基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

閆 康 ，曹 芳 ，肖 偉

（1.長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434000；2.荊州市江漢建設(shè)工程施工圖審查事務(wù)所，湖北 荊州 434007；3.中國葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710119）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市建筑業(yè)施工技術(shù)不斷進(jìn)步，工程項(xiàng)目規(guī)模也不斷擴(kuò)大，基坑建設(shè)工程中的基坑安全越來越受社會關(guān)注。同時，基坑安全中的基坑監(jiān)測任務(wù)和難度隨之提高，相應(yīng)的對監(jiān)測單位也會提出更高的要求。由于基坑工程位置基本都處于城市人口交通較為密集的區(qū)域，因此保證基坑及周邊環(huán)境的安全極為重要。

傳統(tǒng)基坑安全監(jiān)測主要靠人工完成，不僅效率低下、耗時長，而且數(shù)據(jù)計算易出錯，不能及時有效地收集、分析和提取，進(jìn)而很難保證復(fù)雜的現(xiàn)代化基坑的安全。

1 基坑安全監(jiān)測現(xiàn)狀

基坑安全監(jiān)測是一項(xiàng)綜合考察分析的邊緣學(xué)科，其涉及工程測量、地質(zhì)分析、力學(xué)分析、水文等多方面。針對基坑安全監(jiān)測，國內(nèi)外科學(xué)家已經(jīng)做了很多研究，包含測點(diǎn)分布、測量手段、數(shù)據(jù)計算、誤差以及安全預(yù)警判斷等。具體到不同的監(jiān)測項(xiàng)目中，每個項(xiàng)目的支護(hù)和開挖方式的不同，相應(yīng)的又會有不同監(jiān)測項(xiàng)目和重點(diǎn)觀察內(nèi)容。通常，一個監(jiān)測項(xiàng)目包括圍護(hù)樁頂及邊坡土體頂部位水平位移，深層水平位移，水位，地表、周邊建筑等的垂直位移，內(nèi)力，支撐軸力，地表裂縫，等等。即使是監(jiān)測同一個項(xiàng)目，也有可能用幾種不同廠家生產(chǎn)的不同的測量工具。例如，水平位移既可以用經(jīng)緯儀監(jiān)測又可以用全站儀和GPS監(jiān)測。同時，每一種儀器又有各自的計算方法或者自身的配套軟件。總而言之，既分類繁多，又計算復(fù)雜，特別在監(jiān)測項(xiàng)目后期，因?yàn)辇嫶蟮臄?shù)據(jù)量，很難對一些特定的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和查詢。如果能在基坑監(jiān)測過程中使用能將所有監(jiān)測項(xiàng)目集成在一起的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，就能充分發(fā)揮其高效、準(zhǔn)確的作用，在節(jié)約資源、提高效率的同時，更加及時地將數(shù)據(jù)和預(yù)警報道出來，提高信息化程度，保障施工安全。

2 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為解決人工方式分析數(shù)據(jù)效率低的問題，采用PYTHON編程語言、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySql開發(fā)一套基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、預(yù)警決策系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)四個板塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

該板塊可以輸入沉降、水平位移等基坑安全監(jiān)測項(xiàng)目的原始數(shù)據(jù)，輸入方式既可使用Excel格式文件的數(shù)據(jù)源輸入，也可以在軟件內(nèi)部通過界面手工輸入。除了監(jiān)測原始數(shù)據(jù)，還可將基坑項(xiàng)目的信息、勘察資料、使用的監(jiān)測儀器信息、基坑平面圖、分布監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測項(xiàng)目安全等級信息等輸入數(shù)據(jù)庫。

2.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

原始數(shù)據(jù)會先進(jìn)行初始化分析，將測量數(shù)據(jù)的原始讀數(shù)轉(zhuǎn)化為高程、位移、軸力等實(shí)際工程使用的數(shù)據(jù)，再根據(jù)項(xiàng)目、時間、測點(diǎn)點(diǎn)號按順序儲存入數(shù)據(jù)庫中。

在初始化分析完成后，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，計算每種數(shù)據(jù)的單次變化值、累計變化值、變化速率等儲存入數(shù)據(jù)庫，再綜合各種數(shù)據(jù)的變化趨勢、擬合曲線方程、預(yù)計未來的變化趨勢，將未來出來可能和現(xiàn)在已經(jīng)超出預(yù)設(shè)值的某些數(shù)據(jù)和相應(yīng)測點(diǎn)點(diǎn)位、時間等信息傳送給預(yù)警決策系統(tǒng)。

2.3 預(yù)警決策系統(tǒng)

報警值是基坑監(jiān)測中規(guī)定的重要指標(biāo)，可保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和周圍環(huán)境的安全。此系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)監(jiān)測安全等級，對每一種監(jiān)測項(xiàng)目采用三級預(yù)警：當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過一級預(yù)警值時，系統(tǒng)會提示藍(lán)色預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過二級預(yù)警值時，系統(tǒng)會提示黃色預(yù)警；當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過三級預(yù)警值時，系統(tǒng)會提示橙色預(yù)警。系統(tǒng)給予預(yù)警的同時，還會給出相應(yīng)的應(yīng)對方案，并把預(yù)警記錄傳遞給查詢系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理。

2.4 數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)

用戶可以在數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)中利用關(guān)鍵詞從數(shù)據(jù)庫中查詢到相應(yīng)的信息，如基坑工程名、監(jiān)測項(xiàng)名、監(jiān)測次數(shù)、時間、編組組名、序號等單種，或復(fù)合多種方式組合進(jìn)行篩選查詢，還可以根據(jù)危險值數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、最值或者指定范圍等特殊條件查詢。

根據(jù)用戶查詢條件篩選的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動生成相應(yīng)的圖表方便用戶直觀查看連續(xù)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在制圖時默認(rèn)以時間為X軸，用戶可任意選擇單位時間也可更改X軸為其他項(xiàng)目，如監(jiān)測次數(shù)或者開挖深度。數(shù)據(jù)圖表模塊整合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，可以自動生成單次報表、日報表、周報表或者月報表，并自動歸納總結(jié)、匯報基坑情況，所有報表在數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)的同時即可立即產(chǎn)生，且可隨時在系統(tǒng)里查看，以及任意導(dǎo)出Excel格式或者Word格式的文件，格式規(guī)范統(tǒng)一。

除了數(shù)據(jù)查詢，查詢系統(tǒng)還可以完成在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中輸入的基坑的基本信息、勘察資料、監(jiān)測儀器信息、基坑平面圖、分布監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測項(xiàng)目安全等級信息等的查詢。另外，還可以查詢基坑安全系統(tǒng)用戶手冊以及輸入數(shù)據(jù)的格式范例，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 基坑安全監(jiān)測系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)使用先進(jìn)的環(huán)境構(gòu)架，有著編程語言簡明、數(shù)據(jù)庫安全可靠、基坑監(jiān)測方案設(shè)計智能、用戶使用時操作簡便等許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。

3.1 安全可靠的數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)后，所有輸入的原始數(shù)據(jù)會在傳入數(shù)據(jù)庫后會生成2份文件：一份為只可讀取、不可修改的副本文件，用作存儲原始值，同時保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)崩潰時可以讀取初始狀態(tài)值，不至于讓數(shù)據(jù)遺失；另一份為可讀取、可修改的操作文件，可以添加、修改和刪除數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析的所有功能都是基于操作文件進(jìn)行。

3.2 智能的基坑監(jiān)測方案設(shè)計

系統(tǒng)內(nèi)置基坑監(jiān)測規(guī)范，用戶輸入基坑的基本信息和安全等級就可以自動分配基坑監(jiān)測項(xiàng)目，且可根據(jù)基坑實(shí)際工程情況增加或者減少基坑監(jiān)測項(xiàng)目，用戶指定合適的監(jiān)測方案以及指定測量工作方便。

3.3 整合的監(jiān)測手段和計算方法

可以將不同廠家和不同型號、不同功能的設(shè)備整合在一起，所有的設(shè)備只需將原始數(shù)據(jù)輸入，就可自動計算。可直接將位移、應(yīng)力、水位等實(shí)際數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，不用在外部由人工計算后輸入系統(tǒng)，減少了人工計算和轉(zhuǎn)錄誤差。

3.4 便捷的預(yù)警值預(yù)設(shè)

系統(tǒng)內(nèi)置《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，在確定好監(jiān)測項(xiàng)目后，根據(jù)項(xiàng)目的安全等級自動設(shè)置安全預(yù)警值。另外，系統(tǒng)也支持用戶根據(jù)項(xiàng)目情況自定義預(yù)警值。

3.5 智能的多因素綜合分析

多個項(xiàng)目在測量時，同一橫截面的各種數(shù)據(jù)存在一定的趨勢性，如在同一截面的深層水平位移劇烈改變時，地表水平位移和地表沉降會以一定的趨勢移動。以此為依據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)通過多次數(shù)據(jù)篩選，使用監(jiān)測系統(tǒng)中的Matplotlib模塊擬合出同一截面上各個點(diǎn)之間的關(guān)系方程，由此判斷某個點(diǎn)在測量時的數(shù)據(jù)錯誤；也可以在當(dāng)某個點(diǎn)由于特殊工況無法測量時，預(yù)測出該點(diǎn)的數(shù)據(jù)；當(dāng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較多時，系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)，甚至可以判斷出未來幾天的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

使用基坑監(jiān)測系統(tǒng)能更加快捷完成數(shù)據(jù)的錄入和分析，同時安全、穩(wěn)定地分門別類保存數(shù)據(jù)，方便隨時檢索和調(diào)用數(shù)據(jù)。同時，還可根據(jù)需求導(dǎo)出報表，且格式規(guī)范統(tǒng)一、工整美觀。多因素分析時使用Matplotlib模塊，能有效預(yù)測數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險，提高了預(yù)警的置信度和精度。整體來說，基坑安全系統(tǒng)安全、可靠，是有效的基坑監(jiān)測工具。