轨道交通深基坑施工实时监测及预警系统研究

王曼 步乐乐 冷志鹏 朱立伟

摘 要：文中为城市轨道交通深基坑科学监测及预警管理提供了设计支持，建立了基于自动化实时监测系统的深基坑监测体系，通过应用现代传感、通信和网络等信息化技术，实现了一个集中式在线监测综合管理平台。该平台具有多项目深基坑在线监测、数据信息处理及安全预警等功能，可帮助管理部门科学评估深基坑的状态及其发展演化趋势，在基坑接近危险状态时及时预警，从而降低深基坑发生安全事故的风险。

关键词：城市轨道交通;深基坑;实时监测;安全评估;预警系统;信息化技术

中图分类号：TP393;U231.1文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0 引 言

城市空间资源不足限制了城市的建设和发展，城市地下空间的开发与利用在城市建设和发展中发挥着越来越重要的作用[1]。轨道交通作为一种高效便捷、安全舒适的交通工具，极大地缓解了城市公共交通压力，促进了社会和经济发展。随着地铁线路不断增多，深基坑也在向超深、超大方向发展。近年来，在城市建設过程中会出现管线改移、管线被挖损等事故，造成巨大的经济损失[2]，由深基坑施工所造成的基坑坍塌、建（构）筑物倾斜或开裂、道路沉陷、管线爆裂等事故屡有发生，造成了不良的社会影响。因此，保证深基坑施工安全是目前亟需解决的难题之一。

深基坑施工实时监测及预警系统面向一个区域多项目基坑对象，应用现代传感、通信和网络等信息化技术，实现集基坑结构监测、数据分析处理、预警评估等功能于一体的集中式在线监测综合管理平台[3]，同时结合数据挖掘技术及时掌握深基坑变形演化趋势，方便建设单位提前采取措施，避免事故发生。

1 系统总体功能概述

本系统实现重点基坑集中式在线监测管理，系统以统一标准化的方式进行总体规划，由底层的分布式基坑现场监测系统，中层的共享式数据远程传输网络以及上层的集中式基坑监测管理中心组成。

基坑监测系统组成如图1所示。其中分布式基坑现场监测系统是区域级基坑集群监测平台基础支撑系统。底层的基坑现场信息感知层由自动化在线监测子系统与电子化人工巡检子系统组成。自动化在线监测子系统由数据采集模块、现场传输模块组成。其中，数据采集模块主要由分布在基坑现场的数据采集工作站中的各类采集设备组成，主要功能是数据采集，并按照监测信号种类进行数据转换、预处理、获取目标监测量。现场传输模块将经过采集模块获得的数字信号集中汇聚，调制成为可供远程传输的信号，并通过现场光纤环网传输到基坑现场工作站。电子化人工巡检子系统由基坑监测人员利用PDA设备进行巡检数据及人工监测数据的录入，并对日常巡检管理、巡检任务的执行情况进行有效监控。

中层的共享式数据远程传输网络是联系底层分布式基坑现场监测系统与上层基坑监测管理中心的通道。远程传输网络包含基坑公共资源网络，如电信、移动、联通的宽带光纤网络及4G/5G无线网络。

上层基坑监测管理中心主要由结构安全预警与综合评估子系统、监测数据挖掘及预测子系统、中心数据库子系统、用户界面子系统组成，主要功能是完成对基坑的预警与安全评估等，并通过Web应用提供给用户如监测、巡检、预警等信息。

2 分布式基坑现场信息感知层设计

2.1 自动化在线监测子系统

基坑监测系统能否对基坑结构的安全状态做出准确客观的评估，取决于数据采集系统能否及时采集到真实反映结构状态的特征信息。监测系统方案中传感器系统的类型和规模确定后，便立即着手解决传感信号的自动采集、可靠转换和传输等问题。数据采集与传输子系统由分布在基坑现场的数据采集工作站和传输网络构成，即基坑数据采集中心。对每个项目分别设置一个数据采集中心，各数据采集中心通过无线网络将数据传输到基坑管理数据中心。

数据处理与控制模块负责对以上两个模块采集的数据进行处理，并提交给后续各子系统使用[4]，同时对数据采集与传输模块的工作进行操作控制。数据处理与控制模块实现功能如下：

（1）数据采集、传输的设置和控制;

（2）将传感器信号转换为目标测试量;

（3）评估数据质量，剔除异常值，抽取优良数据，判断传感器和数据采集板卡工作状态，如有异常及时报警;

（4）根据需要对数据进行滤波和重采样，提高数据信噪比，降低数据量;

（5）根据需要进行相应的数据分析、提取和变换，包括计算和提取各类特征量，进行数据统计分析、数据对比分析、数据图形分析、时域变换、频域变换、时频变换等;

（6）向自动化在线监测子系统提交所需数据。

同时，本系统还为现场供电进行了防雷电设计，将绝大部分电流直接引入地下泄散，防止沿电源线或者数据、信号线引入的过电压波危害设备（内部保护及过电压保护），限制被保护设备的浪涌过电压幅值（多电压保护）[5-6]。

自动化在线监测子系统中的监测项目包括环境荷载、基坑结构关键位置内力等参数，具体见表1所列。

2.2 电子化人工巡检子系统

对基坑进行全面监测不仅要依靠自动化数据采集子系统，还要建立人工巡检管理子系统。电子化人工巡检子系统包括电子化巡检管理软件和现场巡检软件，其中现场巡检软件的主要功能是对基坑施工过程中发现的问题进行现场记录;电子化巡检养护管理软件主要管理基坑损伤信息、结构状态评估、预测分析、运行状态等。系统应具备以下功能：

（1）及时记录基坑现场巡视及人工监测的内容、手段、检查表格、时间间隔等;

（2）对巡检项目实现电子化，制定巡检计划和任务，并按照规范提供人工巡检内容电子化表格，规范巡检，实现巡检信息自动上传[7-8];

（3）制订基坑的巡检养护手册与养护指导意见，对巡检数据、巡检任务的执行情况进行有效管理。

3 基坑远程传输网络层设计

建设区域范围的监测系统，搭建合适的数据远程传输网络，由现场局域网模块与城市主干网络连接，完成数据从基坑现场采集工作站到基坑监测管理中心的远程传输。本项目拟建的监测物联网系统数据远程传输网络拓扑结构如图2所示。

4 上层集中式基坑监测管理中心

4.1 结构安全预警与综合评估子系统

结构安全预警与综合评估子系统分为结构安全预警模块和综合评估模块。

结构安全预警模块的主要作用是对基坑出现的危险状态进行蓝色、黄色、橙色、红色分级预警。首先，描述基坑的主要危险状态，建立危险状态信息库;其次，对基坑的主要危险状态进行识别;最后，根据不同的危险状态和预警级别给出相应的应急预案，并以最快的方式通知基坑建设单位。

结构综合评估模块主要功能包括结合人工巡检信息和自动采集数据对基坑的整体工作状态进行评估，在线生成快速评估报告，定期生成离线综合评估报告，并根据评估结果给出相应的基坑施工建议。

4.2 监测数据挖掘及预测子系统

监测数据挖掘及预测子系统须对监测数据进行数据挖掘。目前数据挖掘的主要方法包括神经网络方法、遗传算法、决策树方法、粗集方法、统计分析方法以及模糊集方法[9]。

基坑监测数据挖掘流程如图3所示。

数据挖掘的步骤如下：

（1）在数据准备阶段确定挖掘目标，完成数据选择和采样工作;

（2）在实施阶段对数据进行预处理，将数据转换为指标，形成模式和模型;

（3）在数据挖掘验证阶段，通过数据验证挖掘得到内容的可靠性与适用性[10]。

在确定数据挖掘目标之后，首先需要寻找各监测累计变形与变形速率的概率分布特征，然后探寻基坑状态与监测数据之间的关系，进而探讨基坑施工规范程度、保护等级与监测数据指标间的关系。通过以上研究，给出考虑实际风险的安全警戒值。

4.3 中心数据库子系统

中心数据库子系统实现基坑监测管理中心所有数据的平台管理工作，完成数据的归档、查询、存储等。通过建立该子系统，可统一管理与组织数据信息，不仅可为系统的维护与管理提供便利，也可为各应用子系统提供可靠的分布式数据交换与存储平台，方便开发与使用[11]。

中心数据库子系统划分为系统管理、系统配置、数据管理、预警评估管理共计四个模块，具体功能要求如下：

（1）具有良好的可扩展性、通用性强;

（2）能够查看基坑预警记录并及时管理，提供巡检数据评估、监测数据评估和综合评估报告，具有信息查询、导出和打印功能;

（3）具有用户权限管理功能，系统管理员对系统功能点进行授权访问，防止非法用户获取数据;

（4）监控整个系统的运行状态，方便用户定位系统故障位置，及时对系统进行维护;

（5）系统能够对基坑基本信息、构件结构信息、自动化设备信息、预警配置信息以及评估参数配置信息等进行必要的增、删、查、改操作，使用户能够全面了解系统，使软件系统具有可定义配置能力，增强系统的通用性。

4.4 用户界面子系统设计

用户界面子系统划分为六个模块，各模块的功能描述及对应功能点见表2所列。系统首页监测与预警界面如图4所示。

5 结 语

本文根据轨道交通深基坑的监测需求设计了施工实时监测及预警系统，并对系统组成及模块功能进行了阐述说明。该系统可满足轨道交通深基坑的实时监控、安全预警、综合评估等管理需求，有效降低了深基坑发生质量安全问题的风险。

参考文献

[1]孙芳，许令顺，杨英，等.城市地下空间安全监管系统研究[J].物联网技术，2020，10（1）：7-9.

[2]黄来源，李军辉，李远强，等.基于物联网技术的城市地下管线智能管理系统[J].物联网技术，2012，2（4）：62-65.

[3]罗晓峰，邢国徽.城市桥梁集群监测系统设计研究[J].时代报告（学术版），2011，2（11）：117.

[4]李大鹏，黄俊.地下工程结构健康监测系统应用研究[J].现代交通技术，2017，14（3）：62-66.

[5]李明.关于东部水源深井泵房防雷设计[J].科海故事博览·科技探索，2014，22（1）：393.

[6]劉兴美.数据中心机房配电系统设计及施工分析[J].华东科技（学术版），2013，29（9）：449.

[7]韩骏，韩璐.贵州高速公路在役悬索桥健康监测系统对比分析[J].四川建筑，2016，36（4）：198-199.

[8]张丰.东江大桥健康监测系统设计[J].中外公路，2016，36（4）：202-206.

[9]刘涛.基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].上海：同济大学，2007.

[10]廖少明，刘朝明，王建华，等.地铁深基坑变形数据的挖掘分析与风险识别[J].岩土工程学报，2006，28（S1）：1897-1901.

[11]曹效义.智能施工控制与健康监测一体化系统研究[J].城市道桥与防洪，2016，33（8）：234-237.