基坑自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究*

賴國梁，張松波，陳 國，滕 峰，賈磊柱，黃心穎

(1中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064； 2.湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430070)

0 引言

近年來，基坑向大深度、大面積方向發(fā)展，周邊環(huán)境更加復(fù)雜，深基坑開挖與支護(hù)的難度也越來越大，基坑信息化施工越來越受到行業(yè)重視。為保證施工安全順利進(jìn)行，在基坑開挖及結(jié)構(gòu)構(gòu)筑期間開展嚴(yán)密的施工監(jiān)測很有必要。施工過程中如果出現(xiàn)異常，沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)而任其發(fā)展，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重事故[1]?；颖O(jiān)測方法、監(jiān)測儀器與通信技術(shù)的進(jìn)步，使得自動(dòng)化監(jiān)測得以實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、高效化及高精度反映基坑狀態(tài)[2]。

深基坑開挖多在城市密集區(qū)進(jìn)行，基坑開挖所引起的周圍土體變形將直接影響周圍建筑物和地下管線的正常狀態(tài)?；悠茐那?，往往會(huì)表現(xiàn)側(cè)向邊線或變形速率超過警戒值。因此，在基坑施工過程中，借助自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析，并根據(jù)規(guī)范或經(jīng)驗(yàn)提前設(shè)置預(yù)警值，使得基坑達(dá)到預(yù)警狀態(tài)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，這已成為深基坑工程施工風(fēng)險(xiǎn)管理的重要內(nèi)容[3]。

齊紅升等[4]開發(fā)了深基坑智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集基坑信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析預(yù)警，提升了監(jiān)測效率和安全保障能力。徐楊青等[5]開發(fā)了一套基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與預(yù)警系統(tǒng)，能夠提高監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確率。謝雄耀等[6]通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)與Microsoft Visual Studio.Net編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)在線發(fā)布，優(yōu)化了盾構(gòu)施工參數(shù)，有效保障了盾構(gòu)掘進(jìn)與周邊環(huán)境的安全。

工程實(shí)踐中既有的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)多采用儀器廠商生產(chǎn)的專用軟件，這類軟件由廠商根據(jù)需求專門定制，技術(shù)成熟，工作穩(wěn)定，缺點(diǎn)是軟件功能單一，很難實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析與實(shí)時(shí)發(fā)布，不能滿足施工企業(yè)管理需求。

本文介紹一套針對施工企業(yè)管理研發(fā)的自動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)，該套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)布，并且能夠根據(jù)采集數(shù)據(jù)判斷基坑是否進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，如果進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，系統(tǒng)立即向客戶發(fā)布預(yù)警消息。

該套系統(tǒng)在武漢市某深基坑中得到應(yīng)用，基坑局部坑中坑采用前排傾斜雙排樁支護(hù)，本次監(jiān)測具有試驗(yàn)性質(zhì)，本套系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測基坑狀態(tài)，能反映出傾斜支護(hù)樁的應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測硬件(沉降儀、水位計(jì)、測斜儀等)、無線采集終端、遠(yuǎn)程超級計(jì)算中心(工作站)和客服操作端組成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示，數(shù)據(jù)傳輸分類如表1所示。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意

現(xiàn)場監(jiān)測硬件進(jìn)行監(jiān)測，采集終端完成隨監(jiān)測硬件數(shù)據(jù)的采集并上傳至遠(yuǎn)程超級計(jì)算中心，超算中心完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理工作，客戶端通過設(shè)計(jì)的軟件來操作超算中心，并在客戶端完成數(shù)據(jù)發(fā)布。

2 后臺(tái)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯運(yùn)行如圖2所示，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分組成，如表2所示。

圖2 系統(tǒng)邏輯運(yùn)行

表2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)功能介紹

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

Mysql數(shù)據(jù)庫簡單易用，且具有完善的邏輯規(guī)則，SQL語言通俗易懂，速度較快，是現(xiàn)在主流的數(shù)據(jù)庫選擇。數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則要結(jié)合深基坑監(jiān)測工程的實(shí)際情況和原理，要有充足的基坑監(jiān)測知識，對涉及的技術(shù)了如指掌，這樣才能全方面覆蓋所有監(jiān)測分項(xiàng)，并能創(chuàng)建所有表單和字段名，不會(huì)使數(shù)據(jù)產(chǎn)生冗余或者缺失。

數(shù)據(jù)庫中共建立了45張表，所有表之間通過主鍵和外鍵進(jìn)行相互關(guān)聯(lián)。包括 12 個(gè)大的監(jiān)測分項(xiàng)共15張表，分別存儲(chǔ)各種監(jiān)測方法的所有數(shù)據(jù)，以及工程信息管理、用戶客戶信息、系統(tǒng)設(shè)置、報(bào)警值設(shè)置、預(yù)測預(yù)警、基坑信息、監(jiān)測儀器信息、輸出結(jié)果設(shè)置、統(tǒng)計(jì)信息、視頻管理、專家風(fēng)控等 30 張表。這些表相互關(guān)聯(lián)，每個(gè)表都建立了3個(gè)關(guān)聯(lián)字段：工程名、場景名、設(shè)備名。個(gè)別表還建立了其他特定的字段用于關(guān)聯(lián)表。這樣做的好處是將所有表通過一定關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，可根據(jù)某張表的連接字段名通過 SQL 查詢語言來查找另一張表里的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場監(jiān)測硬件

3.1 支護(hù)樁水平位移監(jiān)測

自動(dòng)化測斜繩用于測量支護(hù)樁(墻)水平位移，將測斜繩下放到測斜管中，測斜管固定在鋼筋籠上，測斜裝置隨鋼筋籠預(yù)埋到支護(hù)樁中，樁頂測斜繩外接采集模塊，作為采集終端將采集信息發(fā)送到遠(yuǎn)程超算中心，測斜繩及安裝如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化測斜繩

3.2 內(nèi)力與水位監(jiān)測

基坑工程內(nèi)力監(jiān)測包括水土壓力、軸力、樁側(cè)土壓力。為滿足規(guī)范要求的內(nèi)力監(jiān)測內(nèi)容，分別開發(fā)出軸力計(jì)、鋼筋應(yīng)力計(jì)、土壓力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)等自動(dòng)化傳感器。

3.3 智能數(shù)據(jù)采集終端

智能數(shù)據(jù)采集儀主要應(yīng)用于監(jiān)測過程中傳感器數(shù)據(jù)的有線采集與無線傳輸，能夠收集附近5～6個(gè)傳感器發(fā)送的信息，采集終端將收集到的信息初步整理后采用4G傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程超算中心。可采集模擬信號、電壓信號、電流信號、振玄信號、以及串口信號等，采集終端可以通過連接太陽能板進(jìn)行供電。

4 客戶端設(shè)計(jì)

4.1 主頁面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端采用Vue.js腳本框架進(jìn)行開發(fā)，后端采用MySQL，SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)結(jié)合基坑工程專業(yè)知識，開發(fā)了一套服務(wù)于施工企業(yè)的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)警系統(tǒng)，該套系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)移動(dòng)發(fā)布能力?？蛻舳瞬僮鬈浖蠵C端和手機(jī)移動(dòng)端兩種，PC端兩級功能菜單描述如表3所示，移動(dòng)端沒有“統(tǒng)計(jì)分析”功能，其他功能同PC端，PC端與移動(dòng)端軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件界面

表3 軟件分級菜單列

4.2 報(bào)警功能

報(bào)警值是預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)[7]，基坑的報(bào)警值取值需要考慮很多因素，如現(xiàn)場地質(zhì)條件，周邊環(huán)境，支護(hù)結(jié)構(gòu)類型等[8]。目前對于基坑報(bào)警值的確定還缺乏系統(tǒng)研究，大多數(shù)依賴經(jīng)驗(yàn)，從各地規(guī)范[9-12]來看，報(bào)警值差別很大，確定的方式也有很大差別。為此本套系統(tǒng)報(bào)警值開發(fā)為用戶手動(dòng)設(shè)置報(bào)警值。

報(bào)警值可以設(shè)置預(yù)警與報(bào)警兩個(gè)狀態(tài)，考慮到湖北省地方規(guī)范[12]對于報(bào)警值有變形值與變形速率兩種要求，軟件也相應(yīng)做了設(shè)置。當(dāng)某一硬件測值達(dá)到報(bào)警值時(shí)軟件會(huì)根據(jù)設(shè)置的客戶郵箱進(jìn)行消息推送，可以使基坑參建各方及時(shí)了解基坑狀態(tài)。

5 工程應(yīng)用

5.1 工程概況

武漢某基坑工程位于長江I級階地與II級階地過渡區(qū)域，場地地貌屬于河流沖擊平面類型，場地沉積有厚度達(dá)20m以上的黏性土層。局部基坑開挖深度9.05～16.1m，開挖面積39 000m2，傾斜樁支護(hù)段平面布置如圖5所示。

圖5 前排傾斜雙排樁平面布置

局部塔樓區(qū)域坑中坑先施工，從地面設(shè)計(jì)了傾斜雙排樁，如圖6所示，基坑開挖從地面標(biāo)高22.000m，施工至基坑井處基底標(biāo)高為12.050m，樁長30m，樁徑1m，樁間距1.5m。

注：fak為地基承載力持征值；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角圖6 前排傾斜雙排樁支護(hù)剖面

5.2 監(jiān)測方案

施工前制定了監(jiān)測方案，具體監(jiān)測點(diǎn)位如圖7所示。水平位移監(jiān)測沿樁身每米布置1個(gè)測斜點(diǎn)位，同時(shí)在樁頂連梁區(qū)域4個(gè)角布設(shè)了樁頂沉降監(jiān)測點(diǎn)。本次監(jiān)測同時(shí)也是試驗(yàn)過程，用于驗(yàn)證傾斜雙排樁支護(hù)效果。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位平面布置

5.3 監(jiān)測結(jié)果

本次傾斜樁支護(hù)段基坑開挖從2020年5月16日—6月20日，基坑開挖過程中對傾斜樁變形與樁頂沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，選取12號樁位前排斜樁監(jiān)測結(jié)果，軟件設(shè)置報(bào)警值參考湖北省地方規(guī)范[12]，一級基坑取40mm。

開挖10m之后支護(hù)樁樁頂位移基本穩(wěn)定在30mm左右，為研究支護(hù)樁最大支護(hù)深度。項(xiàng)目部對樁頂進(jìn)行堆載，當(dāng)堆載高度達(dá)到3.5m時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)開始報(bào)警，同時(shí)樁頂冠梁有細(xì)小裂縫出現(xiàn)，現(xiàn)場及時(shí)進(jìn)行樁頂卸載。通過本套自動(dòng)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以反映傾斜雙排支護(hù)樁效果，得到當(dāng)前地質(zhì)條件下最大支護(hù)深度可達(dá)13.5m。

6 結(jié)語

采用Vue.js腳本進(jìn)行前端軟件開發(fā)，并結(jié)合MySQL，SQL數(shù)據(jù)庫后端數(shù)據(jù)處理技術(shù)開發(fā)了基坑自動(dòng)化監(jiān)測及數(shù)據(jù)移動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)。系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入和編輯，能滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析需要，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)發(fā)布與分析，并能對工程信息、用戶、客戶等復(fù)雜的信息收集保存?zhèn)溆茫瑪?shù)據(jù)輸出的結(jié)果規(guī)范簡單明了，易于查看調(diào)用。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對基坑狀態(tài)的預(yù)警功能，客戶能夠根據(jù)規(guī)范和現(xiàn)場情況靈活設(shè)置報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)對基坑施工的動(dòng)態(tài)管理。

該套系統(tǒng)應(yīng)用在武漢某深基坑工程前排傾斜雙排樁支護(hù)段，自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)反映支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，根據(jù)湖北省地方規(guī)范，設(shè)置支護(hù)樁測斜數(shù)據(jù)的報(bào)警值，可以檢驗(yàn)支護(hù)樁的最大無支撐支護(hù)深度。