基于北斗模块的基坑施工监测系统的研发及应用

汪 丽 ，张军平

(1. 西安航空学院，陕西 西安 710077； 2. 西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 前 言

伴随着城市建设的快速发展，地铁、超高层建筑和高铁车站等深基坑施工项目越来越多。深基坑在开挖过程中，涉及到土体、支护结构及周围建筑物的变形和沉降等相关问题，极易发生支撑失稳、渗流破坏、坑内滑坡等常见的工程事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡[1-2]。国内外重大基坑工程事故发生并导致严重后果的原因，一是没有充分重视事故发生前监测数据的异常反映；二是现有的土木工程基坑施工监测系统及监测方法还不够完善和先进，不能够做到安全便捷、实时有效，最终导致了严重的后果[3]。现有的基坑施工监测系统主要存在如下问题：1)监测数据主要通过有线网或者GPRS、3G等无线方式传输，一旦网络较差便会造成数据传输的失败；2)监测数据存在“失真”或人为编造的问题；3)对监测数据进行分析的能力较弱；4)监测报警值设置标准存在问题，大多数施工监测人员发现实测数据超过报警值后，对相关问题缺乏认真分析，错过最佳的修正时期导致严重的工程事故[4]。

北斗导航定位产业作为国家战略性新兴产业，已经落实到国家发展规划和各项专项规划中，国家倡导以北斗为核心引导新兴产业、新一代信息技术和智能信息、重大设施安全保障等产业发展和深度应用[5]。北斗卫星自动化监测技术集北斗卫星、数字通讯、自动控制、计算机网络、精密工程测量及现代数据处理等高新技术于一体，可实现高度自动化，又可迅速得到点位三维坐标，为实现基坑的自动化监测提供了一种新方法[6-7]。以此为契机，开发一种基于北斗模块的深基坑监测系统及监测方法，以适应现代化施工的更高要求，及时反映工程项目是否处于安全状态，方便施工人员及时调整施工方案，保证施工过程安全顺利进行。

1 北斗模块

中国北斗卫星导航系统(BDS)是继美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后的全球四大卫星导航系统。BDS由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，有独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，具有自主化的高强度加密系统设计，安全可靠、稳定性好。计划至2020年，我国将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

1.1 北斗相位差测量技术

在基坑每个监测点上均安置一台北斗卫星接收机GNSS(包含监测站及基准站)，应用北斗卫星载波相位差测量技术进行基坑变形监测，不间断地进行全天候自动监测[8-9]。

北斗卫星载波相位差测量技术有如下优点。

1)监测点位布设灵活方便，测站间只需测站上空开阔即可，无需通视，可减少不必要的中间过度点；

2)监测精度高，可同时提供监测点的三维位移信息；

3)配备防雷设施，监测不受气候条件限制，可实现全天候监测；

4)实现监测高度自动化，操作简便，大大减轻外业强度。

1.2 北斗短报文通讯技术

区别于世界上其他几大导航定位系统，北斗短报文通讯技术是北航定位系统的特色功能。北斗短报文可以发布140个字的信息，北斗的双向通信使用户与用户、用户与中心控制系统间实现双向简短数字报文通信，而GPS只可以单向，这是北斗的优势。与定位功能相似，短报文通讯的传输时延约0.5 s，通讯的最高频度也是1 s/次。

北斗短报文通信原理：短报文发送方首先将包含接收方ID号和通讯内容的通讯申请号加密后通过卫星转发入站；地面中心站接受到通讯申请信号后，经脱密和再加密后加入持续广播的出站广播电文中，经卫星广播给用户；接受方用户机接收出站信号，解调解密出站电文，完成一次通讯。

例13的谜底是“亞(亚)”，例14的谜底是“災(灾)”。例15是20世纪50年代初的产物，对国民党政治人物颇多骂詈揶揄，其“师”谐“丝”(即形近绞丝旁者。普通话zh、z组声母拼开口呼的字，当地都读z组声母)，谜底是“藥”(药)。例16颇有文学色彩，其谜底为“蘇(苏)”。对于从小就学习简化字并且在简化字氛围中长大、认识繁体字不多的大陆年轻人来说，这类谜语猜起来当然费劲，其淘汰是极有可能的。一些系列字谜也因为谜底中有繁体字而令猜谜者难以展开，如谜底为“特来讨烟”的谜语：

2 基于北斗模块的基坑施工监测系统设计

研发的基于北斗模块的基坑施工监测系统结构如图1所示，通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，全方位对基坑施工情况进行实时监测，通过系统自带的数据分析模块实现基坑情况的评估；通过物理模型的构建，对基坑施工的后续情况进行预测和仿真分析，及时发现基坑施工过程中产生的问题，也可以将各种基坑施工方案转换成参数后作用于所建立的基坑施工物理模型，实现基坑施工方案的合理选择；通过物理模型的构建，实现基坑三维可视化安全预警展现，并对超警戒参数进行分级安全预警；所有预警信息发送至相关人员的手机，同时，预警信息回传到安装在施工现场作业面的声光报警器进行声、光报警，从而实现对深基坑的实时监测预警，具体模块详细作用及相互关系见下文。

2.1 数据采集模块

1)监测数据采集模块

采集基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器。

图1 基于北斗模块的监测系统架构

2)视频数据采集模块

通过架设在基坑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，将采集到的图像数据发送到中央处理器。

2.2 中央处理器

中央处理器接收监测数据采集模块、视频数据采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块。

2.3 数据分析模块

1)预测分析模块

2)专家评估模块

储存各类典型的基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据及其可能带来的建筑安全隐患模型，将接收的中央处理器发送的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏。

2.4 模型仿真模块

1)物理模型构建模块

采用FLAC3D技术根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种物理模型；驱动参数变化的虚拟作动器与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并可改变转移节点的位置、方向设置，使物理模型运动；根据接收的控制命令进行物理模型的分解、切割、放大和缩小。

2)仿真分析模块

用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数、算法，并将输入参数、算法划分为单元、特性和载荷，分别作用到指定的物理模型元素上。在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析模块，将结果反馈给虚拟传感器，虚拟传感器接收结果并自动显示数据。虚拟传感器为在物理模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标逻辑单元。

2.5 报警模块

通过VTK技术与中央处理器建立数据交换关系的深基坑工作人员手机及深基坑现场安置的声光报警器构建物理模型，实现基坑三维可视化安全预警展现，并对超警戒参数进行分级安全预警，所有预警信息发送至相关人员的手机，同时，预警信息回传到安装在施工现场作业面的声光报警器进行声、光报警，从而实现对深基坑的实时监测预警。

3 工程应用

某城市地铁车站基坑工程，位于两条城市主干道交叉口，施工条件复杂。车站结构为地下两层10.4 m宽岛式车站，施工基坑深16.5～18.5 m，部分基坑深20.34 m，基坑标准段宽度19.5 m，轨排井段基坑最大宽度26 m。该基坑工程主体围护结构整体采用80 cm厚地下连续墙形式，内部设置横向支撑，基坑施工采用明挖顺做。

考虑项目所处地理位置环境复杂，建筑物和公共设施较多，根据实际工程要求、周围环境情况以及以往工程实践经验，在满足工程监测基本原则的前提下，制定车站基坑监测内容(见表1)并应用研发的基坑监测系统进行监测。

表1 车站基坑监测内容

注：h是基坑设计开挖深度；f是设计极限值。

按照监测方案完成监测数据采集模块的埋设以及视频采集模块的架设，并在每个数据采集模块内安装北斗模块，并使北斗模块与中央处理器建立通讯连接。中央处理器接收数据采集模块以及视频数据采集模块所采集到的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；通过预测分析模块、专家评估模块完成数据的评估，将评估结果发送到中央处理器、显示屏、监控终端和对应的数据库，中央处理器根据评估结果进行报警模块的启闭。

在整个监测过程中，系统运行良好，数据采集、存储十分方便，同时也测试了几种数据显示方式以及报警功能，各项功能模块均能顺利通过测试，为工程的顺利进行提供了技术保证。

4 结 语

基于北斗模块的土木工程基坑施工监测系统包括人机操作模块、数据采集模块、视频数据采集模块、中央处理器、预测分析模块、专家评估模块、物理模型构建模块、虚拟作动器、虚拟传感器、仿真分析模块和报警模块等。工程应用表明，系统安全实用，方法便捷，实时有效，避免了基坑施工监测中的安全问题，并且该系统可用于各种施工坏境现场，消除施工过程中的安全信息隐患，能够实现有效的监测和管理施工现场。