上海水利泵閘工程深基坑信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用研究

鄧 群，蘭士剛

(上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處，上海 200080)

上海是典型的軟土地基，地基承載力較差，在其上進(jìn)行工程建設(shè)之前必須對(duì)地基進(jìn)行處理[1]。隨著城市水利建設(shè)的發(fā)展，今后幾年內(nèi)上海市將有數(shù)十座泵閘工程進(jìn)入實(shí)施階段。上海城市建設(shè)用地的緊缺，致使泵閘工程施工場(chǎng)地周圍建筑物密集，地下管線復(fù)雜，傳統(tǒng)放坡開挖已不能滿足泵閘基坑施工要求。必須針對(duì)上海水利泵閘深基坑特征和施工難點(diǎn)，選擇合理、可靠、經(jīng)濟(jì)的基坑圍護(hù)方式[2- 5]。

深基坑工程是水利泵閘工程中危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，在施工過程中一旦發(fā)生安全事故就可能導(dǎo)致作業(yè)人員群死群傷，甚至造成重大社會(huì)不良影響[6- 7]。故必須采取有效措施對(duì)深基坑施工全過程進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[5]。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工程建設(shè)中的應(yīng)用，以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)不斷發(fā)展完善。應(yīng)用此類平臺(tái)對(duì)深基坑施工全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)并通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析指導(dǎo)深基坑施工，對(duì)提高泵閘工程深基坑安全管理效率具有重要意義[8- 10]。

此外，針對(duì)目前基坑工程風(fēng)險(xiǎn)管控機(jī)制中存在的對(duì)報(bào)警控制標(biāo)準(zhǔn)要求高、報(bào)警頻繁等問題，結(jié)合現(xiàn)有的深基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及臺(tái)風(fēng)、暴雨等易對(duì)深基坑施工產(chǎn)生影響的因素，研究一種多因素融合的基坑風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警機(jī)制，也是深基坑安全信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 水利泵閘工程特征及監(jiān)測(cè)重點(diǎn)

1.1 水利泵閘工程特征

1.1.1基坑不封閉，圍護(hù)難度高

上海水利泵閘工程大多建于已有河道上，泵閘工程深基坑兩端直接臨水，兩側(cè)為傳統(tǒng)基坑工程中的陸地，基坑不封閉。兩端臨水側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受到河道水位變幅及外海潮汐影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工中需要考慮的因素更多，難度更高。

1.1.2永臨結(jié)合設(shè)計(jì)要求高

上海水利泵閘工程內(nèi)、外河海漫段設(shè)計(jì)施工時(shí)通?？梢岳弥黧w工程永久結(jié)構(gòu)兼做施工期深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分。永久結(jié)構(gòu)兼做圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的因素更加復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)工作要求很高。

1.1.3水文地質(zhì)條件復(fù)雜

上海水利泵閘工程一般位于大多臨河口布置，河口地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水文地質(zhì)條件亦復(fù)雜多變；加之上海地區(qū)典型軟土地基特點(diǎn)，基土特性更為復(fù)雜；且水利泵閘深基坑開挖過程中，地下水補(bǔ)給豐富，對(duì)深基坑施工的降水及圍護(hù)質(zhì)量提出了較高的要求。

1.1.4坑中坑問題需妥善處理

上海泵閘工程中，泵站底高程一般低于水閘底高程，造成泵站、水閘底板高程存在一定高差。在泵閘工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工時(shí)如何處理好泵站和水閘底板間高差引起的坑中坑問題，對(duì)保證整體工程施工質(zhì)量具有重要意義。

1.1.5施工場(chǎng)地通常位于郊區(qū)、交通不便

上海水利泵閘工程一般位于已有河道中，其施工地點(diǎn)一般位于郊區(qū)，遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，交通不便，為施工機(jī)械和材料的運(yùn)輸帶來(lái)極大不便。

1.2 泵閘基坑重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位

水利泵閘深基坑施工過程中需修建擋水圍堰形成干地施工環(huán)境，且一般會(huì)采用工程導(dǎo)流設(shè)施排出內(nèi)河水。此外泵閘基坑工程多位于已有河道且兩端臨水，地下水補(bǔ)給豐富，故多采用地下連續(xù)防滲墻基坑圍護(hù)形式。因此，在泵閘深基坑施工過程中需要重點(diǎn)對(duì)地下連續(xù)防滲墻、工程導(dǎo)流設(shè)施、排水井點(diǎn)及基坑周邊重要管線5個(gè)部分進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

2 風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警算法

目前基坑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中采用的預(yù)警控制值為單一測(cè)點(diǎn)閾值，在基坑安全監(jiān)測(cè)過程中報(bào)警頻繁，為基坑安全管理工作帶來(lái)諸多不便[11- 13]。本次研究中提出的分級(jí)預(yù)警機(jī)制是通過廣泛收集上海地區(qū)基坑工程施工監(jiān)測(cè)資料并對(duì)其進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，確定基坑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中各測(cè)項(xiàng)的分級(jí)預(yù)警系數(shù)，同時(shí)結(jié)合施工場(chǎng)地周邊環(huán)境情況、基坑施工工況、現(xiàn)場(chǎng)巡查情況及天氣因素提出一種基于實(shí)際工程的基坑風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警算法。該算法是借助計(jì)算機(jī)程序在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警基礎(chǔ)上對(duì)報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行二次判斷，將報(bào)警數(shù)據(jù)按紅、黃、綠3個(gè)層次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)預(yù)判，減少人工干預(yù)，突出重點(diǎn)報(bào)警區(qū)域，輔助工程技術(shù)人員進(jìn)行基坑風(fēng)險(xiǎn)判斷，提高基坑工程安全管理效率。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與平臺(tái)介紹

3.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過人工和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備兩種方式采集并上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。人工方式主要通過人工安置水準(zhǔn)儀、全站儀、活動(dòng)測(cè)斜儀等儀器對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行豎向位移、水平位移及深層水平位移等測(cè)項(xiàng)的監(jiān)測(cè)工作，人工記錄監(jiān)測(cè)儀器讀數(shù)，并通過計(jì)算機(jī)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。

自動(dòng)化設(shè)備監(jiān)測(cè)方式主要通過安裝固定式測(cè)斜系統(tǒng)、支撐軸力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及各式傳感器及測(cè)控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)深層水平位移、支撐軸力及坑外水位的監(jiān)測(cè),系統(tǒng)自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過特定端口將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至系統(tǒng)平臺(tái)。

3.2 平臺(tái)介紹

3.2.1平臺(tái)總體架構(gòu)

為滿足建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、總包方、監(jiān)理方、監(jiān)測(cè)方及政府管理部門等不同主體的使用需求，平臺(tái)采用分層的總體架構(gòu)模式[13- 16]。平臺(tái)層級(jí)由低到高分別為數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層以及最終的Web端和移動(dòng)端的展現(xiàn)層。數(shù)據(jù)采集層是系統(tǒng)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)，主要為各類IT基礎(chǔ)設(shè)施和基坑工程安全監(jiān)測(cè)相關(guān)傳感器設(shè)備；傳輸層通過互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人工采集數(shù)據(jù)和自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)管理層是平臺(tái)建設(shè)的重點(diǎn)和基礎(chǔ)，能夠保證數(shù)據(jù)層在基坑工程建設(shè)過程中的獲取、表述、查詢、更新及處理的正確性；應(yīng)用支撐層主要提供授權(quán)管理、應(yīng)用配置、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、發(fā)布與訪問、自動(dòng)化傳感器接入等基礎(chǔ)應(yīng)用支撐服務(wù)；應(yīng)用層主要提供工況維護(hù)與展示、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與展示、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判及展示等主要功能；最終的展現(xiàn)層主要是WEB端和移動(dòng)端的應(yīng)用展現(xiàn)。泵閘工程深基坑安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 泵閘工程深基坑安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)總體架構(gòu)框圖

3.2.2平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)介紹

平臺(tái)包括安全監(jiān)測(cè)信息管理子系統(tǒng)、人工監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)。其中安全監(jiān)測(cè)信息子系統(tǒng)具體能夠?qū)崿F(xiàn)項(xiàng)目總覽GIS圖展現(xiàn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示、施工工況展現(xiàn)、基坑施工最新動(dòng)態(tài)顯示、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管理及警請(qǐng)報(bào)送等功能，同時(shí)提供通訊錄和話題模塊，支持工程參建各方線上協(xié)同管理基坑施工；監(jiān)測(cè)管理子系統(tǒng)具體能夠完成項(xiàng)目信息、測(cè)點(diǎn)、銷/報(bào)警及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文檔等的管理工作；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)模塊接口開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各測(cè)項(xiàng)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、安全地傳輸至平臺(tái)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的處理，保證數(shù)據(jù)格式滿足平臺(tái)數(shù)據(jù)分析功能要求；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警子系統(tǒng)主要通過風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警算法構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)分析模型，采集處理的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)基坑風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)在線顯示。平臺(tái)主要建設(shè)功能模塊如圖2所示。

圖2 平臺(tái)主要建設(shè)功能模塊

4 實(shí)際工程案例

4.1 工程概況

上海某在建河道整治工程包括出海泵閘基坑工程、護(hù)岸基坑工程及沿線的鐵路箱涵工程。其中出海泵閘基坑工程分為Ⅰ區(qū)基坑、Ⅱ區(qū)基坑和Ⅲ區(qū)基坑，根據(jù)基坑深度和工程環(huán)境條件，Ⅰ區(qū)基坑安全等級(jí)為二級(jí)，Ⅱ區(qū)基坑和Ⅲ 區(qū)基坑安全等級(jí)為三級(jí)；護(hù)岸基坑工程基坑開挖深度約7m；出海泵閘基坑工程施工范圍內(nèi)需保護(hù)環(huán)境主要為鄰近一線海塘大堤及防浪墻。護(hù)岸基坑范圍內(nèi)有多種重要市政管線，在基坑施工過程中需進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

4.2 平臺(tái)分級(jí)預(yù)警功能實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模塊能夠?qū)⒍鄠€(gè)基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警情況顯示在同一個(gè)界面，用戶只需要通過右上角的下拉菜單找到基坑工程項(xiàng)目名稱，點(diǎn)擊就可以看到對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)時(shí)間、紅色報(bào)警點(diǎn)總數(shù)、橙色報(bào)警點(diǎn)總數(shù)、黃色報(bào)警點(diǎn)總數(shù)及基坑總體安全狀況，從而對(duì)基坑安全狀況有一個(gè)總體把控。

圖3 基坑總體報(bào)警情況展示界面

圖4 基坑風(fēng)險(xiǎn)詳情展示界面

找到具體基坑工程項(xiàng)目名稱點(diǎn)擊，平臺(tái)以時(shí)間軸的方式將所有測(cè)點(diǎn)報(bào)警情況進(jìn)行展示，并顯示各類報(bào)警點(diǎn)總數(shù)，同時(shí)顯示風(fēng)險(xiǎn)清單，以表格的方式展示管理人員需要重點(diǎn)關(guān)注的測(cè)項(xiàng)及相應(yīng)報(bào)警級(jí)別高的測(cè)點(diǎn)，便于管理人員對(duì)超過報(bào)警值的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行管理，提高管理效率。具體工程項(xiàng)目平臺(tái)預(yù)警界面如圖3—4所示。

4.3 平臺(tái)數(shù)據(jù)分析功能實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊左側(cè)顯示基坑工程所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及該項(xiàng)目下測(cè)點(diǎn)報(bào)警總數(shù)；右側(cè)顯示所呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳時(shí)間，項(xiàng)目名稱等基本信息，并展示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最大值處測(cè)點(diǎn)編號(hào)及最大值，使用戶可以準(zhǔn)確掌握各測(cè)項(xiàng)測(cè)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)情況。點(diǎn)擊某一具體測(cè)項(xiàng)平臺(tái)會(huì)顯示該測(cè)項(xiàng)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)值，點(diǎn)擊某一測(cè)點(diǎn)平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成該點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線，直觀展示該測(cè)點(diǎn)所在處對(duì)應(yīng)測(cè)項(xiàng)變化情況，使管理人員準(zhǔn)確掌握該點(diǎn)處測(cè)項(xiàng)安全情況。平臺(tái)數(shù)據(jù)分析功能界面如圖5—6所示。

圖5 平臺(tái)總體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展現(xiàn)層

圖6 平臺(tái)數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示界面

5 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)不同泵閘項(xiàng)目的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、水文水位等條件制定出需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的部位及監(jiān)測(cè)內(nèi)容，做到把控關(guān)鍵點(diǎn)。

(2)基于已有基坑風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)的不足，通過對(duì)大量基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合施工工況、現(xiàn)場(chǎng)巡查、臺(tái)風(fēng)、暴雨等風(fēng)險(xiǎn)因素，研究一種多因素融合風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警算法算法，實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)的分級(jí)預(yù)警和預(yù)警信息自動(dòng)推送。

(3)以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，針對(duì)水利泵閘工程深基坑特征及施工要點(diǎn)，結(jié)合基坑風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)預(yù)警機(jī)制，構(gòu)建支持工程參建各方協(xié)同參與、共同管理的水利泵閘工程深基坑安全信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)泵閘工程深基坑施工全過程信息化監(jiān)測(cè)與管理。

(4)將水利泵閘工程深基坑安全信息化監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用于具體工程中，實(shí)現(xiàn)泵閘工程深基坑施工全過程信息化監(jiān)測(cè)，保證泵閘工程深基坑施工過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患、避免事故的發(fā)生。