上海水利泵闸工程深基坑信息化监测平台应用研究

邓 群，兰士刚

(上海市堤防(泵闸)设施管理处，上海 200080)

上海是典型的软土地基，地基承载力较差，在其上进行工程建设之前必须对地基进行处理[1]。随着城市水利建设的发展，今后几年内上海市将有数十座泵闸工程进入实施阶段。上海城市建设用地的紧缺，致使泵闸工程施工场地周围建筑物密集，地下管线复杂，传统放坡开挖已不能满足泵闸基坑施工要求。必须针对上海水利泵闸深基坑特征和施工难点，选择合理、可靠、经济的基坑围护方式[2- 5]。

深基坑工程是水利泵闸工程中危险性较大的分部分项工程，在施工过程中一旦发生安全事故就可能导致作业人员群死群伤，甚至造成重大社会不良影响[6- 7]。故必须采取有效措施对深基坑施工全过程进行有效监测[5]。随着互联网技术在工程建设中的应用，以自动化监测设备、数据采集技术、无线传输技术为基础的信息化监测平台不断发展完善。应用此类平台对深基坑施工全过程进行监测并通过对监测数据的反演分析指导深基坑施工，对提高泵闸工程深基坑安全管理效率具有重要意义[8- 10]。

此外，针对目前基坑工程风险管控机制中存在的对报警控制标准要求高、报警频繁等问题，结合现有的深基坑施工监测数据以及台风、暴雨等易对深基坑施工产生影响的因素，研究一种多因素融合的基坑风险分级预警机制，也是深基坑安全信息化监测平台研究的一项重要内容。

1 水利泵闸工程特征及监测重点

1.1 水利泵闸工程特征

1.1.1基坑不封闭，围护难度高

上海水利泵闸工程大多建于已有河道上，泵闸工程深基坑两端直接临水，两侧为传统基坑工程中的陆地，基坑不封闭。两端临水侧围护结构受到河道水位变幅及外海潮汐影响，结构设计及施工中需要考虑的因素更多，难度更高。

1.1.2永临结合设计要求高

上海水利泵闸工程内、外河海漫段设计施工时通常可以利用主体工程永久结构兼做施工期深基坑围护结构的一部分。永久结构兼做围护结构时，永久结构设计需要考虑的因素更加复杂，对设计工作要求很高。

1.1.3水文地质条件复杂

上海水利泵闸工程一般位于大多临河口布置，河口地区的地质构造复杂，水文地质条件亦复杂多变；加之上海地区典型软土地基特点，基土特性更为复杂；且水利泵闸深基坑开挖过程中，地下水补给丰富，对深基坑施工的降水及围护质量提出了较高的要求。

1.1.4坑中坑问题需妥善处理

上海泵闸工程中，泵站底高程一般低于水闸底高程，造成泵站、水闸底板高程存在一定高差。在泵闸工程深基坑围护结构设计施工时如何处理好泵站和水闸底板间高差引起的坑中坑问题，对保证整体工程施工质量具有重要意义。

1.1.5施工场地通常位于郊区、交通不便

上海水利泵闸工程一般位于已有河道中，其施工地点一般位于郊区，远离城镇，交通不便，为施工机械和材料的运输带来极大不便。

1.2 泵闸基坑重点监测部位

水利泵闸深基坑施工过程中需修建挡水围堰形成干地施工环境，且一般会采用工程导流设施排出内河水。此外泵闸基坑工程多位于已有河道且两端临水，地下水补给丰富，故多采用地下连续防渗墙基坑围护形式。因此，在泵闸深基坑施工过程中需要重点对地下连续防渗墙、工程导流设施、排水井点及基坑周边重要管线5个部分进行重点监测。

2 风险分级预警算法

目前基坑风险预警中采用的预警控制值为单一测点阈值，在基坑安全监测过程中报警频繁，为基坑安全管理工作带来诸多不便[11- 13]。本次研究中提出的分级预警机制是通过广泛收集上海地区基坑工程施工监测资料并对其进行数理统计分析，确定基坑风险预警中各测项的分级预警系数，同时结合施工场地周边环境情况、基坑施工工况、现场巡查情况及天气因素提出一种基于实际工程的基坑风险分级预警算法。该算法是借助计算机程序在监测数据报警基础上对报警数据进行二次判断，将报警数据按红、黄、绿3个层次进行风险自动预判，减少人工干预，突出重点报警区域，辅助工程技术人员进行基坑风险判断，提高基坑工程安全管理效率。

3 监测数据采集与平台介绍

3.1 监测数据采集

监测数据通过人工和自动化监测设备两种方式采集并上传至系统平台。人工方式主要通过人工安置水准仪、全站仪、活动测斜仪等仪器对围护结构进行竖向位移、水平位移及深层水平位移等测项的监测工作，人工记录监测仪器读数，并通过计算机将监测数据上传至系统平台。

自动化设备监测方式主要通过安装固定式测斜系统、支撑轴力监测系统及各式传感器及测控单元实现对深层水平位移、支撑轴力及坑外水位的监测,系统自动采集监测数据，并通过特定端口将监测数据自动上传至系统平台。

3.2 平台介绍

3.2.1平台总体架构

为满足建设方、设计方、总包方、监理方、监测方及政府管理部门等不同主体的使用需求，平台采用分层的总体架构模式[13- 16]。平台层级由低到高分别为数据采集层、传输层、数据管理层、应用支撑层、应用层以及最终的Web端和移动端的展现层。数据采集层是系统平台运行的基础，主要为各类IT基础设施和基坑工程安全监测相关传感器设备；传输层通过互联网、移动互联网实现人工采集数据和自动化采集数据的传输；数据管理层是平台建设的重点和基础，能够保证数据层在基坑工程建设过程中的获取、表述、查询、更新及处理的正确性；应用支撑层主要提供授权管理、应用配置、数据更新、数据统计、发布与访问、自动化传感器接入等基础应用支撑服务；应用层主要提供工况维护与展示、监测数据统计与展示、风险预判及展示等主要功能；最终的展现层主要是WEB端和移动端的应用展现。泵闸工程深基坑安全监测平台总体架构框图如图1所示。

图1 泵闸工程深基坑安全监测平台总体架构框图

3.2.2平台应用系统介绍

平台包括安全监测信息管理子系统、人工监测子系统、自动化监测子系统和风险预警子系统。其中安全监测信息子系统具体能够实现项目总览GIS图展现、监测数据分析结果展示、施工工况展现、基坑施工最新动态显示、风险预警管理及警请报送等功能，同时提供通讯录和话题模块，支持工程参建各方线上协同管理基坑施工；监测管理子系统具体能够完成项目信息、测点、销/报警及监测数据文档等的管理工作；自动化监测子系统主要通过数据模块接口开发，实现各测项测点监测数据自动化采集，保证监测数据能够准确、安全地传输至平台，最后进行数据格式的处理，保证数据格式满足平台数据分析功能要求；风险预警子系统主要通过风险分级预警算法构建风险分析模型，采集处理的监测数据进行计算，实现基坑风险分级预警和风险状态在线显示。平台主要建设功能模块如图2所示。

图2 平台主要建设功能模块

4 实际工程案例

4.1 工程概况

上海某在建河道整治工程包括出海泵闸基坑工程、护岸基坑工程及沿线的铁路箱涵工程。其中出海泵闸基坑工程分为Ⅰ区基坑、Ⅱ区基坑和Ⅲ区基坑，根据基坑深度和工程环境条件，Ⅰ区基坑安全等级为二级，Ⅱ区基坑和Ⅲ 区基坑安全等级为三级；护岸基坑工程基坑开挖深度约7m；出海泵闸基坑工程施工范围内需保护环境主要为邻近一线海塘大堤及防浪墙。护岸基坑范围内有多种重要市政管线，在基坑施工过程中需进行重点监测。

4.2 平台分级预警功能实现

平台风险预警模块能够将多个基坑工程的风险分级预警情况显示在同一个界面，用户只需要通过右上角的下拉菜单找到基坑工程项目名称，点击就可以看到对应项目的监测时间、红色报警点总数、橙色报警点总数、黄色报警点总数及基坑总体安全状况，从而对基坑安全状况有一个总体把控。

图3 基坑总体报警情况展示界面

图4 基坑风险详情展示界面

找到具体基坑工程项目名称点击，平台以时间轴的方式将所有测点报警情况进行展示，并显示各类报警点总数，同时显示风险清单，以表格的方式展示管理人员需要重点关注的测项及相应报警级别高的测点，便于管理人员对超过报警值的测点进行管理，提高管理效率。具体工程项目平台预警界面如图3—4所示。

4.3 平台数据分析功能实现

平台监测数据模块左侧显示基坑工程所有监测项目及该项目下测点报警总数；右侧显示所呈现监测数据的上传时间，项目名称等基本信息，并展示监测数据最大值处测点编号及最大值，使用户可以准确掌握各测项测点风险情况。点击某一具体测项平台会显示该测项所有监测点及监测数据数值，点击某一测点平台会自动生成该点监测数据随时间变化的曲线，直观展示该测点所在处对应测项变化情况，使管理人员准确掌握该点处测项安全情况。平台数据分析功能界面如图5—6所示。

图5 平台总体监测数据展现层

图6 平台数据分析结果展示界面

5 结语

(1)根据不同泵闸项目的地质条件、周边环境、水文水位等条件制定出需重点监测的部位及监测内容，做到把控关键点。

(2)基于已有基坑风险预警标准的不足，通过对大量基坑工程监测数据的统计分析，并结合施工工况、现场巡查、台风、暴雨等风险因素，研究一种多因素融合风险分级预警算法算法，实现基坑监测风险的分级预警和预警信息自动推送。

(3)以自动化监测设备、数据采集技术、无线传输技术为基础，针对水利泵闸工程深基坑特征及施工要点，结合基坑风险分级预警机制，构建支持工程参建各方协同参与、共同管理的水利泵闸工程深基坑安全信息化监测平台，实现泵闸工程深基坑施工全过程信息化监测与管理。

(4)将水利泵闸工程深基坑安全信息化监测平台应用于具体工程中，实现泵闸工程深基坑施工全过程信息化监测，保证泵闸工程深基坑施工过程中及时发现安全隐患、避免事故的发生。