基于实例数据库的深基坑工程信息化实践

李光诚， 邵 勇， 帅红岩

(湖北省城市地质工程院，湖北 武汉 430050)

武汉地区经过三十多年深基坑工程建设，现今(2018年起)每年登记在册的工程实践有600余项，各个设计单位以及众多专家针对各种地质条件、水文条件、周边环境约束等，总结出了各具特色的设计思想或技术措施，很好地解决了基坑实施过程中对周边环境的不良影响等实际工程问题，同时设计方案做到了安全经济[1]。这些设计思想或技术措施都存在于某些竣工工程的设计、施工、监测等资料中。如何利用这些经验，融会贯通到以后的设计工作中，则是深基坑工程实例信息化的主要工作任务。

目前，中国在深基坑工程实例信息化方面的研究较少。杨育文等[2-10]将拟建基坑的周边环境条件(包括开挖深度)和(或)工程地质和(或)水文地质作为求解的前提条件，利用模糊理论，通过分析和计算，从实例数据库中寻找出最匹配的一个基坑工程实例，介绍基于基坑工程实例推理技术的原理和具体实施过程，并预测了应用前景。黄金枝等[11-14]重点论述了如何结合深基坑支护工程应用系统的需要，利用Visual Basic实现关系数据库的设计和建立。徐文杰等[15-18]提出数字基坑系统理念与构架，在此基础上，基于面向对象语言、数据库技术及三维可视化技术，研发出一套数字基坑系统，从而实现了现场工程地质条件、监测点、工程结构的三维可视化动态查询与管理，以及现场监测数据的可视化查询与预测分析。

以上研究均较为偏重编程设计，对工程实例所赋含的地层因素、地下水因素、支护形式、止水方法、支护效果、监测数据等系统性的整理不够，无法形成能够覆盖某一地区特性的实例数据库，也没有对某一地区的基坑工程实例进行适用性分析评价，造成数据库的实用性及推广应用性较差。这些深基坑工程信息化管理研究共同存在的短板是没有将深基坑工程最为依赖的工程地质信息化成果进行有效的利用和叠加显示，且没有用区域性的眼光进行某一地区大范围的评价研究，有的研究只以单一工程项目作为研究对象，因此缺乏工程实例及地质资料信息服务于建设项目的功能。另外，由于深基坑工程专家掌握的知识具复杂性和模糊性的特点，每个工程都具有鲜明的个性，目前基于基坑工程实例的计算机语言推理技术需要进一步完善。

本文从一个工程实例所包含的九大方面信息入手,通过设定足够的参数来描述一个工程实例,形成深基坑工程实例信息化标准,并开发一套基于工程实例数据库的武汉地区深基坑工程的数据管理及查询应用系统,通过对入库工程实例信息的统计,分析评价支护方案和降水措施的有效性,为其它类似条件下基坑支护的开展提供有益参考。

1 深基坑工程实例信息化实践技术路线

在现有较为成熟的城市地质信息化平台和工程勘察信息化建设平台的基础上进行专业二次开发，研发深基坑工程实例数据库平台。数据库除包括一个工程实例常规的工程概况、工程地质水文地质条件、支护方案和监测数据等信息外，还会显示每个项目所处位置的工程地质分区、与长江水系的位置关系等，对于处在同一个工程地质分区上的项目，将认为其有相同的工程地质判别条件。另外通过高级检索和数据统计，实现拟建项目与库内项目的相似度匹配查询。总体来说，数据库本身除能满足工程实例一般信息查询之外，还将为用户提供一定的分析评价功能。采用的技术主要有数据动态管理维护体系建设、信息资源编目、电子化数字化空间化数据处理和Web服务技术，技术路线如图1所示。

图1 深基坑工程实例信息化实践技术路线图Fig.1 Technical roadmap for informatization practice of deep foundation pit engineering cases

2 基坑工程实例信息化标准制订

工程实例的信息化是开发建设基坑工程实例数据库的第一步工作，需要将一个工程实例所包含的全部元数据信息、属性数据信息、空间数据信息、图片和文档资料等信息进行标准化的分离及重新组合，以数据库可以识别及管理的形式呈现出来。一个工程实例所包含的信息基本包括九大方面：工程项目概况、工程地质、水文地质、基坑周边环境、基坑支护方案、地下水控制、监测、环境影响历史信息及支护效果整体评价和项目关联资料等信息。针对这九大方面的内容，制订了如表1所示的信息化标准。

3 基坑工程实例数据库开发

3.1 实例数据库系统总体框架

从系统架构层面，基坑工程实例数据库的数据管理及查询应用系统总体上可划分为2个层次，分别为数据层和应用管理层。数据层包括基础库和成果库数据，以及数据维护、数据服务、数据集成等。系统产生的数据纳入数据中心统一管理运维，构建充分共享、适度开放、安全可控的数据共享开放新机制，实现数据共享，推动数据在系统内外的充分共享和有序开放。应用管理层包含各类数据应用、展示、分享，面向业务应用人员、政府管理人员以及社会大众，主要实现对各类业务数据的查询统计、发布共享等。系统需要的各类组件、服务、数据等资源，由平台系统负责统一管理、配置、调度和监管。

表1 基坑工程实例信息化标准表Table 1 Information standard table of foundation pit engineering cases

续表1

3.2 MapGIS基础平台

系统建设拟采用基于新一代面向服务的悬浮倒挂式体系架构的MapGIS10.5作为基础平台，结合数据库与可视化等关键技术，实现数据标准体系、建库集成分析关键技术研究及应用工作中数据的统一管理和规范处理。

系统架构自下而上分为四层：数据层、基础平台层、应用子系统层、用户层。数据层是整个架构的基础，针对深基坑数据，基于基础平台MapGIS10.5进行有针对性地功能开发和数据利用，得到数据应用子系统层，最后用户层通过桌面端和浏览器端进行系统使用。

数据库与可视化技术相结合，使用MySQL和MongoDB数据库进行数据存储，系统直接从数据库中提取数据，进行点位图即时生成，实现数据库与可视化技术的无缝对接。

3.3 B/S架构构建应用系统

系统采用了浏览器/服务器(Browser/Server，简称B/S)模式开发。随着浏览器技术的发展和成熟，B/S构架已成为应用软件开发的主流。B/S用户可以通过浏览器来执行应用程序。整个系统由三部分组成：客户端浏览器、Web服务器与应用服务器、数据库服务器。简单的事务逻辑在客户端浏览器实现，但是主要的事务逻辑都在Web服务器与应用服务器端实现。在这种结构下，不需要其他任何特殊软件，对网络也没有特殊要求。通过浏览器实现的用户界面不仅直观和易于使用，更主要的是基于浏览器平台的任何应用软件其界面风格一致，从而使用户对操作培训的要求大为下降，软件可操作性大大增强。

3.4 数据库结构

数据库建设的主要工作是数据采集与建库。深基坑数据按分类包含工程项目概况(GCXMGK)、工程地质信息(GCDZXX)、水文地质信息(SWDZXX)、基坑周边环境情况(GCJJKZB)、基坑支护方案(GCJZH)、基坑支护方案补充表1(GCJZH01)、基坑支护方案补充表2(GCJZH02)、基坑支护方案补充表3(GCJZH03)、基坑支护方案补充表4(GCJZH04)、地下水控制信息(SWDXS)、监测信息(GCJCXX)、环境影响历史信息及支护效果整体评价(GCKHJ)，共9大类12小项，不同的表格之间使用ID字段进行关联，ID是自动填写的不重复的编码(不需要手动填写)。数据类型共有VARCHAR、DOUBLE、INT、Date、TEXT、Decimal等。资料建库则是图形和文档资料以关联的形式与属性数据一一对应，在录入过程中进行上传，资料存储在MongoDB数据库中。该数据库系统结构设计见图2。

图2 基坑工程实例数据库系统结构设计图Fig.2 Structural design drawing of foundation pit engineering case database system

3.5 系统功能

3.5.1数据管理与维护

数据管理与维护主要实现对深基坑工程相关数据进行管理及维护。功能模块包含四个，有单项数据录入、批量数据录入、数据总览和数据统计。管理与维护数据包括工程项目概况、工程地质信息、水文地质信息、基坑周边环境情况、基坑支护方案、地下水控制信息、监测信息、环境影响历史信息及支护效果整体评价和项目关联资料，如图3所示。

图3 数据管理与维护界面Fig.3 Data management and maintenance interface

3.5.2深基坑工程实例“一张图”

“一张图”查看主要实现多种数据图层在地图上叠加显示以及基坑工程点的空间分布情况，并且可以通过空间查询方式对基坑工程点进行空间查询，其中空间查询方式有矩形查询和当前屏幕查询两种。查询后的基坑工程点会以列表形式进行展示，选择某个基坑工程可以查看对应的详细数据。MapGIS IGServer可以集成接入基于OGC标准的各类图层服务，以分类好的目录显示在数据目录中，按需选择叠加在“一张图”上进行展示查看。当前叠加的图层为武汉都市发展区工程地质图(1∶5万)和长江3 000 m缓冲区域图，如图4所示。

基坑手动布点可实现在地图上选点并进行相关工程信息的填写录入，录入填写方式与单项数据录入相同。基坑高级检索可以输入关键字进行全数据库检索，也可以勾选和输入特定检索。

3.5.3系统配置

系统配置主要是对系统中底图的配置、数据检查的配置以及“一张图”目录的配置。底图配置是在地图页面的功能配置底图的显示；数据检查配置是在批量数据导入时进行对数据项数据质量检查的范围值配置，如X、Y坐标值，最大、最小开挖深度等；“一张图”目录配置是对“一张图”查看功能目录树节点的配置。

4 基坑工程实例数据收集及入库

基坑工程实例信息的原始资料主要有基坑支护设计报告、项目支护设计详图、岩土工程勘察报告书、监测报告、基坑影像等。

(1) 基坑支护设计报告：包括工程项目概况、工程地质与水文地质条件、基坑周边环境状况、基坑支护设计条件、设计思路及方案比选、基坑支护设计、施工方案要点、环境监测与应急措施等内容，涵盖了工程实例信息表的大部分内容，是基础性的原始资料。

(2) 项目支护设计详图：可提供支护结构类型、地下水控制类型、地层剖面展开图、基坑周边环境图、基坑支护平面图、基坑支护剖面图、基坑支护分段信息、各分段支护结构详细信息、降水井布置图、监测点位图等信息，是图件类信息和支护方案信息提取的主要来源。

(3) 岩土工程勘察报告书：为工程地质信息表和水文地质信息表提供信息补充及校核验证。对于一些根据现有资料无法准确判断项目所在位置的实例，通过提取勘察报告附件图纸的坐标信息，经过坐标转换确定实例的经纬度信息。

图4 “一张图”查看界面Fig.4 One geological map view

(4) 监测报告：包括基坑监测报告及周边环境、重点保护对象的监测报告。监测报告可提取的信息包括支护结构的内力和位移、坑内及坑周岩土体的变形情况、临近建(构)筑物的变形、各种破坏形式的数量和破坏程度的定量描述等，是评价基坑整体支护效果最主要的参考因素。

(5) 基坑影像：主要指能够代表本实例基坑特点的一些视频及照片资料，能为用户提供直观的感受，建立对实例的整体印象，对基坑特殊部位起到解释说明作用。

总体来说，通过提取一个工程实例以上5大项原始资料所包含的信息，可以完善前文所述共9大类12小项的基坑工程实例信息化标准表，并基本能够完整表达一个工程实例所包含的全部有用信息。

5 基于工程实例的深基坑支护分析评价

通过对入库工程实例信息进行统计，分析评价支护方案和降水措施的有效性，为其它类似条件下基坑支护的开展提供有益参考，是深基坑工程信息化实践的初衷和最终目的。以实例数据库中武汉长江I级阶地冲积相区域的3个临近基坑工程实例为例，分析CSM、TRD水泥土搅拌墙及三轴搅拌桩止水帷幕的选取方法和应用效果，为具有类似工程地质和水文地质条件的基坑支护工程止水帷幕的设计提供参考，详见邵勇等[20]“超深止水帷幕在武汉长江Ⅰ级阶地冲积相基坑支护工程中的选取和应用”一文。

6 结论及建议

本次研究选定了数据库基础平台和平台架构，研究了基坑工程实例数据库功能总体结构，开发了数据管理维护子系统和数据分析评价子系统，设定了描述工程实例的参数，收集了一定数量的基坑工程实例资料，并完成了数据提取及数据标准化处理，收集了武汉市城市地质调查成果图件资料，完成了底图资料等空间数据和非空间基坑工程数据的一体化组织，是基于实例数据库的深基坑工程信息化实践的一次有益尝试。

但在基于实例的人工智能推理技术开发、数据综合分析评价等方面尚存在一些问题和不足：

(1) 基于大数据分析的人工智能推理技术非常依赖庞大的数据量，当前已建数据库的总体实例数据量不足，已入库实例多数存在数据信息不完整、数据无法验证准确性的问题，且项目监测数据较为缺乏，这会使基于实例的统计功能的分析和评价发生偏差，使高级检索功能无法在实例样本中进行完整的比对分析。建议收集更多具有代表性的工程实例，丰富实例数据库的数据量，提高各项数据信息的完整性和准确度。

(2) 当前系统已开发的应用统计分析评价模块有“数据统计”和“高级检索”两项，依托的数据主要为“工程项目概况”属性数据库，因此评价结果较为简单，无法实现对全体样本数据较为全面的分析评价。建议建立更高级的模糊推理算法，通过模糊推理、分析计算，实现全匹配和部分匹配查询的人工智能推理技术。

(3) 本次研究的最终目标是进入湖北省地质局地质大数据平台所提供的各类地质数据的集成化专题应用中，当前数据库只能在单位局域网内访问，暂不具备为行业服务的功能。建议扩展深基坑实例数据对外发布共享的能力，针对不同的系统用户提供个性化的数据服务和功能服务，切实达到数据库建设的开放性目标，为湖北省地质局地质大数据平台的推广奠定基础。