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地下工程和深基坑安全监测信息服务平台的研究和应用
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  作者:何钦、万普华、陈大萍

前言

近年来随着城镇化进程的不断推进,全国各地大中城市掀起了大规模的地铁建设高潮,高层建筑不断涌现,地下工程和深基坑工程发展迅猛,单项基坑工程施工面积达到了4、5万平方米,深度达到50米。深基坑工程的设计和施工,不仅要满足地下施工空间和安全的要求,更重要的是必须满足保护环境的要求,涉及土力学的强度、变形和渗透三大技术课题,各种破坏模式相互交叉,互为因果,计算模式具有不清晰性,施工过程又有非常大的不确定性,安全事故时有发生。深基坑安全事故的发生往往伴随着人员伤亡、工程停工以及周边道路塌陷、管线断裂等,造成一系列直接重大经济损失及恶劣的社会影响。虽然信息化施工一直被提倡,但由于基坑监测仪器、管理上存在的问题,传统监测存在监测设施陈旧、现场监测无法监管、监测数据无公信力、监测数据传递滞缓、技术经验无法有效积累等问题。

鉴于以上问题,地下工程和深基坑安全监测信息服务平台按相关标准、规范的要求,建立了一个基于Internet和物联网技术的网络信息系统平台来有效地防范、杜绝以上问题,确保基坑的施工安全。

地下工程和深基坑安全监测现状分析

在对城市地下工程,特别是基坑工程的总体情况、监测依据、监测方式、监测预警预报和管理体系等方面进行深入了解中发现目前地下工程和深基坑安全施工监测过程存在以下问题:

1)、目前基坑监测的自动化和数字化程度还不是很高,只是在位移监测方面少部分达到一定的自动化程度,而其他监测项目的自动化和数字化程度都还很低,大部分还是依靠人工采集、记录,比如水位、应力等,因此监测工作无法避免错漏或造假行为;而数据传输模式目前采用无线方式的极少,这使得监测人员的工作繁杂、冗余,同时造成数据处理不及时,监测结果不能及时反馈给相关责任人员的问题。

2)、现场检测无法全面监管,监测工作本身专业性较强,且现场监测中很难判断监测工作是否符合规范要求,即使能监控监测现场操作,也不能监管监测数据;

3)、数据处理方式多样化,各单位因规范理解不同、操作方法、现场测点不是方式不同、监测元件不同等导致数据处理方式千变万化,无统一标准,仅能得到“相对准确”数据,且在数据的处理中无法监管,容易出现弄虚作假行为;

4)、监测数据传递滞缓,监测数据往往需及时传递至现场或行政部门,以及时指导下一步施工或给行政部门监管作为参考,而经过监测部门层层审批后得到的正式监测报告往往一周甚至半个月才能传递至各方,未起到相应的作用;

5)、经验积累差,监测单位数据因本身的“加工”往往不能获得其他单位的认同,仅仅作为本单位内部资料或工程验收资料存档,难于查询,不具备公信力,使各工程监测数据无法传播与积累。

显然传统监测模不能满足现有工程项目发展要求,非常有必要建立一个实时采集、实时传输、实时计算、科学预警、智能报警、协同管理的监测信息服务平台以适应当前情况的地下工程和深基坑的施工安全。

地下工程和深基坑安全监测信息服务平台应用研究

监测工作流程分析

地下工程和深基坑安全监测,以工程为主线,由监测机构登记工程,通过设备进行监测数据自动采集上传,分析处理工程所处的安全状态。当工程处于异常状态时,工程进行报警,平台发送报警通知给相关负责人。报警工程,由安监机构会同相关单位进行各处理,平台将对处理结果进行实时跟踪。

地下工程和深基坑安全监测信息服务平台.png

平台架构设计

通过大量深入工地现场的考察调研,地下工程和深基坑安全监测信息服务平台以现有相关标准、规范为依据,基于Internet和物联网网络信息技术,通过综合应用虚拟断面法水平位移量测技术、新型多功能振弦频率读数仪、低能耗无线采集发送盒、无线数据采集端、基坑安全亮灯制度、预警系统与诚信评价系统协同使用等新方法、新设备、新管理方法,平台应具备实时采集、实时分析、实时预警、工程监管及系统管理等功能,各功能模块作用如下:

3H地下工程和深基坑安全监测信息服务平台.png

1)、采集客户端:现场监测数据通过连接PC,实时通过网络将监测数据传输至平台解算中心,进行实时解算,若监测数据不符合规范要求(操作方法或测试精度),则平台自动通过短信提示现场监测人员重新测量,若符合要求,则对外实时发布监测结果。通过监测数据的“不落地”传输、统一解算,杜绝监测数据修改、伪造等弊端。

2)、机构管理模块:市内各监测单位通过自有登录账号登记单位信息,包含机构性质、规模、人员架构、资质概况、仪器设备及检定证书,通过该模块,管理部门可全面掌握监测各单位详细信息,便于行政管理,也便于各建设单位择优选取优质服务单位

3)、监测管理模块:该模块包含数据解算、异常判定、数据展示、报警提示等多个功能子模块,该模块全面展示工程开挖施工进度、监测数据图表、工程安全状态,行政单位可通过该模块查询有针对性的开展安全工作管理。

4)、实时监控模块:该模块对在监工地进行按报警类型予以分类统计,以图形化形式显示各类报警工程信息。

5)、监督管理模块:该模块为监督管理部门网络操作平台,针对各监督人员个性话设置,对各工地实施精细化管理,在工程有警情的情况下做的责权明晰、条理清晰、有理有据,有条不紊将安全事故消灭于萌芽状态。同时根据报警等级不同,做到层次明确,防止事故处理“一窝蜂”的现象,提高了工作效率,降低行政成本,实现安全管理扁平化。

6)、系统管理模块:该模块可升级系统版本,发布对外公告,调整人员架构,对系统进行整体维护与管理。

平台特点

1)、基坑安全平台化管理

地下工程和深基坑安全监测信息服务平台首创了扁平化的基坑安全监测监管新模式。通过对现有监测设备进行改造,摒弃各种数据传输软件,实现监测过程中的数据自动采集和实时上传,监测结论同步、平行传递至建设行政主管部门、安监部门,以及工程建设、监测、勘察、设计、施工、监理等参建单位,提高了监测时效,确保了监测数据的真实性,杜绝了原有层层上报监测模式存在的时效性差、信息滞后、以及瞒报、漏报等舞弊造假行为。

2)、联动的行业管理模式

本平台集成了各监测单位的人员、仪器设备、监测资质等信息,实现了对各监测单位监测行为的动态监控;与此同时,本系统数据与工程参建单位诚信评价系统、建设工程安全监督系统对接,基坑监测预警信息及安全隐患的及时有效处理将直接影响施工和监理企业的诚信排名,为两场联动的行业管理提供数据支持。

3)、安全状态可视化-亮灯制度

平台通过对基坑监测预警值、报警值、控制值与各色警灯链接(基坑安全:绿色;基坑预警:黄色;基坑报警:红色;基坑超控制值:紫色),建立了基坑监测安全警示灯管理制度,实现了基坑安全状态的直观可视化表达。

关键技术

本项目除了应用Internet和物联网等技术,还应用了自主创新的虚拟断面测量技术和水位、应力数据的新型采集技术。

1)、虚拟断面法测量技术

该计算方法借鉴有限元法的微分化原理,对基坑支护断面进行“碎步”划分,并通过矢量计算,使得到的水平位移近视垂直于基坑边,得到基坑水平方向的真实变形量;该方法通过引入“微分”“矢量计算”等处理手段,使其适用于各种形状的基坑,并较传统方法得到更为准确的基坑变形数据。

2)、水位、应力数据的新型采集技术

针对本项目的工程实际运用情况,自主研发多功能数字频率读数仪、高精度渗压水位计、低能耗数据无线发送仪及多通道数据采集器,实现了水位、应力采集的革新;根据工程的安全等级,可自主搭配使用设备实现不同的数据采集模式:

(1)模式一:现场水位、应力一体采集模式

传统水位、应力分别采用钢尺水位计和频率读数仪进行数据采集,并通过手动记录相关数据,采集不便且容易出错、篡改;而发多功能数字频率读数仪使两种测量方法可以采用同一仪器进行测量,联合高精度渗压水位计使用,全部实现数据采集的数显、存储及传输功能,提高监测精度及工作效率,保证了数据的真实性。

(2)模式二:水位、应力的“无人值守”模式

基于网络无线技术,通过自主研发低能耗数据无线发送仪及多通道数据采集器,实现应力、水位的实时在线监测;克服监测工作的时间盲区及空间盲区,达到高精度、高频率的动态监测。

结语

地下工程和深基坑安全监测服务平台率先在广州市大范围实施运行,截止目前,全市346个基坑工程、51家监测机构纳入该预警平台管理,30余个建设行政主管部门和安全监督机构通过平台对基坑工程进行管理、每天登陆的次数超过10000个。平台运行至今,先后对60多个地下工程或基坑工程成功预警,采用了本平台的基坑的安全状况得以较好地控制,至今广州未发生一起基坑工程安全事故。同时,该平台的应用推动了监测行业的监管,提升了监测技术水平,取得了良好的经济和社会效益。