基坑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)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(fā)展有限公司，山東 濰坊 261000)

1 概述

基坑結(jié)構(gòu)屬于隱蔽工程，施工開挖過程受地質(zhì)、降雨等外界環(huán)境影響較大，現(xiàn)場危險源相對較多，因此其安全性被工程界廣泛關(guān)注。目前第三方監(jiān)測是基坑施工安全保障的一個重要手段，但第三方監(jiān)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(shù)據(jù)也往往受技術(shù)人員經(jīng)驗、觀測習(xí)慣等影響，存在一定的誤差，同時傳統(tǒng)檢測是由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進行測量，工作量大，受天氣、現(xiàn)場條件等許多因素的影響。而在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的實施，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與工程安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的最新動態(tài)，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(jié)構(gòu)實施全因素全天候的實時在線監(jiān)測、分析及預(yù)告警等工作，逐漸被提上議程。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則與實現(xiàn)內(nèi)容

2.1 基坑監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計原則

近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大力開展以及5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迭代普及，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測得以在國內(nèi)外發(fā)展迅速[1]，對應(yīng)于土木工程中基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測意識也越來越強。目前結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已被廣泛應(yīng)用于橋梁、地鐵、隧道等大型結(jié)構(gòu)物上，成功實現(xiàn)了對所監(jiān)測結(jié)構(gòu)物的全生命周期實時在線監(jiān)測[2-7]。由于基坑工程屬于隱蔽工程，施工周期較短，環(huán)境復(fù)雜，制約因素較多，所以基坑結(jié)構(gòu)中的在線監(jiān)測應(yīng)用較少，因此很有必要對基坑結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測建立一套完整便捷的系統(tǒng)。

本文系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計及建設(shè)圍繞經(jīng)濟實用、方便可靠的原則，利用信息技術(shù)、軟件開發(fā)、硬件通訊等手段，以監(jiān)測數(shù)據(jù)采集為主、數(shù)據(jù)分析預(yù)警并重，設(shè)計建立了一套基坑結(jié)構(gòu)實時在線健康監(jiān)測系統(tǒng)，以期滿足大多數(shù)民建、市政基坑的在線安全監(jiān)測需求。

2.2 基坑監(jiān)測系統(tǒng)的框架搭建

基坑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個以工程管理、數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)測、閾值告警為主線，以數(shù)據(jù)分析、存儲及報表輸出為輔線的監(jiān)測云平臺，其模塊組成如圖1所示。

2.2.1 監(jiān)測因素構(gòu)成

結(jié)合既有工程經(jīng)驗，基坑結(jié)構(gòu)常見破壞危險源通常分為變形、受力及環(huán)境三部分，系統(tǒng)監(jiān)測因素考慮見表1。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)考慮的基坑結(jié)構(gòu)監(jiān)測因素

2.2.2 工程管理模塊

該模塊設(shè)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(jiān)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(yè)主隨時掌握名下所有監(jiān)測項目的安全情況。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集及分析模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是通過硬件傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送到云平臺服務(wù)器，后端經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析及匯總生成可視化的圖表，用戶側(cè)即可通過任意可上網(wǎng)電腦或手機端APP使用該工程健康監(jiān)測管理系統(tǒng)，做到對數(shù)據(jù)24 h不間斷的采集與監(jiān)測，隨時掌握監(jiān)測項目結(jié)構(gòu)物的因素數(shù)據(jù)動態(tài)，特別是針對基坑結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測、變形和錨桿受力監(jiān)測，這些高危險的關(guān)鍵節(jié)點因素，情況可了然于心。

2.2.4 閾值告警模塊

系統(tǒng)支持兩種方式的告警。一種是數(shù)據(jù)告警，一旦所監(jiān)測的數(shù)據(jù)觸發(fā)了某一閾值范圍，系統(tǒng)會智能地以短信或郵件的方式提醒相關(guān)工作人員，及時去工程現(xiàn)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(shù)據(jù)或其他故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷等問題，系統(tǒng)也會智能地以短信或郵件的方式提醒相關(guān)工作人員，及時去工程現(xiàn)場維修或更換相關(guān)硬件設(shè)備。

3 基坑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 工程概況

基坑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在實驗室經(jīng)過了多次測試，結(jié)果都較為合理、穩(wěn)定，為進一步驗證系統(tǒng)，2016年10月系統(tǒng)在北京某在建基坑項目中予以現(xiàn)場實施。該工程基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)，持力層為中風(fēng)化巖層，垂直段底標(biāo)高-21.3 m；底標(biāo)高-28.8 m，項目采用整體開挖方案，場地東面幾十米范圍內(nèi)遍布磚混凝土結(jié)構(gòu)的民居，基坑開挖過程需同時考慮對相鄰建筑產(chǎn)生的不良影響，在基坑支護方案中采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的方案。

3.2 監(jiān)測因素及布點

根據(jù)基坑結(jié)構(gòu)的實際情況，選取以下6個監(jiān)測因素：1)圍護墻位移監(jiān)測；2)圍護墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測；3)土壓力監(jiān)測；4)地下水位監(jiān)測；5)錨桿拉力監(jiān)測；6)周邊建筑變形。

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備布置熱點圖如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)呈現(xiàn)

搭建的基坑監(jiān)測系統(tǒng)命名為“知物云”在線監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合實際項目的系統(tǒng)部分模塊及結(jié)果展現(xiàn)見圖3～圖5。

基坑結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)通過基于實例的應(yīng)用，各個子系統(tǒng)功能很好地得到了驗證，采集的數(shù)據(jù)合理規(guī)范，數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定，證明了系統(tǒng)的有效性和實用性。

4 結(jié)語

對基坑結(jié)構(gòu)進行實時在線監(jiān)測，取代了傳統(tǒng)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(xiàn)了較大的優(yōu)勢：1)低成本：一次投入，長期監(jiān)測；2)規(guī)范化：可實現(xiàn)無線傳輸，無需長距離布設(shè)線纜、光纜；3)即時性：當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常信息時，系統(tǒng)第一時間發(fā)出預(yù)警信息，并通過短信方式將信息及時轉(zhuǎn)達給相關(guān)管理人員，以便對結(jié)構(gòu)安全進行及時評估；4)全周期：能夠全天候24 h監(jiān)測，如果需要，可以對結(jié)構(gòu)物全生命周期進行監(jiān)測。對下一階段研究的建議：基坑自動化健康監(jiān)測因為還處于發(fā)展初期，對應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)并不健全，傳感器參數(shù)約定也不系統(tǒng)規(guī)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(jiān)測系統(tǒng)的統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)。