研究自动化监测系统在基坑开挖中的应用

欧阳波，田力

（湖南省地质灾害调查监测所湘南所，长沙 410000）

1 引言

基坑工程的自动监控系统可以建立系统化、自动化、立体化的监测系统， 快速及时地对各类监测点的变化情况做出评估，监测地表的位移、沉降变化动态，基桩的应力应变，并对监测点土体内部位移变化和水位变化动态监测， 根据监测数据变化情况做出预报预测，及时反映地表形变区的安全情况，为后续的安全施工运行提供可靠的依据。 同时，参照相关技术标准，科学设定预警阈值，在监测过程中变化速率超过阈值、支护结构变形异常等情况时，系统能及时通过本地声音报警、远程声音报警、相关防灾人员手机短信等方式发出预警信息，实时实现野外监测设备自动报警， 监测成果实时发送至业主单位、监理单位、施工单位，为基坑安全施工做好监测预警。

2 自动化监测系统概述

2.1 自动化监测系统概念

自动化监测系统是集成了互联网技术、计算机编程技术、数据库技术、传感器技术、结构分析计算技术及地理信息系统技术的综合系统工程， 通过综合分析多种监测方法获取的监测数据，确定监测点的稳定状况及其发展趋势，并能及时做出预测预报，防止或减轻损失。 面向监测防治专业人员提供实时的详细的监测数据信息， 更能为业主及时提供各类突发应急信息，长期用于深基坑和施工环境复杂的工程，为调度决策与指挥提供有力的技术支持和科学依据。

2.2 自动化监测系统特征

自动化监测系统实现了工程数据的流程化、 自动化和细节化。 为基坑支护的稳定性判定等数据的收集提供了依据。 目前，为保证工程质量的持续发展，利用自动监测技术，把基坑工程的安全、稳定施工作为主要监控对象，通过对工作和资料的收集，使基础施工工艺得到全面、准确的反馈。 利用高精度传感器监测到的实时数据得到监测点沉降、位移、受力等变化量，建立安全监测模型系统，分析监测点的变形与形变规律并实现信息及时反馈，合理制定监测内容、布设监测点和确定数量。 为调度决策与指挥提供有力的技术支持和科学依据。

2.3 自动化监测系统设计

自动化监测系统利用计算机编程技术、 数据库以及GIS等技术，通过综合分析多种监测方法获取的监测数据，确定监测点的稳定状况及其发展趋势，并能及时做出预测预报，防止或减轻损失。 面向工程专业人员提供详细的数据信息，能为工程各参与方及时提供各类突发应急信息， 为调度决策与指挥提供有力的技术支持和数据保障。

2.3.1 科学合理性原则

监控目标的选取应符合相关安全规程和规定， 应有科学和法律依据；监控手段应科学、先进，监控成果应准确有效。 根据现场监测点的平面形态、空间形态、地表地形、地表植被、附近居民通电情况，合理选择设备通信方式和供电方式；根据现场的施工条件、诱发因素、变形特点、稳定性状况、发展趋势、应急措施等选择现场监测传感器；全方位、多手段、立体化监测。 除了对地表变形进行监测外，还应对施工过程中的地下深部位移、地下水位、钢筋应力、支撑轴力进行监测，建立立体化的监测网；同时，还应考虑诱发因素、工程措施，采用全方位、多手段的监测方法。 采用多因素评价模型。 根据现场布设的传感器，建立相应模糊综合评价模型，在考虑多因素的条件下，综合评定监测点的安全等级[1]。

2.3.2 扩展性和开放性原则

监控环境发生变化时，可根据作业环境变化，增加或者删减功能，在确保已投入的监测设备、监测元器件及监测软硬件能够继续使用的情况下减少重复投入；监测系统的输入、输出数据信息宜采用通用的国内或国际标准数据格式， 有利于系统功能扩展和监测成果使用的二次开发利用； 监测系统平台软件可支持多种监测设备的数据信息，便于进行数据分析、处理、汇总和支持人工巡检、查询、记录。

2.3.3 先进性与实用性原则

自动化监测系统的设计， 应首先考虑的是便捷性和实用性，便于管理和维护系统，容易掌握和学习、使用。 随着信息化、智能化技术的飞速发展，新的设备（如各类高精尖的传感器）不断涌现并趋于成熟，在满足实用性的基础上，应尽量采用先进的传感技术，融合网络技术、计算机技术和地理信息系统技术使整个自动化监测系统满足基坑监测的需要。

3 自动化监测系统在基坑开挖中的应用

3.1 案例应用

以长沙市黄花机场扩建项目磁悬浮车站与机场T3 航站楼、地铁6 号线、10 号线、S2 线黄花机场东站共同组成的换乘交通枢纽为例，对基坑重点部位建立了系统化、自动化、立体化的监测系统， 快速及时地对各类监测点的变化情况做出了评估，并且监测了地表的位移、沉降变化动态，基桩的应力应变， 并对土体内部位移变化的动态和监测点内部水位变化动态对其发展趋势做出预测预报。 通过监测数据反映出基坑及基坑周边地形、地下管线及居民建筑物监测数据变化情况，确保了基坑支护的安全稳定，为后续的施工安全保驾护航。

3.2 监测内容及原理

自动化监测系统在实际应用时， 需要监测范围内设置变形观测点， 可以根据工程安全影响因素分析设立不同监测内容的观测点。 通过高精度传感器监测各监测点的数据变化量，建立监测模型，并分析变形规律，实现数据及时反馈，安全监测模型的建立，合理制定监测内容、布设监测点和确定监测点数量是非常关键的基础工作。 此自动化监测系统可对基坑的边坡水平位移、地表沉降、桩体、桩顶水平位移结构监测、支撑轴力监测、支撑立柱沉降监测、深层水平位移、地下水位进行实时自动化监测[2]。

3.3 数据采集与处理

3.3.1 数据采集

利用计算机技术来实现自动化采集数据的过程。 使用编程语言实现数据收集和处理。 通常按照规程规范要求设定固定采集时间、采集频率或采集次数，当采集的数据值超出设计限定值时，可提高采集频率，使数据能准确及时地反映监测对象数据变化的形变过程。

3.3.2 传输数据方式

数据传输常用的通信方式有GPRS/4G/5G，以及短程无线传输等。 一般组网方式的选定原则为：（1）公共网络能够覆盖的地区，优先考虑选用公共网络；（2）对于公共网络未能覆盖的地区，可选用超短波通信方式；（3）对于既无公共网络，又无条件建超短波的地区，可选用卫星通信方式；（4）对于重要监测站点或有条件的区域，宜选用两种不同通信方式，实现互为备份，自动切换的功能，确保信息数据传输的畅通。

自动化监测系统的监测点所处区域具备GPRS 信号时，GPRS/SMS 无线通信链路作为主链路，其余为辅助链路。 预警平台宜优先利用成熟的GPRS/4G/5G 网络， 通过灵活地控制设备的采集规则，进行远程操控[3]。

3.3.3 信息处理

各类监测点数据信息传输在数据采集前、 后都可进行处理，信息处理分析、滤波功能有：（1）数据采集：触发采样，多次触发采样、随机采样，采样数据长度和采样时间自由设定，采样时应实时观察波形变化随机采样；（2）监测点数据信号实时显示；（3）数字滤波：高通，低通，带通，带阻滤波等；（4）频域、时域的分析：对动态信号信息进行频域、时域范围的不同类型分析和不同点数的FFT 分析；（5）其他相关分析：可对各系统间信号的其他相关性进行分析。

4 监测信息反馈及报警设置

4.1 监测信息反馈

现场监测数据直接上传至云平台， 云平台进行数据处理分析，形成周报、月报，专业数据分析组定期编制专业分析评估报告，并上传至云平台，业主单位拥有云平台数据浏览、下载和专业分析评估报告的浏览、下载权限。 预警信息第一时间以短信、邮件方式向相关负责人发送。

4.2 预测预报原则

监测报警值是自动化监测系统指标是否超限的一个重要标准，对于保证监测部位结构安全极为重要，自动化监测系统作为一个动态的管理体系，应在日常监测过程中严格遵守。 当监测数据达到或超过控制标准值时， 监测平台自动推送信息至管理员及业主负责人执行预定的应急预案[4]。

4.3 预警阈值确定原则

当实测变形值达到最大变形值的60%、80%、100%时的应对控制措施参考CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》表7.4.1。

当实际变形值达到最大变形值的60%时， 应向工程施工单位、监理单位及建设单位等各方发出预警；

监测的实际变形值达到控制指标的80%时， 应向本工程施工单位、监理单位及建设单位等各方发出报警；

当达到监测控制指标时，发出报警，同时执行监测工作的应急预案，通知各方实施应急措施。

4.4 分级预警

监测预警级别是根据监测现场数据信息， 通过核对、综合分析及专家论证意见等确定，判定工程风险大小以及确定监测预警级别，并对关键参数进行时时预警。 预警级别按工程风险由大到小分为四级：红色预警、橙色预警、黄色预警、蓝色预警。

根据不同级别的预警，确定不同的预警机制，采用自动化监测系统进行实时自动监测，根据历史监测数据，利用时间顺序法、 归类法、 统计法等手段对监测数据进行实时处理和分析，在出现监测数据明显异常变化，超出监测预警设定值时，系统能立即发送预警信号（短信、声光信号），确保现场人员能接收到预警信息， 并采取有效防治措施， 避免安全事故的发生； 若监测数据变化情况不是很明显， 未超出监测预警设定值，可利用监测数据建立立体模型，分析监测点变形与形变规律，及时研判施工对监测目标影响的发展趋势。

5 结语

综上所述， 本文主要针对自动化监测系统在长沙机场基坑支护工程开挖中的应用进行分析,给出了相应的建议，并阐述了相关思考。 首先，针对自动化监测系统在基坑支护工程开挖中的应用必要性进行分析；然后，探讨了基坑支护工程开挖各个环节自动化监测系统的应用思路；最后，针对自动化监测系统应用的注意事项进行总结,提出了相应的建议。 希望通过本文的论述，能对相关行业有所借鉴，并逐渐凸显其在实际应用中的作用，保证其应用的安全性、可靠性和规范性，从而为城市的长期发展注入动力。