基于北斗模塊的基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用

汪 麗 ，張軍平

(1. 西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077； 2. 西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 前 言

伴隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵、超高層建筑和高鐵車站等深基坑施工項目越來越多。深基坑在開挖過程中，涉及到土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍建筑物的變形和沉降等相關(guān)問題，極易發(fā)生支撐失穩(wěn)、滲流破壞、坑內(nèi)滑坡等常見的工程事故，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[1-2]。國內(nèi)外重大基坑工程事故發(fā)生并導(dǎo)致嚴(yán)重后果的原因，一是沒有充分重視事故發(fā)生前監(jiān)測數(shù)據(jù)的異常反映；二是現(xiàn)有的土木工程基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法還不夠完善和先進(jìn)，不能夠做到安全便捷、實時有效，最終導(dǎo)致了嚴(yán)重的后果[3]?，F(xiàn)有的基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)主要存在如下問題：1)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要通過有線網(wǎng)或者GPRS、3G等無線方式傳輸，一旦網(wǎng)絡(luò)較差便會造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖。?)監(jiān)測數(shù)據(jù)存在“失真”或人為編造的問題；3)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力較弱；4)監(jiān)測報警值設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)存在問題，大多數(shù)施工監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)實測數(shù)據(jù)超過報警值后，對相關(guān)問題缺乏認(rèn)真分析，錯過最佳的修正時期導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故[4]。

北斗導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)作為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)落實到國家發(fā)展規(guī)劃和各項專項規(guī)劃中，國家倡導(dǎo)以北斗為核心引導(dǎo)新興產(chǎn)業(yè)、新一代信息技術(shù)和智能信息、重大設(shè)施安全保障等產(chǎn)業(yè)發(fā)展和深度應(yīng)用[5]。北斗衛(wèi)星自動化監(jiān)測技術(shù)集北斗衛(wèi)星、數(shù)字通訊、自動控制、計算機網(wǎng)絡(luò)、精密工程測量及現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理等高新技術(shù)于一體，可實現(xiàn)高度自動化，又可迅速得到點位三維坐標(biāo)，為實現(xiàn)基坑的自動化監(jiān)測提供了一種新方法[6-7]。以此為契機，開發(fā)一種基于北斗模塊的深基坑監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，以適應(yīng)現(xiàn)代化施工的更高要求，及時反映工程項目是否處于安全狀態(tài)，方便施工人員及時調(diào)整施工方案，保證施工過程安全順利進(jìn)行。

1 北斗模塊

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐洲伽利略之后的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。BDS由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并具短報文通信能力，有獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設(shè)計，具有自主化的高強度加密系統(tǒng)設(shè)計，安全可靠、穩(wěn)定性好。計劃至2020年，我國將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.1 北斗相位差測量技術(shù)

在基坑每個監(jiān)測點上均安置一臺北斗衛(wèi)星接收機GNSS(包含監(jiān)測站及基準(zhǔn)站)，應(yīng)用北斗衛(wèi)星載波相位差測量技術(shù)進(jìn)行基坑變形監(jiān)測，不間斷地進(jìn)行全天候自動監(jiān)測[8-9]。

北斗衛(wèi)星載波相位差測量技術(shù)有如下優(yōu)點。

1)監(jiān)測點位布設(shè)靈活方便，測站間只需測站上空開闊即可，無需通視，可減少不必要的中間過度點；

2)監(jiān)測精度高，可同時提供監(jiān)測點的三維位移信息；

3)配備防雷設(shè)施，監(jiān)測不受氣候條件限制，可實現(xiàn)全天候監(jiān)測；

4)實現(xiàn)監(jiān)測高度自動化，操作簡便，大大減輕外業(yè)強度。

1.2 北斗短報文通訊技術(shù)

區(qū)別于世界上其他幾大導(dǎo)航定位系統(tǒng)，北斗短報文通訊技術(shù)是北航定位系統(tǒng)的特色功能。北斗短報文可以發(fā)布140個字的信息，北斗的雙向通信使用戶與用戶、用戶與中心控制系統(tǒng)間實現(xiàn)雙向簡短數(shù)字報文通信，而GPS只可以單向，這是北斗的優(yōu)勢。與定位功能相似，短報文通訊的傳輸時延約0.5 s，通訊的最高頻度也是1 s/次。

北斗短報文通信原理：短報文發(fā)送方首先將包含接收方ID號和通訊內(nèi)容的通訊申請?zhí)柤用芎笸ㄟ^衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)入站；地面中心站接受到通訊申請信號后，經(jīng)脫密和再加密后加入持續(xù)廣播的出站廣播電文中，經(jīng)衛(wèi)星廣播給用戶；接受方用戶機接收出站信號，解調(diào)解密出站電文，完成一次通訊。

例13的謎底是“亞(亞)”，例14的謎底是“災(zāi)(災(zāi))”。例15是20世紀(jì)50年代初的產(chǎn)物，對國民黨政治人物頗多罵詈揶揄，其“師”諧“絲”(即形近絞絲旁者。普通話zh、z組聲母拼開口呼的字，當(dāng)?shù)囟甲xz組聲母)，謎底是“藥”(藥)。例16頗有文學(xué)色彩，其謎底為“蘇(蘇)”。對于從小就學(xué)習(xí)簡化字并且在簡化字氛圍中長大、認(rèn)識繁體字不多的大陸年輕人來說，這類謎語猜起來當(dāng)然費勁，其淘汰是極有可能的。一些系列字謎也因為謎底中有繁體字而令猜謎者難以展開，如謎底為“特來討煙”的謎語：

2 基于北斗模塊的基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

研發(fā)的基于北斗模塊的基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過北斗短報文通訊技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，全方位對基坑施工情況進(jìn)行實時監(jiān)測，通過系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)基坑情況的評估；通過物理模型的構(gòu)建，對基坑施工的后續(xù)情況進(jìn)行預(yù)測和仿真分析，及時發(fā)現(xiàn)基坑施工過程中產(chǎn)生的問題，也可以將各種基坑施工方案轉(zhuǎn)換成參數(shù)后作用于所建立的基坑施工物理模型，實現(xiàn)基坑施工方案的合理選擇；通過物理模型的構(gòu)建，實現(xiàn)基坑三維可視化安全預(yù)警展現(xiàn)，并對超警戒參數(shù)進(jìn)行分級安全預(yù)警；所有預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)人員的手機，同時，預(yù)警信息回傳到安裝在施工現(xiàn)場作業(yè)面的聲光報警器進(jìn)行聲、光報警，從而實現(xiàn)對深基坑的實時監(jiān)測預(yù)警，具體模塊詳細(xì)作用及相互關(guān)系見下文。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊

采集基坑圍護(hù)樁水平位移數(shù)據(jù)、圍護(hù)樁頂部沉降數(shù)據(jù)、基坑地下水位數(shù)據(jù)、基坑周圍地表沉降數(shù)據(jù)和基坑地下巖土物性數(shù)據(jù)、圍護(hù)樁受力數(shù)據(jù)、基坑坑底回彈數(shù)據(jù)以及基坑土壤內(nèi)壓力數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過北斗模塊發(fā)送到中央處理器。

圖1 基于北斗模塊的監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

2)視頻數(shù)據(jù)采集模塊

通過架設(shè)在基坑實時變形監(jiān)測點周圍的數(shù)字?jǐn)z影機進(jìn)行高分辨率現(xiàn)場變形圖像數(shù)據(jù)以及基坑環(huán)境圖像數(shù)據(jù)的采集，將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到中央處理器。

2.2 中央處理器

中央處理器接收監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊、視頻數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用其對應(yīng)的北斗信息進(jìn)行標(biāo)記后發(fā)送到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儲存，將完成標(biāo)記的數(shù)據(jù)發(fā)送到預(yù)測分析模塊和專家評估模塊；將完成標(biāo)記的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成物理模型構(gòu)建模塊所能識別的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到物理模型構(gòu)建模塊；根據(jù)人機操作模塊輸入的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示屏進(jìn)行顯示；接收人機操作模塊輸入的控制命令，并按照預(yù)設(shè)的算法將其發(fā)送到指定的模塊。

2.3 數(shù)據(jù)分析模塊

1)預(yù)測分析模塊

2)專家評估模塊

儲存各類典型的基坑圍護(hù)樁水平位移數(shù)據(jù)、圍護(hù)樁頂部沉降數(shù)據(jù)、基坑地下水位數(shù)據(jù)、基坑周圍地表沉降數(shù)據(jù)和基坑地下巖土物性數(shù)據(jù)、圍護(hù)樁受力數(shù)據(jù)、基坑坑底回彈數(shù)據(jù)以及基坑土壤內(nèi)壓力數(shù)據(jù)及其可能帶來的建筑安全隱患模型，將接收的中央處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行類似度對比，并將比對結(jié)果按照相似度進(jìn)行升序或降序排序后，發(fā)送給顯示屏。

2.4 模型仿真模塊

1)物理模型構(gòu)建模塊

采用FLAC3D技術(shù)根據(jù)中央處理器所發(fā)送的數(shù)據(jù)和控制命令生成各種物理模型；驅(qū)動參數(shù)變化的虛擬作動器與物理模型構(gòu)建模塊中的各元素建立關(guān)系后，可以在指定的范圍內(nèi)對參數(shù)進(jìn)行變動，從而可以驅(qū)動仿真分析方法針對不同的參數(shù)進(jìn)行計算求解；并可改變轉(zhuǎn)移節(jié)點的位置、方向設(shè)置，使物理模型運動；根據(jù)接收的控制命令進(jìn)行物理模型的分解、切割、放大和縮小。

2)仿真分析模塊

用于輸入可以分解為設(shè)計變量、設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計約束的參數(shù)、算法，并將輸入?yún)?shù)、算法劃分為單元、特性和載荷，分別作用到指定的物理模型元素上。在仿真模擬的過程中，虛擬作動器通過循環(huán)執(zhí)行仿真分析模塊，將結(jié)果反饋給虛擬傳感器，虛擬傳感器接收結(jié)果并自動顯示數(shù)據(jù)。虛擬傳感器為在物理模型中插入的能直接獲取相應(yīng)的結(jié)果或信息的目標(biāo)邏輯單元。

2.5 報警模塊

通過VTK技術(shù)與中央處理器建立數(shù)據(jù)交換關(guān)系的深基坑工作人員手機及深基坑現(xiàn)場安置的聲光報警器構(gòu)建物理模型，實現(xiàn)基坑三維可視化安全預(yù)警展現(xiàn)，并對超警戒參數(shù)進(jìn)行分級安全預(yù)警，所有預(yù)警信息發(fā)送至相關(guān)人員的手機，同時，預(yù)警信息回傳到安裝在施工現(xiàn)場作業(yè)面的聲光報警器進(jìn)行聲、光報警，從而實現(xiàn)對深基坑的實時監(jiān)測預(yù)警。

3 工程應(yīng)用

某城市地鐵車站基坑工程，位于兩條城市主干道交叉口，施工條件復(fù)雜。車站結(jié)構(gòu)為地下兩層10.4 m寬島式車站，施工基坑深16.5～18.5 m，部分基坑深20.34 m，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.5 m，軌排井段基坑最大寬度26 m。該基坑工程主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體采用80 cm厚地下連續(xù)墻形式，內(nèi)部設(shè)置橫向支撐，基坑施工采用明挖順做。

考慮項目所處地理位置環(huán)境復(fù)雜，建筑物和公共設(shè)施較多，根據(jù)實際工程要求、周圍環(huán)境情況以及以往工程實踐經(jīng)驗，在滿足工程監(jiān)測基本原則的前提下，制定車站基坑監(jiān)測內(nèi)容(見表1)并應(yīng)用研發(fā)的基坑監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。

表1 車站基坑監(jiān)測內(nèi)容

注：h是基坑設(shè)計開挖深度；f是設(shè)計極限值。

按照監(jiān)測方案完成監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊的埋設(shè)以及視頻采集模塊的架設(shè)，并在每個數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)安裝北斗模塊，并使北斗模塊與中央處理器建立通訊連接。中央處理器接收數(shù)據(jù)采集模塊以及視頻數(shù)據(jù)采集模塊所采集到的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用其對應(yīng)的北斗信息進(jìn)行標(biāo)記后發(fā)送到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儲存，將完成標(biāo)記的數(shù)據(jù)發(fā)送到預(yù)測分析模塊和專家評估模塊；通過預(yù)測分析模塊、專家評估模塊完成數(shù)據(jù)的評估，將評估結(jié)果發(fā)送到中央處理器、顯示屏、監(jiān)控終端和對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，中央處理器根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行報警模塊的啟閉。

在整個監(jiān)測過程中，系統(tǒng)運行良好，數(shù)據(jù)采集、存儲十分方便，同時也測試了幾種數(shù)據(jù)顯示方式以及報警功能，各項功能模塊均能順利通過測試，為工程的順利進(jìn)行提供了技術(shù)保證。

4 結(jié) 語

基于北斗模塊的土木工程基坑施工監(jiān)測系統(tǒng)包括人機操作模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、中央處理器、預(yù)測分析模塊、專家評估模塊、物理模型構(gòu)建模塊、虛擬作動器、虛擬傳感器、仿真分析模塊和報警模塊等。工程應(yīng)用表明，系統(tǒng)安全實用，方法便捷，實時有效，避免了基坑施工監(jiān)測中的安全問題，并且該系統(tǒng)可用于各種施工壞境現(xiàn)場，消除施工過程中的安全信息隱患，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的監(jiān)測和管理施工現(xiàn)場。