研究自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用

歐陽(yáng)波，田力

（湖南省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)所湘南所，長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

基坑工程的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)可以建立系統(tǒng)化、自動(dòng)化、立體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 快速及時(shí)地對(duì)各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況做出評(píng)估，監(jiān)測(cè)地表的位移、沉降變化動(dòng)態(tài)，基樁的應(yīng)力應(yīng)變，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體內(nèi)部位移變化和水位變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)， 根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況做出預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，及時(shí)反映地表形變區(qū)的安全情況，為后續(xù)的安全施工運(yùn)行提供可靠的依據(jù)。 同時(shí)，參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)設(shè)定預(yù)警閾值，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中變化速率超過(guò)閾值、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形異常等情況時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)通過(guò)本地聲音報(bào)警、遠(yuǎn)程聲音報(bào)警、相關(guān)防災(zāi)人員手機(jī)短信等方式發(fā)出預(yù)警信息，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)野外監(jiān)測(cè)設(shè)備自動(dòng)報(bào)警， 監(jiān)測(cè)成果實(shí)時(shí)發(fā)送至業(yè)主單位、監(jiān)理單位、施工單位，為基坑安全施工做好監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

2.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概念

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是集成了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、傳感器技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算技術(shù)及地理信息系統(tǒng)技術(shù)的綜合系統(tǒng)工程， 通過(guò)綜合分析多種監(jiān)測(cè)方法獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，并能及時(shí)做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，防止或減輕損失。 面向監(jiān)測(cè)防治專業(yè)人員提供實(shí)時(shí)的詳細(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息， 更能為業(yè)主及時(shí)提供各類突發(fā)應(yīng)急信息，長(zhǎng)期用于深基坑和施工環(huán)境復(fù)雜的工程，為調(diào)度決策與指揮提供有力的技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特征

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)的流程化、 自動(dòng)化和細(xì)節(jié)化。 為基坑支護(hù)的穩(wěn)定性判定等數(shù)據(jù)的收集提供了依據(jù)。 目前，為保證工程質(zhì)量的持續(xù)發(fā)展，利用自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，把基坑工程的安全、穩(wěn)定施工作為主要監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)對(duì)工作和資料的收集，使基礎(chǔ)施工工藝得到全面、準(zhǔn)確的反饋。 利用高精度傳感器監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降、位移、受力等變化量，建立安全監(jiān)測(cè)模型系統(tǒng)，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形與形變規(guī)律并實(shí)現(xiàn)信息及時(shí)反饋，合理制定監(jiān)測(cè)內(nèi)容、布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和確定數(shù)量。 為調(diào)度決策與指揮提供有力的技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)、 數(shù)據(jù)庫(kù)以及GIS等技術(shù)，通過(guò)綜合分析多種監(jiān)測(cè)方法獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定狀況及其發(fā)展趨勢(shì)，并能及時(shí)做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，防止或減輕損失。 面向工程專業(yè)人員提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，能為工程各參與方及時(shí)提供各類突發(fā)應(yīng)急信息， 為調(diào)度決策與指揮提供有力的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)保障。

2.3.1 科學(xué)合理性原則

監(jiān)控目標(biāo)的選取應(yīng)符合相關(guān)安全規(guī)程和規(guī)定， 應(yīng)有科學(xué)和法律依據(jù)；監(jiān)控手段應(yīng)科學(xué)、先進(jìn)，監(jiān)控成果應(yīng)準(zhǔn)確有效。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面形態(tài)、空間形態(tài)、地表地形、地表植被、附近居民通電情況，合理選擇設(shè)備通信方式和供電方式；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件、誘發(fā)因素、變形特點(diǎn)、穩(wěn)定性狀況、發(fā)展趨勢(shì)、應(yīng)急措施等選擇現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感器；全方位、多手段、立體化監(jiān)測(cè)。 除了對(duì)地表變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中的地下深部位移、地下水位、鋼筋應(yīng)力、支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立立體化的監(jiān)測(cè)網(wǎng)；同時(shí)，還應(yīng)考慮誘發(fā)因素、工程措施，采用全方位、多手段的監(jiān)測(cè)方法。 采用多因素評(píng)價(jià)模型。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的傳感器，建立相應(yīng)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，在考慮多因素的條件下，綜合評(píng)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的安全等級(jí)[1]。

2.3.2 擴(kuò)展性和開(kāi)放性原則

監(jiān)控環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境變化，增加或者刪減功能，在確保已投入的監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)測(cè)元器件及監(jiān)測(cè)軟硬件能夠繼續(xù)使用的情況下減少重復(fù)投入；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)信息宜采用通用的國(guó)內(nèi)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式， 有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)展和監(jiān)測(cè)成果使用的二次開(kāi)發(fā)利用； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)軟件可支持多種監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、匯總和支持人工巡檢、查詢、記錄。

2.3.3 先進(jìn)性與實(shí)用性原則

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 應(yīng)首先考慮的是便捷性和實(shí)用性，便于管理和維護(hù)系統(tǒng)，容易掌握和學(xué)習(xí)、使用。 隨著信息化、智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，新的設(shè)備（如各類高精尖的傳感器）不斷涌現(xiàn)并趨于成熟，在滿足實(shí)用性的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量采用先進(jìn)的傳感技術(shù)，融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)使整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足基坑監(jiān)測(cè)的需要。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用

3.1 案例應(yīng)用

以長(zhǎng)沙市黃花機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目磁懸浮車站與機(jī)場(chǎng)T3 航站樓、地鐵6 號(hào)線、10 號(hào)線、S2 線黃花機(jī)場(chǎng)東站共同組成的換乘交通樞紐為例，對(duì)基坑重點(diǎn)部位建立了系統(tǒng)化、自動(dòng)化、立體化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 快速及時(shí)地對(duì)各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化情況做出了評(píng)估，并且監(jiān)測(cè)了地表的位移、沉降變化動(dòng)態(tài)，基樁的應(yīng)力應(yīng)變， 并對(duì)土體內(nèi)部位移變化的動(dòng)態(tài)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)部水位變化動(dòng)態(tài)對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。 通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出基坑及基坑周邊地形、地下管線及居民建筑物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，確保了基坑支護(hù)的安全穩(wěn)定，為后續(xù)的施工安全保駕護(hù)航。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及原理

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 需要監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)， 可以根據(jù)工程安全影響因素分析設(shè)立不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容的觀測(cè)點(diǎn)。 通過(guò)高精度傳感器監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化量，建立監(jiān)測(cè)模型，并分析變形規(guī)律，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋，安全監(jiān)測(cè)模型的建立，合理制定監(jiān)測(cè)內(nèi)容、布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量是非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)工作。 此自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)基坑的邊坡水平位移、地表沉降、樁體、樁頂水平位移結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、支撐軸力監(jiān)測(cè)、支撐立柱沉降監(jiān)測(cè)、深層水平位移、地下水位進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[2]。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

3.3.1 數(shù)據(jù)采集

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)的過(guò)程。 使用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和處理。 通常按照規(guī)程規(guī)范要求設(shè)定固定采集時(shí)間、采集頻率或采集次數(shù)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)值超出設(shè)計(jì)限定值時(shí)，可提高采集頻率，使數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確及時(shí)地反映監(jiān)測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)變化的形變過(guò)程。

3.3.2 傳輸數(shù)據(jù)方式

數(shù)據(jù)傳輸常用的通信方式有GPRS/4G/5G，以及短程無(wú)線傳輸?shù)取?一般組網(wǎng)方式的選定原則為：（1）公共網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋的地區(qū)，優(yōu)先考慮選用公共網(wǎng)絡(luò)；（2）對(duì)于公共網(wǎng)絡(luò)未能覆蓋的地區(qū)，可選用超短波通信方式；（3）對(duì)于既無(wú)公共網(wǎng)絡(luò)，又無(wú)條件建超短波的地區(qū)，可選用衛(wèi)星通信方式；（4）對(duì)于重要監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或有條件的區(qū)域，宜選用兩種不同通信方式，實(shí)現(xiàn)互為備份，自動(dòng)切換的功能，確保信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅惩ā?/p>

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處區(qū)域具備GPRS 信號(hào)時(shí)，GPRS/SMS 無(wú)線通信鏈路作為主鏈路，其余為輔助鏈路。 預(yù)警平臺(tái)宜優(yōu)先利用成熟的GPRS/4G/5G 網(wǎng)絡(luò)， 通過(guò)靈活地控制設(shè)備的采集規(guī)則，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[3]。

3.3.3 信息處理

各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息傳輸在數(shù)據(jù)采集前、 后都可進(jìn)行處理，信息處理分析、濾波功能有：（1）數(shù)據(jù)采集：觸發(fā)采樣，多次觸發(fā)采樣、隨機(jī)采樣，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和采樣時(shí)間自由設(shè)定，采樣時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)觀察波形變化隨機(jī)采樣；（2）監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)顯示；（3）數(shù)字濾波：高通，低通，帶通，帶阻濾波等；（4）頻域、時(shí)域的分析：對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)信息進(jìn)行頻域、時(shí)域范圍的不同類型分析和不同點(diǎn)數(shù)的FFT 分析；（5）其他相關(guān)分析：可對(duì)各系統(tǒng)間信號(hào)的其他相關(guān)性進(jìn)行分析。

4 監(jiān)測(cè)信息反饋及報(bào)警設(shè)置

4.1 監(jiān)測(cè)信息反饋

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接上傳至云平臺(tái)， 云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，形成周報(bào)、月報(bào)，專業(yè)數(shù)據(jù)分析組定期編制專業(yè)分析評(píng)估報(bào)告，并上傳至云平臺(tái)，業(yè)主單位擁有云平臺(tái)數(shù)據(jù)瀏覽、下載和專業(yè)分析評(píng)估報(bào)告的瀏覽、下載權(quán)限。 預(yù)警信息第一時(shí)間以短信、郵件方式向相關(guān)負(fù)責(zé)人發(fā)送。

4.2 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)原則

監(jiān)測(cè)報(bào)警值是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)是否超限的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于保證監(jiān)測(cè)部位結(jié)構(gòu)安全極為重要，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的管理體系，應(yīng)在日常監(jiān)測(cè)過(guò)程中嚴(yán)格遵守。 當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到或超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)， 監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)推送信息至管理員及業(yè)主負(fù)責(zé)人執(zhí)行預(yù)定的應(yīng)急預(yù)案[4]。

4.3 預(yù)警閾值確定原則

當(dāng)實(shí)測(cè)變形值達(dá)到最大變形值的60%、80%、100%時(shí)的應(yīng)對(duì)控制措施參考CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》表7.4.1。

當(dāng)實(shí)際變形值達(dá)到最大變形值的60%時(shí)， 應(yīng)向工程施工單位、監(jiān)理單位及建設(shè)單位等各方發(fā)出預(yù)警；

監(jiān)測(cè)的實(shí)際變形值達(dá)到控制指標(biāo)的80%時(shí)， 應(yīng)向本工程施工單位、監(jiān)理單位及建設(shè)單位等各方發(fā)出報(bào)警；

當(dāng)達(dá)到監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警，同時(shí)執(zhí)行監(jiān)測(cè)工作的應(yīng)急預(yù)案，通知各方實(shí)施應(yīng)急措施。

4.4 分級(jí)預(yù)警

監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別是根據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息， 通過(guò)核對(duì)、綜合分析及專家論證意見(jiàn)等確定，判定工程風(fēng)險(xiǎn)大小以及確定監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行時(shí)時(shí)預(yù)警。 預(yù)警級(jí)別按工程風(fēng)險(xiǎn)由大到小分為四級(jí)：紅色預(yù)警、橙色預(yù)警、黃色預(yù)警、藍(lán)色預(yù)警。

根據(jù)不同級(jí)別的預(yù)警，確定不同的預(yù)警機(jī)制，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用時(shí)間順序法、 歸類法、 統(tǒng)計(jì)法等手段對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，在出現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯異常變化，超出監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)能立即發(fā)送預(yù)警信號(hào)（短信、聲光信號(hào)），確?，F(xiàn)場(chǎng)人員能接收到預(yù)警信息， 并采取有效防治措施， 避免安全事故的發(fā)生； 若監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況不是很明顯， 未超出監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)定值，可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立立體模型，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形與形變規(guī)律，及時(shí)研判施工對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)影響的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述， 本文主要針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在長(zhǎng)沙機(jī)場(chǎng)基坑支護(hù)工程開(kāi)挖中的應(yīng)用進(jìn)行分析,給出了相應(yīng)的建議，并闡述了相關(guān)思考。 首先，針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在基坑支護(hù)工程開(kāi)挖中的應(yīng)用必要性進(jìn)行分析；然后，探討了基坑支護(hù)工程開(kāi)挖各個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用思路；最后，針對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié),提出了相應(yīng)的建議。 希望通過(guò)本文的論述，能對(duì)相關(guān)行業(yè)有所借鑒，并逐漸凸顯其在實(shí)際應(yīng)用中的作用，保證其應(yīng)用的安全性、可靠性和規(guī)范性，從而為城市的長(zhǎng)期發(fā)展注入動(dòng)力。