轨道交通深基坑施工实时监测及预警系统研究

曹冬冬 中煤西安设计工程有限责任公司

徐秋艳 陕西省煤田物探测绘有限公司

1 前言

利用地下空间建设城市轨道交通系统已经成为我国很多城市公共交通的一个主要发展方向，而深基坑则是地下轨道交通工程建设中的重要施工内容。由于轨道交通的深基坑工程往往位于城市繁华区域，在工程区域内有大量建筑以及地下管线设施存在，且施工现场空间有限，进一步加大了轨道交通深基坑施工过程中的安全风险。因此，必须加强实时监测以及预警系统的建设，利用各种传感设备以及网络信息技术对深基坑施工的全过程进行在线监测，提高风险防控的能力，及时对异常情况进行预警，以保证轨道交通深基坑工程施工质量安全。

2 轨道交通深基坑施工实时监测及预警系统结构分析

深基坑施工实时监测及预警系统主要包括底层、中层以及上层三个部分，其中底层结构为现场感知层，而中层则是数据传输共享网络。同时监测管理中心构成了深基坑监测预警系统的上层结构。

2.1 现场感知层

作为深基坑施工实时监测及预警系统底层结构的现场分布式监测系统为深基坑区域级集群监测提供了重要的平台基础，人工巡视管理系统以及在线监测系统共同构成了现场感知层，以完成相关的数据采集工作[1]。其中在线监测系统主要包括现场数据采集以及数据传输这两个模块。

各类型数据采集设备是现场数据采集模块中的重要组成部分，其能够自动完成数据的采集、转换以及预处理等操作。而数据传输模块则利用调制器以及光纤环网完成对信号的转换和传输。同时，人工巡检管理模块则主要包括各种PDA 设备，并通过人工录入等方式管理巡检工作。

2.2 数据共享传输层

在深基坑施工实时监测及预警系统的中层结构中，远程数据传输网络是主要的组成部分，其是监测管理中心和现场信息感知层之间的重要联系通道。而数据传输网络则由各网络运营商所提供的无线网络以及光纤宽带网络等公共网络资源设备所构成。

2.3 监测管理中心

深基坑施工实时监测及预警系统的上层结构为监测管理中心，其由数据库、结构安全预警、综合评价、数据挖掘预测以及用户界面等多个子系统共同构成。监测管理中心能够对深基坑施工中的各项数据进行安全评估并发出预警信息，同时可以利用网络界面为用户提供预警、监测以及巡检信息等。

3 轨道交通深基坑施工实时监测及预警系统各子系统功能分析

3.1 现场感知层各子系统功能分析

3.1.1 在线监测子系统功能分析

底层分布式基坑现场感知层的在线自动监测子系统的主要功能是客观准确的监测评价深基坑结构状态，而评价结果将受数据采集的全面性和准确性等因素的影响。因此在深基坑施工实时监测及预警系统中应合理选择现场传感设备的类型型号，以确保其能够自动完成数据采集工作，且数据采集以及转换可靠准确。由于现场数据采集以及传输主要依赖采集工作站以及网络传输完成，因此在各深基坑工程的施工过程中均应进行数据采集中心的设置，其还可以及时向数据管理中心传输数据信息。

在该子系统中，数据处理控制模块是主要的功能模块，其功能主要包括控制数据采集以及传输相关参数的设置，对信号进行转换处理，对数据质量进以及采集设备状态行判断，并及时对异常状态进行预警[2]。此外，其还可以按照设定条件对数据进行重采样以及滤波处理，以减少数据冗余，改善数据精度。在线监测子系统还可以按照实际需要对数据进行提取、转换以及分析处理，以便完成各类特征量的提取计算，为数据统计、对比以及分析处理提供数据基础。在线监测子系统可以对数据进行时域时频以及频域的转换处理，并进行图形分析。

在在线监测子系统中还设置有防雷装置，且在系统内部应设置过电压保护等安全防护装置，以避免在发生雷电灾害时过电压波对系统设备造成破坏。在线监测子系统能够对轨道交通深基坑工程的重要结构点位内力、施工环境荷载等关键参数进行连续动态监测，从而能够及时准确地掌握深基坑工程支护结构的深层水平位移、围护桩顶部分的水平及竖向位移以及维护结构内力；深基坑工程水平支撑结构的支撑轴力和挠度、深基坑工程周边建筑物的沉降变形位移情况等各种数据信息。

3.1.2 人工检巡管理子系统功能分析

深基坑施工实时监测及预警系统除了需要利用各种自动化仪器设备外，还需要结合一定的人工巡检，而人工巡检管理模块则能够对巡检任务的具体执行情况、现场巡检中录入的各种数据信息等进行管理，并能够根据录入数据对深基坑结构状态以及损伤进行判断。

3.2 数据传输层各功能分析

深基坑施工实时监测及预警系统的中层是远程数据传输网络，其主要功能就是为监测管理中心与现场数据采集工作站之间的相互联系提供数据传输通道，以确保数据信息能够高效、准确的实现远程传输。在建设深基坑施工实时监测及预警系统的数据传输网络时应结合工程区域基础网络设备的实际情况，利用局域网模块连接城市主干网络。在数据传输层中，主要利用设置在轨道交通深基坑工程施工现场的光纤收发器以及交换机进行数据采集，并通过城域网等与服务器完成信息交互，使管理中心以及用户能够及时准确地掌握深基坑施工过程中的个性化数据信息。

3.3 监测管理中心各子系统功能分析

3.3.1 安全评估预警子系统功能分析

深基坑施工实时监测及预警系统上层结构中的安全评估预警子系统的组要功能是判断深基坑结构状态，进行风险等级划分，并按照风险等级发出不同的预警信息。该子系统在对深基坑结构进行评价时主要以自动采集数据以及人工巡检信息为依据，对轨道交通深基坑施工中的危险状态加以描述，并完成危险状态数据库的构建，之后再准确识别深基坑工程施工中的主要危险状态，同时完成评估后可以自动在线完成评估报告的编制，并能够定期进行离线综合评测报告的生成，为深基坑工程的施工提供指导意见。此外，该子系统还能够根据预警级别以及危险状态的不同选择应急处置方式，且能够及时向施工单位发出预警信息。

3.3.2 数据挖掘子系统功能分析

深基坑施工实时监测及预警系统上层监测管理中心的数据挖掘子系统的主要功能是挖掘监测数据，以提高深基坑监测预警系统的准确性和有效性。在数据挖掘中可以结合实际情况采用遗传算法、神经网络、决策树、模糊集以及统计分析等多种方法。首先应合理确定挖掘数据的主要目标，然后分析监测数据中变形速率以及累积量分布概率，并对监测数据和深基坑结构状态进行分析，以判断深基坑施工是否规范，并结合各种相关因素对风险安全进行定量分析。

在进行数据挖掘时，系统首先需要进行数据准备，以便明确数据挖掘的主要模板，并对数据信息进行选择以及采样。然后系统需要通过预处理对数据进行转换，以完成模型构建。在进行数据挖掘时还需要对挖掘内容的适用性以及可靠性加以验证。当数据挖掘目标确定后，应对轨道交通深基坑所有监测数据中的变形速率以及累计变形量进行概率分析，以掌握其分布特征，并以此为基础对监测数据所反映的轨道交通深基坑在施工中的状态进行进一步的研究，科学判断轨道交通深基坑施工监测指标以及保护等级等，从而给出轨道交通深基坑施工安全风险预警值，以保深基坑施工安全。

3.3.3 数据库功能分析

在监测管理中心层中，数据库是重要组成部分，其主要功能是对数据信息进行存储归档管理，并提供数据查询调用服务。数据库中包括多个模块，并分别具备数据管理、系统管理配置以及预警评估管理等不同的功能。轨道交通深基坑施工实时监测及预警系统的中心数据库中应按照不同的功能要求设置数据管理、评估管理以及系统配置管理等模块，各模块均应具有较好的通用性，且应充分考虑系统扩展要求。同时模块应具备对基坑预警记录数据信息进行管理查看的功能，并应能够自动完成对监测数据、巡检数据的评估以及综合评估报告的编制，能够为信息出查询调用以及报告打印提供便捷的服务。

模块还应具备管理用户权限等功能，以便管理员设置管理系统访问权限，以保证系统数据信息安全。此外，模块还应具备对系统运行状态进行全面实时监控的功能，以便及时掌握系统故障发生点位，为系统运维管理提供可靠的参考依据。通过中心数据库的模块化设置，使监控预警系统能够便捷对轨道交通深基坑结构、设计参数、各种施工设备运行参数、评估配置参数和预警配置等数据信息进行及时的查询、更新以及完善，且使系统具备了较强的自定义功能，提高了系统通用性，从而为用户操作使用系统创造了便利条件。

3.3.4 系统用户界面功能分析

在深基坑施工实时监测及预警系统中，其用户界面由6个模块共同构成，不同模块承担了不同的功能，并提供相应的服务。

表1 系统用户界面各模块功能

4 结束语

实时监测预警系统对于保证轨道交通工程深基坑施工的质量安全具有重要的作用。因此，结合轨道交通工程深基坑工程的实际情况合理进行系统结构以及相关功能的设置，以确保监测预警系统能够对深基坑工程施工的全过程进行动态实时在线监测，从而及时发现深基坑工程施工中存在的风险隐患并发出预警信息，为深基坑施工安全提供更加可靠的保证，从而为我国轨道交通事业的健康发展奠定良好的基础。