基坑支護系統控制與安全預警系統

摘要：隨著我國國民經濟的飛速發展，城市建設的日新月異，高層、超高層建筑的

拔地而起，地鐵、地下隧道、地下商場等各類地下工程的大量涌現，地下室層數

與基坑開挖深度都在不斷增加，這與軟土工程地質條件之間的矛盾同益突出；同

時客觀條件決定了越來越多的深基坑工程必須在原有密集建筑物的包圍之下進行施工，因此保證深基坑在施工階段的安全、穩定性將對整個工程的安全、經濟施工以及對周圍建筑的安全起到極為關鍵的作用。所以建立一套基坑支護預警控制系統，一方面能實現可控支撐系統的自動調節功能；另一方面，能實現實時、在線監測，以解決基坑工程的不確定性、高度非線性、隨時空變化等特點。

關鍵詞：系統控制；預警

一．監控項目確定

影響基坑支護系統的關鍵要素中，能夠被控制的參數有支撐預應力和基坑開挖的時空效應。本基坑支護預警控制系統以支撐系統的支撐軸力和基坑開挖的時空效應為監控對象，其中基坑開挖的時空效應集中反映在基坑圍護結構的位移S及變形速率礦上。

由于支撐樁支架并不是固定不動的，其位置會隨被其支撐的基坑圍護結構的變形而產生移動。因此，推力缸內的位移傳感器測出的是推力缸的相對位移。為監控圍護結構的垂直度指標，需在圍護結構中安裝測斜儀，以便能得到支撐樁兩端圍護結構的絕對位移值，供基坑支護監測控制系統使用。

二.系統概述

控制系統以支撐壓力和圍護結構的變形為監控對象，以基坑工程有限元計算得到的支撐應力和圍護結構的變形值為監控目標，若監控對象偏離目標時，通過可控式液壓支撐系統的調節功能實現系統自動控制。監控對象中，支撐壓力為直接控制量，圍護結構變形為間接控制量。通過調節直接控制量來間接調節另一控制量。當系統環境或參數突變導致間接控制量無法正常調節而達到或超出警戒值時，預警數據庫給出預警信號，提示施工人員提早做好預防、搶救措施，避免事故的發生。根據基坑支護系統控制需要，分析以往實踐經驗，收集工程實例進行總結、歸納，在Visual Basic編成環境中開發基坑支護預警數據庫。這一數據庫將有助于基坑支護施工方面做出智能化決策。

本基坑支護預警控制系統采用兩道“預警防護墻”：

1)神經網絡預警：系統采樣得到的基坑圍護結構的變形值經過神經網絡預測后，輸入預警數據庫中，判斷支撐系統短期內的支撐狀態及控制方式，以便支護系統在到達警戒值前就進行報警，為基坑支護系統建立了第一道“預警防護墻”。

2)實時預警：由系統采集到的圍護結構變形值、支撐系統J玉力值，通過與各警戒值(見后)比較后，判斷相應電磁閥的工作閥位，并通過預警數據庫得到每個支撐系統的預警狀態，為基坑支護系統提供第二道“預警防護墻”。預警控制系統首先判斷支撐壓力和圍護結構的變形是否達到計算值，并且在安全范圍內實行液壓支撐系統的自動調節功能，若出現警戒狀態，則狀態值輸入兩道“預警防護墻\"得到每個支撐系統的預警狀態，發出控制和預警信號。

三.預警控制系統參數確定

基坑可控式液壓支撐系統在實施支撐時，必須對其施加一定的預應力以實現有效支撐。支撐預應力的大小與基坑丌挖參數、工程環境參數等有密切的聯系。

在基坑支護預警控制系統中，確定各監測項目的監控警戒值是一項十分重要的。每一項監測項目都應該根據基坑工程的實際情況、周邊環境和基坑支護系統的設計計算，事先確定相應的監控警戒值，用以判斷支護結構的受力情況、位移是否超過允許的范圍，進而判斷基坑的安全狀態，做出相應的、合理的調整控制，阻止工程狀態繼續惡化，避免事故的發生。

監控預警值由以下原則確定：

1)滿足設計計算的要求，不能大于設計值；

2)滿足現行的有關規范、規程的要求；

四．預警數據庫

基坑支護預警數據庫存儲基坑支護系統的狀態和報警信息。由兩部分組成：神經網絡預測預警和實時預警。實時預警又分為“支撐軸力正常時的位移預警”、“空洞報警”以及“支撐軸力過大異常報警”三部分。

對于兩道“預警防護墻”——神經網絡預測預警和實時預警，前者優先級高于后者，具體意義包括：

1.若神經網絡預測出現“異常”結果，說明未來短時間內圍護結構的位移將要超出警戒值，提示液壓支撐系統不能再進一步增大支撐系統的壓力(禁止電磁閥1YA打開)；

2.若一根支撐樁的神經網絡預警和實時預警同時出現“異常”結果(這種情況一般不會出現，因為在實時預警出現“異常”之前，神經網絡應給出了“異常”預警，經基坑支護系統控制調整后，基坑支護狀態會轉好而避開警戒狀態。)，應根據預警信息馬上進行施工調整處理；

3.預警數據庫結構

基坑支護預警數據庫由五個表組成：神經網絡位移預測報警表、實時變形速率報警表、空洞報警表、支撐壓力正常時位移報警表、支撐壓力過大報警表。前者屬于神經網絡預警系統，后四者都屬于實時預警系統。

4.神經網絡位移預測報警表

系統采集得到的位移和壓力數據保存后經神經網絡預測得到預測位移和壓力(預測壓力值可以省略，因為基坑支護控制系統中的支撐壓力為直接可控制參數)，預測位移與位移警戒值比較出現以下兩種情況：

1)正常狀態：預測位移小于位移警戒值；

2)異常狀態：預測位移大于或等于位移警戒值。系統發出預測報警信號。

5．實時變形速率表

基坑支護系統的變形速率用一天內圍護結構的變形總量來衡量，是反映基坑工程時空效應大小的一個重要參數。每天的變形速率與變形速率警戒值對比后，

出現如下預警狀態：

1)正常狀態：變形速率小于變形速率警戒值；

2)變形速率超出相應預警值時的異常狀態。按照超出變形預警值的大小分為“0％～2％”、“2％～4％”、“4％～5％”、“≥5％”四個等級，分別標識為“1”、“2”、“3”、“4\"級。

如前所述，此報警為第一道報警系統出現故障時的后備報警系統，增進預警功能。表格設置與神經網絡位移預測報警表相同，程序編寫時，合并為一個表格。

6．空洞報警表系統訪問該報警表有以下條件：

1)采樣壓力小于設定壓力值；

2)采樣位移值或變形速率大于相應的警戒值。

基坑圍護結構根據采樣位移相對于警戒值的變化幅度分為“2％''--4％”、“4％～6％\"、“6％''-10％\"、“≥10％”四個報警級別，級別標識符按變形從d，N大順序排列為“1”、“2”、“3’’、“4”級。

由于巖土介質的復雜性以及基坑開挖施工過程的不確定性使得基坑支護系統的安全控制預警遇到了不少的困難。本章通過建立基坑支護預警控制系統實現了基坑開挖過程中支撐系統的自動調節和報警功能，主要作了以下工作：

1)分析已往基坑事故原因，總結出基坑支護系統控制變形的主要因素及預警狀態；

2)確定了基坑支護系統的監控方案及監控項目的警戒值，并實現了基坑支護系統的自動調節功能；

3)通過建立基坑預警數據庫，實現了基坑狀態的預警功能2100021984022001136。