡服務，如設備管理、認證服務、存儲、數(shù)據(jù)采集、遠程通知、日志服務等，該層級后期可根據(jù)實際的業(yè)務進行模塊擴展。

集群服務層主要提供系統(tǒng)微服務實例及大數(shù)據(jù)引擎，保證系統(tǒng)的可擴展性及穩(wěn)定性。

物理層采用阿里云提供的云虛擬主機，在這之上構建所有的系統(tǒng)組件及服務，所有虛機實例均部署Mesos所需服務組件進行統(tǒng)一維護。

2.3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集客戶端研究

基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集客戶端系統(tǒng)分4個主要模塊： 實時數(shù)據(jù)上報、歷史數(shù)據(jù)上報、傳感器狀態(tài)上報、其他流程模塊。

實時數(shù)據(jù)上報流程設計原則：把整個現(xiàn)場PC作為一個多通道的傳感器看待，在此基礎上，在現(xiàn)場PC部署服務程序，用于實時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)并進行上報，具體流程如圖3所示。

圖3 實時數(shù)據(jù)上報流程

數(shù)據(jù)上報流程：①采集隊列；②采集任務觸發(fā)器；③實時數(shù)據(jù)采集；④采集數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)保存為DBF格式的數(shù)據(jù)庫文件，可以在指定時間間隔T下直接采用SQL語句，查詢指定傳感器的指定時間點的數(shù)據(jù)信息；⑤數(shù)據(jù)隊列，為了提高效率并方便各個服務訪問數(shù)據(jù)緩存隊列，采用Redis這種于基于內存的Key-Value存儲系統(tǒng)；⑥實時數(shù)據(jù)上報，其中為了上報的可靠性，上報協(xié)議采用MQTT物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，它被設計用于輕量級的發(fā)布/訂閱式消息傳輸，即使在低帶寬和不穩(wěn)定的網(wǎng)絡環(huán)境下，MQTT也能為物聯(lián)網(wǎng)設備提供可靠的網(wǎng)絡服務；⑦傳感器上報記錄，當傳感器指定時間點的數(shù)據(jù)上報成功時，需要更新MySQL數(shù)據(jù)庫中傳感器上報記錄的上報時間點，該時間點表示在此時之前的傳感器數(shù)據(jù)已成功上報。

歷史數(shù)據(jù)上報流程設計思路：在實施過程中，還需要處理上報傳感器的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的來源：①由于現(xiàn)場PC服務程序可能由于升級或者出現(xiàn)異常退出，導致退出期間的傳感器數(shù)據(jù)沒有上報到云平臺，此時退出期間的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)；②由于云平臺需要升級或者異常退出，導致退出期間無法接收傳感器數(shù)據(jù)，此時發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)就為歷史數(shù)據(jù)；③其他異常導致的傳感器數(shù)據(jù)傳輸失敗，也作為歷史數(shù)據(jù)。

在項目實施過程中，除了要上報傳感器的數(shù)據(jù)外，傳感器本身的狀態(tài)也是待采集和管理數(shù)據(jù)的一部分。其他流程包括傳感器數(shù)據(jù)報告等，由于云平臺會保存上報的傳感器數(shù)據(jù)及狀態(tài)，所以可以直接在云平臺Web客戶端中生成傳感器數(shù)據(jù)報告。

3 系統(tǒng)的工程應用

基坑微變形遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)用于上海軌道交通13號線二期東明路站基坑支護工程的鋼支撐上，平面布置、剖面布置以及施工現(xiàn)場（圖4）。

基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)的項目總覽頁面提供了系統(tǒng)總體的數(shù)據(jù)展示，見圖5a。主要的模塊有：項目總體泵站展示，油缸實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)展示，系統(tǒng)運行狀態(tài)展示，數(shù)據(jù)報表獲取，泵站數(shù)據(jù)切換等。右下側的指示燈展示系統(tǒng)的當前狀態(tài)，紅色表示系統(tǒng)故障，綠色為系統(tǒng)正常，黃色為系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接出錯。點擊其他圖標可以實現(xiàn)以下功能：箭頭按鈕功能為回到頂端；筆記本圖標鏈接的功能為獲取歷史報表；顯示器圖標按鈕則表示的是模型與列表展示頁面切換功能。當點擊右下角的日志圖標，系統(tǒng)會彈出報表獲取彈窗，用戶可點選任意的過往時間獲取相應的數(shù)據(jù)記錄，保證數(shù)據(jù)的可追溯性，如圖5b。時間選取后，會打開新的窗口，提示下載文件，如果瀏覽器支持瀏覽功能，則會直接打開文件供用戶瀏覽，獲取的報表數(shù)據(jù)，包括選擇的時間點的所有油缸數(shù)據(jù)，可作為項目驗收及安全保證的數(shù)據(jù)記錄，如圖5c。當用戶點擊了相應的油泵或者油缸，則會彈出數(shù)據(jù)展示框，系統(tǒng)通過曲線圖的形式展示了油缸歷史數(shù)據(jù)及當前值，時間可以精確到分鐘。系統(tǒng)也提供了時間范圍選取的功能，用戶可查看指定日期的數(shù)據(jù)，如圖5d。圖5e為手機微信端查看該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用情況。

圖4 基坑微變形軸力補償系統(tǒng)布置及現(xiàn)場施工圖

4 結 語

經(jīng)第三方檢測單位對基坑變形監(jiān)測，連續(xù)墻最大累計水平位移和地鐵結構最終絕對沉降量均符合設計等相關要求，說明基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)對連續(xù)墻和隧道結構位移變形起到積極有效的控制作用，保障了深基坑工程施工質量與安全，同時也確保了施工進度。

基坑微變形遠程監(jiān)控系統(tǒng)可視化展示鋼支撐軸力這一關鍵參數(shù)，實時遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，了解深基坑的現(xiàn)場工況，具有多方參與，多人共管，實時性強、安全、可靠、易于操作等特點，實現(xiàn)了對鋼支撐軸力的全天不間斷的自動監(jiān)測與控制，對基坑施工的變形起到了全面有效地控制，減少了施工風險。盡管前期需要投入，但是隨著工程量、監(jiān)控數(shù)據(jù)增加，以及人力成本增加，本系統(tǒng)的應用將提高管理效率，減少人工，節(jié)約施工成本，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益?；游⒆冃芜h程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用，進一步提高了深基坑微變形風險管控能力，確保基坑施工安全。

圖5 網(wǎng)頁端和移動端的系統(tǒng)工程應用

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