基坑微变形远程监控系统的研究与应用

刘 星

（1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心，上海 201114）

城市化进程的加速，促进了地下空间的开发，深基坑工程的数量越来越多，地域分布越来越广，对深基坑施工过程要求越来越严，基坑水平位移变形量等控制精度达到了cm级甚至mm级。

1 研究背景

上海市轨道交通13号线东明路站位于成山路与东明路交叉口东侧，主体沿成山路东西向走向，13号线东明路站全长203.2m,宽度为21.6m，地下3层岛式车站。该站基坑采用明挖顺做法施工，基坑围护由3段组成，沿基坑深度方向设置6道支撑，所用钢管支撑包括∅609mm、t=16mm的钢支撑和∅800mm、t=20mm的两种钢支撑。该工程位于轨交6号线东明路站旁，建成后6号线、13号线可T型换乘；合流污水管距车站东侧端头井基坑最近处约1.7m，距离车站西侧端头井基坑最近处约0.8m，存在难点较多。

因此，施工过程中产生大量的数据和信息，出现情况也较为复杂，仅靠现场人员进行实时监控、监督、管理和控制，难以应对。在复杂多变的地质环境、多工种多单位参与施工的情况下，需要大量信息交互，便于推进施工。需要对现有变形控制系统进行实时远程监控，实现对数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，无需技术人员亲临现场即可监视现场设备和控制系统的运行状态及各种参数，方便多方参与监督，减少值守工作人员，维护施工设备和系统的正常运行，以满足不同用户的需要。基坑变形控制要求难度极大，为满足设计及施工要求，使工程顺利进行，采用了基坑微变形远程智能监控系统，对钢管支撑进行轴力补偿和实时监控，及时应对多种工况，确保钢支撑受力均匀。

2 基坑微变形远程监控系统的研究

2.1 系统的组成与设计

为此，开发出了基坑微变形远程监控系统，由压力传感器、现场控制柜、现场监控中心、数据采集设备和无线网卡等组成。系统与现有的钢支撑补偿系统无缝连接，实现多项目录入云平台，通过网页端/移动端，实时监控现场数据，接收和处理预警信息，最终形成一套网络的、实时的、多终端的基坑微变形智能监控系统。

该系统提供深基坑项目在施工阶段的远程智能控制，主体采用B/S架构（图1），数据总线采用HTTP/MQTT结合的方式，系统采用了MySQL数据存储、分布式数据请求、前端数据缓存等前沿互联网技术，保证了系统的易用性及可移植性，主要的功能模块有项目中心、项目总览、项目监控、预警中心等。通过这些功能，实现对项目的远程智能监控，提高了信息对接的效率，同时保证了数据的安全性。系统适用于IOS系统和Android系统、Windows系统，支持相关人员通过电脑、手机等设备实时查看施工现场钢支撑的运行状态，

图1 基坑微变形远程监控系统的架构图

2.2 系统的数据处理服务端研究

数据处理服务端系统分为4层架构：终端接入层、系统服务层、集群服务层、物理层（图2）。

图2 数据处理服务端架构

终端接入层的主要作用是提供数据接入的入口，同时提供数据展示端的数据获取服务。数据总线采用HTTP/MQTT结合的方式，有利于总线管理的高效性及数据的高可靠性。数据下行，主要提供网页/微信展示及控制所需的数据服务，如用户认证、监测点当前数据及历史数据、监测点详情、系统状态等。数据上行，主要提供数据接入服务，按照既定的规则，将原有钢支撑补偿系统采集到的数据完整的、可靠的存入当前系统的数据存储模块。

系统服务层主要为系统提供所需的网络服务，如设备管理、认证服务、存储、数据采集、远程通知、日志服务等，该层级后期可根据实际的业务进行模块扩展。

集群服务层主要提供系统微服务实例及大数据引擎，保证系统的可扩展性及稳定性。

物理层采用阿里云提供的云虚拟主机，在这之上构建所有的系统组件及服务，所有虚机实例均部署Mesos所需服务组件进行统一维护。

2.3 系统的数据采集客户端研究

基坑微变形远程监控系统的数据采集客户端系统分4个主要模块： 实时数据上报、历史数据上报、传感器状态上报、其他流程模块。

实时数据上报流程设计原则：把整个现场PC作为一个多通道的传感器看待，在此基础上，在现场PC部署服务程序，用于实时采集各个传感器的数据并进行上报，具体流程如图3所示。

图3 实时数据上报流程

数据上报流程：①采集队列；②采集任务触发器；③实时数据采集；④采集数据，传感器数据保存为DBF格式的数据库文件，可以在指定时间间隔T下直接采用SQL语句，查询指定传感器的指定时间点的数据信息；⑤数据队列，为了提高效率并方便各个服务访问数据缓存队列，采用Redis这种于基于内存的Key-Value存储系统；⑥实时数据上报，其中为了上报的可靠性，上报协议采用MQTT物联网传输协议，它被设计用于轻量级的发布/订阅式消息传输，即使在低带宽和不稳定的网络环境下，MQTT也能为物联网设备提供可靠的网络服务；⑦传感器上报记录，当传感器指定时间点的数据上报成功时，需要更新MySQL数据库中传感器上报记录的上报时间点，该时间点表示在此时之前的传感器数据已成功上报。

历史数据上报流程设计思路：在实施过程中，还需要处理上报传感器的历史数据，历史数据的来源：①由于现场PC服务程序可能由于升级或者出现异常退出，导致退出期间的传感器数据没有上报到云平台，此时退出期间的数据就为历史数据；②由于云平台需要升级或者异常退出，导致退出期间无法接收传感器数据，此时发送失败的数据就为历史数据；③其他异常导致的传感器数据传输失败，也作为历史数据。

在项目实施过程中，除了要上报传感器的数据外，传感器本身的状态也是待采集和管理数据的一部分。其他流程包括传感器数据报告等，由于云平台会保存上报的传感器数据及状态，所以可以直接在云平台Web客户端中生成传感器数据报告。

3 系统的工程应用

基坑微变形远程智能监控系统用于上海轨道交通13号线二期东明路站基坑支护工程的钢支撑上，平面布置、剖面布置以及施工现场（图4）。

基坑微变形远程监控系统的项目总览页面提供了系统总体的数据展示，见图5a。主要的模块有：项目总体泵站展示，油缸实时数据及历史数据展示，系统运行状态展示，数据报表获取，泵站数据切换等。右下侧的指示灯展示系统的当前状态，红色表示系统故障，绿色为系统正常，黄色为系统数据对接出错。点击其他图标可以实现以下功能：箭头按钮功能为回到顶端；笔记本图标链接的功能为获取历史报表；显示器图标按钮则表示的是模型与列表展示页面切换功能。当点击右下角的日志图标，系统会弹出报表获取弹窗，用户可点选任意的过往时间获取相应的数据记录，保证数据的可追溯性，如图5b。时间选取后，会打开新的窗口，提示下载文件，如果浏览器支持浏览功能，则会直接打开文件供用户浏览，获取的报表数据，包括选择的时间点的所有油缸数据，可作为项目验收及安全保证的数据记录，如图5c。当用户点击了相应的油泵或者油缸，则会弹出数据展示框，系统通过曲线图的形式展示了油缸历史数据及当前值，时间可以精确到分钟。系统也提供了时间范围选取的功能，用户可查看指定日期的数据，如图5d。图5e为手机微信端查看该远程监控系统的应用情况。

图4 基坑微变形轴力补偿系统布置及现场施工图

4 结 语

经第三方检测单位对基坑变形监测，连续墙最大累计水平位移和地铁结构最终绝对沉降量均符合设计等相关要求，说明基坑微变形远程监控系统对连续墙和隧道结构位移变形起到积极有效的控制作用，保障了深基坑工程施工质量与安全，同时也确保了施工进度。

基坑微变形远程监控系统可视化展示钢支撑轴力这一关键参数，实时远程监控系统运行情况，了解深基坑的现场工况，具有多方参与，多人共管，实时性强、安全、可靠、易于操作等特点，实现了对钢支撑轴力的全天不间断的自动监测与控制，对基坑施工的变形起到了全面有效地控制，减少了施工风险。尽管前期需要投入，但是随着工程量、监控数据增加，以及人力成本增加，本系统的应用将提高管理效率，减少人工，节约施工成本，为企业带来可观的经济效益。基坑微变形远程监控系统的研究与应用，进一步提高了深基坑微变形风险管控能力，确保基坑施工安全。

图5 网页端和移动端的系统工程应用

[参考文献]

[1]顾国明，陆 云，王正平，等.深基坑钢支撑轴力实时补偿与监控系统设计[J].建筑机械化，2010，(11)：67-69.

[2]王建新，杨世凤，史永江，等.远程监控技术的发展现状和趋势[J].国外电子测量技术，2005，(4)：9-12.

[3]王美华，李荣帅，张文泽.远程监控管理系统在海门路55#地块的应用[J].海峡科技与产业，2016，(9)：102-105.

[4]黄 毅，刘国彬，张伟立.基于远程监控管理系统的深基坑测斜数据分析[J].岩土工程学报，2008，(S1)：461-464.

[5]朱中卫.深基坑工程监管远程监控系统的探索与展望[J].安徽建筑，2014，(5)：159-160.