上海水利泵閘工程深基坑信息化監測平臺應用研究

鄧 群，蘭士剛

(上海市堤防(泵閘)設施管理處，上海 200080)

上海是典型的軟土地基，地基承載力較差，在其上進行工程建設之前必須對地基進行處理[1]。隨著城市水利建設的發展，今后幾年內上海市將有數十座泵閘工程進入實施階段。上海城市建設用地的緊缺，致使泵閘工程施工場地周圍建筑物密集，地下管線復雜，傳統放坡開挖已不能滿足泵閘基坑施工要求。必須針對上海水利泵閘深基坑特征和施工難點，選擇合理、可靠、經濟的基坑圍護方式[2- 5]。

深基坑工程是水利泵閘工程中危險性較大的分部分項工程，在施工過程中一旦發生安全事故就可能導致作業人員群死群傷，甚至造成重大社會不良影響[6- 7]。故必須采取有效措施對深基坑施工全過程進行有效監測[5]。隨著互聯網技術在工程建設中的應用，以自動化監測設備、數據采集技術、無線傳輸技術為基礎的信息化監測平臺不斷發展完善。應用此類平臺對深基坑施工全過程進行監測并通過對監測數據的反演分析指導深基坑施工，對提高泵閘工程深基坑安全管理效率具有重要意義[8- 10]。

此外，針對目前基坑工程風險管控機制中存在的對報警控制標準要求高、報警頻繁等問題，結合現有的深基坑施工監測數據以及臺風、暴雨等易對深基坑施工產生影響的因素，研究一種多因素融合的基坑風險分級預警機制，也是深基坑安全信息化監測平臺研究的一項重要內容。

1 水利泵閘工程特征及監測重點

1.1 水利泵閘工程特征

1.1.1基坑不封閉，圍護難度高

上海水利泵閘工程大多建于已有河道上，泵閘工程深基坑兩端直接臨水，兩側為傳統基坑工程中的陸地，基坑不封閉。兩端臨水側圍護結構受到河道水位變幅及外海潮汐影響，結構設計及施工中需要考慮的因素更多，難度更高。

1.1.2永臨結合設計要求高

上海水利泵閘工程內、外河海漫段設計施工時通常可以利用主體工程永久結構兼做施工期深基坑圍護結構的一部分。永久結構兼做圍護結構時，永久結構設計需要考慮的因素更加復雜，對設計工作要求很高。

1.1.3水文地質條件復雜

上海水利泵閘工程一般位于大多臨河口布置，河口地區的地質構造復雜，水文地質條件亦復雜多變；加之上海地區典型軟土地基特點，基土特性更為復雜；且水利泵閘深基坑開挖過程中，地下水補給豐富，對深基坑施工的降水及圍護質量提出了較高的要求。

1.1.4坑中坑問題需妥善處理

上海泵閘工程中，泵站底高程一般低于水閘底高程，造成泵站、水閘底板高程存在一定高差。在泵閘工程深基坑圍護結構設計施工時如何處理好泵站和水閘底板間高差引起的坑中坑問題，對保證整體工程施工質量具有重要意義。

1.1.5施工場地通常位于郊區、交通不便

上海水利泵閘工程一般位于已有河道中，其施工地點一般位于郊區，遠離城鎮，交通不便，為施工機械和材料的運輸帶來極大不便。

1.2 泵閘基坑重點監測部位

水利泵閘深基坑施工過程中需修建擋水圍堰形成干地施工環境，且一般會采用工程導流設施排出內河水。此外泵閘基坑工程多位于已有河道且兩端臨水，地下水補給豐富，故多采用地下連續防滲墻基坑圍護形式。因此，在泵閘深基坑施工過程中需要重點對地下連續防滲墻、工程導流設施、排水井點及基坑周邊重要管線5個部分進行重點監測。

2 風險分級預警算法

目前基坑風險預警中采用的預警控制值為單一測點閾值，在基坑安全監測過程中報警頻繁，為基坑安全管理工作帶來諸多不便[11- 13]。本次研究中提出的分級預警機制是通過廣泛收集上海地區基坑工程施工監測資料并對其進行數理統計分析，確定基坑風險預警中各測項的分級預警系數，同時結合施工場地周邊環境情況、基坑施工工況、現場巡查情況及天氣因素提出一種基于實際工程的基坑風險分級預警算法。該算法是借助計算機程序在監測數據報警基礎上對報警數據進行二次判斷，將報警數據按紅、黃、綠3個層次進行風險自動預判，減少人工干預，突出重點報警區域，輔助工程技術人員進行基坑風險判斷，提高基坑工程安全管理效率。

3 監測數據采集與平臺介紹

3.1 監測數據采集

監測數據通過人工和自動化監測設備兩種方式采集并上傳至系統平臺。人工方式主要通過人工安置水準儀、全站儀、活動測斜儀等儀器對圍護結構進行豎向位移、水平位移及深層水平位移等測項的監測工作，人工記錄監測儀器讀數，并通過計算機將監測數據上傳至系統平臺。

自動化設備監測方式主要通過安裝固定式測斜系統、支撐軸力監測系統及各式傳感器及測控單元實現對深層水平位移、支撐軸力及坑外水位的監測,系統自動采集監測數據，并通過特定端口將監測數據自動上傳至系統平臺。

3.2 平臺介紹

3.2.1平臺總體架構

為滿足建設方、設計方、總包方、監理方、監測方及政府管理部門等不同主體的使用需求，平臺采用分層的總體架構模式[13- 16]。平臺層級由低到高分別為數據采集層、傳輸層、數據管理層、應用支撐層、應用層以及最終的Web端和移動端的展現層。數據采集層是系統平臺運行的基礎，主要為各類IT基礎設施和基坑工程安全監測相關傳感器設備；傳輸層通過互聯網、移動互聯網實現人工采集數據和自動化采集數據的傳輸；數據管理層是平臺建設的重點和基礎，能夠保證數據層在基坑工程建設過程中的獲取、表述、查詢、更新及處理的正確性；應用支撐層主要提供授權管理、應用配置、數據更新、數據統計、發布與訪問、自動化傳感器接入等基礎應用支撐服務；應用層主要提供工況維護與展示、監測數據統計與展示、風險預判及展示等主要功能；最終的展現層主要是WEB端和移動端的應用展現。泵閘工程深基坑安全監測平臺總體架構框圖如圖1所示。

圖1 泵閘工程深基坑安全監測平臺總體架構框圖

3.2.2平臺應用系統介紹

平臺包括安全監測信息管理子系統、人工監測子系統、自動化監測子系統和風險預警子系統。其中安全監測信息子系統具體能夠實現項目總覽GIS圖展現、監測數據分析結果展示、施工工況展現、基坑施工最新動態顯示、風險預警管理及警請報送等功能，同時提供通訊錄和話題模塊，支持工程參建各方線上協同管理基坑施工；監測管理子系統具體能夠完成項目信息、測點、銷/報警及監測數據文檔等的管理工作；自動化監測子系統主要通過數據模塊接口開發，實現各測項測點監測數據自動化采集，保證監測數據能夠準確、安全地傳輸至平臺，最后進行數據格式的處理，保證數據格式滿足平臺數據分析功能要求；風險預警子系統主要通過風險分級預警算法構建風險分析模型，采集處理的監測數據進行計算，實現基坑風險分級預警和風險狀態在線顯示。平臺主要建設功能模塊如圖2所示。

圖2 平臺主要建設功能模塊

4 實際工程案例

4.1 工程概況

上海某在建河道整治工程包括出海泵閘基坑工程、護岸基坑工程及沿線的鐵路箱涵工程。其中出海泵閘基坑工程分為Ⅰ區基坑、Ⅱ區基坑和Ⅲ區基坑，根據基坑深度和工程環境條件，Ⅰ區基坑安全等級為二級，Ⅱ區基坑和Ⅲ 區基坑安全等級為三級；護岸基坑工程基坑開挖深度約7m；出海泵閘基坑工程施工范圍內需保護環境主要為鄰近一線海塘大堤及防浪墻。護岸基坑范圍內有多種重要市政管線，在基坑施工過程中需進行重點監測。

4.2 平臺分級預警功能實現

平臺風險預警模塊能夠將多個基坑工程的風險分級預警情況顯示在同一個界面，用戶只需要通過右上角的下拉菜單找到基坑工程項目名稱，點擊就可以看到對應項目的監測時間、紅色報警點總數、橙色報警點總數、黃色報警點總數及基坑總體安全狀況，從而對基坑安全狀況有一個總體把控。

圖3 基坑總體報警情況展示界面

圖4 基坑風險詳情展示界面

找到具體基坑工程項目名稱點擊，平臺以時間軸的方式將所有測點報警情況進行展示，并顯示各類報警點總數，同時顯示風險清單，以表格的方式展示管理人員需要重點關注的測項及相應報警級別高的測點，便于管理人員對超過報警值的測點進行管理，提高管理效率。具體工程項目平臺預警界面如圖3—4所示。

4.3 平臺數據分析功能實現

平臺監測數據模塊左側顯示基坑工程所有監測項目及該項目下測點報警總數；右側顯示所呈現監測數據的上傳時間，項目名稱等基本信息，并展示監測數據最大值處測點編號及最大值，使用戶可以準確掌握各測項測點風險情況。點擊某一具體測項平臺會顯示該測項所有監測點及監測數據數值，點擊某一測點平臺會自動生成該點監測數據隨時間變化的曲線，直觀展示該測點所在處對應測項變化情況，使管理人員準確掌握該點處測項安全情況。平臺數據分析功能界面如圖5—6所示。

圖5 平臺總體監測數據展現層

圖6 平臺數據分析結果展示界面

5 結語

(1)根據不同泵閘項目的地質條件、周邊環境、水文水位等條件制定出需重點監測的部位及監測內容，做到把控關鍵點。

(2)基于已有基坑風險預警標準的不足，通過對大量基坑工程監測數據的統計分析，并結合施工工況、現場巡查、臺風、暴雨等風險因素，研究一種多因素融合風險分級預警算法算法，實現基坑監測風險的分級預警和預警信息自動推送。

(3)以自動化監測設備、數據采集技術、無線傳輸技術為基礎，針對水利泵閘工程深基坑特征及施工要點，結合基坑風險分級預警機制，構建支持工程參建各方協同參與、共同管理的水利泵閘工程深基坑安全信息化監測平臺，實現泵閘工程深基坑施工全過程信息化監測與管理。

(4)將水利泵閘工程深基坑安全信息化監測平臺應用于具體工程中，實現泵閘工程深基坑施工全過程信息化監測，保證泵閘工程深基坑施工過程中及時發現安全隱患、避免事故的發生。