基坑结构健康监测系统的设计与研究

郭雷刚,李晓敏，孟凡侠，张 婷，李伟华

(1.中交二公局第五工程有限公司，陕西 西安 710075； 2.北京安信卓越信息科技有限公司，北京 100088； 3.山东高速潍坊发展有限公司，山东 潍坊 261000)

1 概述

基坑结构属于隐蔽工程，施工开挖过程受地质、降雨等外界环境影响较大，现场危险源相对较多，因此其安全性被工程界广泛关注。目前第三方监测是基坑施工安全保障的一个重要手段，但第三方监测受施工时间、空间等因素制约，过程很难做到全天候、全周期参与，观测数据也往往受技术人员经验、观测习惯等影响，存在一定的误差，同时传统检测是由人工定期用传统仪器到现场进行测量，工作量大，受天气、现场条件等许多因素的影响。而在线实时监测系统的实施，便于企业和安全监管部门快速掌握与工程安全密切相关的技术指标的最新动态，有利于及时掌握工程的运行状况和安全状况。所以如何对基坑结构实施全因素全天候的实时在线监测、分析及预告警等工作，逐渐被提上议程。

2 系统设计原则与实现内容

2.1 基坑监测系统的设计原则

近年来，随着基础设施的大力开展以及5G技术、物联网技术的迭代普及，结构健康监测得以在国内外发展迅速[1]，对应于土木工程中基于物联网、大数据技术的结构监测意识也越来越强。目前结构健康监测已被广泛应用于桥梁、地铁、隧道等大型结构物上，成功实现了对所监测结构物的全生命周期实时在线监测[2-7]。由于基坑工程属于隐蔽工程，施工周期较短，环境复杂，制约因素较多，所以基坑结构中的在线监测应用较少，因此很有必要对基坑结构在线健康监测建立一套完整便捷的系统。

本文系统开发设计及建设围绕经济实用、方便可靠的原则，利用信息技术、软件开发、硬件通讯等手段，以监测数据采集为主、数据分析预警并重，设计建立了一套基坑结构实时在线健康监测系统，以期满足大多数民建、市政基坑的在线安全监测需求。

2.2 基坑监测系统的框架搭建

基坑结构健康监测系统是一个以工程管理、数据采集、实时监测、阈值告警为主线，以数据分析、存储及报表输出为辅线的监测云平台，其模块组成如图1所示。

2.2.1 监测因素构成

结合既有工程经验，基坑结构常见破坏危险源通常分为变形、受力及环境三部分，系统监测因素考虑见表1。

表1 监测系统考虑的基坑结构监测因素

2.2.2 工程管理模块

该模块设计初衷是针对同一单位不同项目的情况下，可以做到对所有需要监测的项目汇总于同一平台下进行管理;可以实时增加或删除工程，对任意不同工程可做到无缝切换，让业主随时掌握名下所有监测项目的安全情况。

2.2.3 数据采集及分析模块

数据采集模块是通过硬件传感器采集到的数据，经过数据转换，再通过GPRS网络无线发送到云平台服务器，后端经过对数据的分析及汇总生成可视化的图表，用户侧即可通过任意可上网电脑或手机端APP使用该工程健康监测管理系统，做到对数据24 h不间断的采集与监测，随时掌握监测项目结构物的因素数据动态，特别是针对基坑结构的沉降监测、变形和锚杆受力监测，这些高危险的关键节点因素，情况可了然于心。

2.2.4 阈值告警模块

系统支持两种方式的告警。一种是数据告警，一旦所监测的数据触发了某一阈值范围，系统会智能地以短信或邮件的方式提醒相关工作人员，及时去工程现场进行排查。另一种告警是针对硬件告警，任意位置的传感器采集到数据或其他故障导致的数据中断等问题，系统也会智能地以短信或邮件的方式提醒相关工作人员，及时去工程现场维修或更换相关硬件设备。

3 基坑结构健康监测系统的应用

3.1 工程概况

基坑结构健康监测系统在实验室经过了多次测试，结果都较为合理、稳定，为进一步验证系统，2016年10月系统在北京某在建基坑项目中予以现场实施。该工程基础采用钢筋混凝土支撑结构，持力层为中风化岩层，垂直段底标高-21.3 m；底标高-28.8 m，项目采用整体开挖方案，场地东面几十米范围内遍布砖混凝土结构的民居，基坑开挖过程需同时考虑对相邻建筑产生的不良影响，在基坑支护方案中采用地下连续墙加内支撑的方案。

3.2 监测因素及布点

根据基坑结构的实际情况，选取以下6个监测因素：1)围护墙位移监测；2)围护墙结构内力监测；3)土压力监测；4)地下水位监测；5)锚杆拉力监测；6)周边建筑变形。

监测系统设备布置热点图如图2所示。

3.3 系统呈现

搭建的基坑监测系统命名为“知物云”在线监测系统，结合实际项目的系统部分模块及结果展现见图3～图5。

基坑结构在线监测系统通过基于实例的应用，各个子系统功能很好地得到了验证，采集的数据合理规范，数据连续稳定，证明了系统的有效性和实用性。

4 结语

对基坑结构进行实时在线监测，取代了传统的沉降观测等人工检测操作，大大提升了施工组织管理的效率，进一步保障了施工安全[8]，相比人工检测体现了较大的优势：1)低成本：一次投入，长期监测；2)规范化：可实现无线传输，无需长距离布设线缆、光缆；3)即时性：当结构出现异常信息时，系统第一时间发出预警信息，并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员，以便对结构安全进行及时评估；4)全周期：能够全天候24 h监测，如果需要，可以对结构物全生命周期进行监测。对下一阶段研究的建议：基坑自动化健康监测因为还处于发展初期，对应的规范及标准并不健全，传感器参数约定也不系统规范，接下来的平台拓展需要更多该方面的工作，以便尽早形成基坑监测系统的统一参考标准。