深基坑施工安全监控及风险预警系统研究

2021-08-19张阿晋朱建刚

建筑施工 2021年4期

关键词：监测数据层级深基坑

张阿晋沈雯朱建刚

1. 上海建工集团工程研究总院上海 201114；2. 上海建工房产有限公司上海 200080

城市核心区深基坑工程面临着水文地质情况复杂、土方卸载量大、施工作业面小、保护建（构）筑物多、地下露天作业量大、临时施工措施多、不安全状态转换次数多等风险管控难题。

目前，深基坑工程施工安全监控仍大量采用人工监测数据采集与分析、纸质监测报表递送等方式进行，这种传统监控方式存在着监测数据误差甚至错误率大、数据分析水平受限、监测数据利用率低、工程指导意义不足等问题。

近年来，随着新型监测设备与监测技术的兴起，越来越多的自动化监测技术及信息化系统平台被应用于深基坑工程施工领域。

如杨佳等[1]、徐杨青等[2]、郑世杰等[3]、牛文榀[4]主要研究基坑监测数据的信息化管理系统开发，侧重于监测数据的汇总、查询、分析处理等基本功能的实现。

吴振君等[5]、周二众等[6]、杨仲杰等[7]、傅理文等[8]、王乾坤等[9]、齐红升等[10]主要研究了基于基坑监测数据分析的风险预警系统开发。

受限于平台开发的不同需求，上述系统普遍存在着以下问题：多数侧重于监测数据的简单分析，专业人员缺乏，专业性分析功能不足，监测数据的综合利用率不高；安全风险评估标准单一，无法反映深基坑施工的真实安全状态，工程指导意义不足；多层级管理架构缺乏，无法适应现有大型建设集团多管理层级、多项目工点、多协调单位的安全风险综合管控需求[11-12]。

基于以上分析，开展集深基坑施工监测数据专业化分析、安全风险多参数评估与智能化预警、适应于大型建设集团多层级安全管控需求于一体的深基坑安全监控及风险预警系统开发，可大幅降低深基坑施工的安全风险，提高深基坑施工安全风险的专业化、信息化、智能化管控水平。

1 设计思路

深基坑施工安全监控及风险预警系统拟对深基坑施工过程中的基坑本体与周边环境进行监测数据采集、数据跟踪与分析、安全评价与风险预测、专家系统在线分析及智能联动控制等，实现深基坑施工状态的全过程安全评估及实时预警功能，降低深基坑施工安全风险。为提高基坑监测数据分析的专业化水平，实现安全管控信息流的通畅无阻，深基坑施工安全监控及风险预警系统主要从3个层级进行一体化设计，系统层级如图1所示。

图1 系统层级示意

1）现场层级。主要负责深基坑监测数据与工况信息的采集，日常巡检信息的上传，视频监控网络系统的维护，安全风险预评估及与自动报警，风险预警信息的执行与反馈等。

2）专业层级。主要负责监测数据的实时处理与分析，并结合实际工况定期进行数值模拟计算，出具阶段性工况安全评估报告；对施工风险点预警级别进行人工复核；针对安全风险提出安全处置预案。

3）专家层级。主要负责定期对工程安全信息进行分析和阶段性评估；对危险工况及高风险预警事件进行安全风险评估，并出具专家评估意见；提供专家在线网络视频会诊，提升安全处置决策效率。

2 基本功能

深基坑施工安全监控及风险预警系统主要包括工程信息录入及监测数据采集、监测数据自动化分析、视频监控管理、人工专业分析、安全状态评估、风险智能预警、专家在线咨询、现场主动响应等8项功能，形成闭环式深基坑施工安全风险智能管控平台。

1）工程信息录入及监测数据采集。包括工程基本信息录入、基坑本体监测数据、周边环境监测数据、视频图像信息采集、日常安全巡检记录、风险预警信息等。

2）监测数据自动化分析。包括后台数据汇总、数据曲线分析、报表分析、图像识别等，实现监测数据工具化自动分析。

3）视频监控管理。包括工点视频切换，历史录像回溯，监控图像的放大、缩小、旋转等。

4）人工专业分析。包括专家分析、预案分析、视频分析等，实现监测数据的多维度可视化分析。

5）安全风险评估。包括安全信息汇总、安全状态智能分级、安全状态报告发布等。

6）风险智能预警。包括风险预报警、风险点超前预测、预警信息发布等。

7）专家在线咨询。包括工程阶段性安全评价、专家在线网络视频会诊、后台快速评估专家系统等。

8）现场主动响应。包括安全风险信息系统发布与短信提醒、监测设备的联动响应（如支撑轴力调整、视频监控联动）、风险预案自动化启动、施工及监测数据锁定等。

3 实施路径

深基坑施工安全监控及风险预警系统是在深入分析大型建设集团多层级、多维度、立体化深基坑施工安全风险管控需求的基础上，从深基坑参建各方数据流优化的角度出发，建立的一种数据采集标准化、数据分析自动化、安全分析专业化、风险预警智能化、信息传递高效化的系统平台，其具体实施路径如图2所示。

图2 系统实施路径

3.1 深基坑监测数据的标准化采集与自动化分析

深基坑监测数据的采集主要依托深基坑施工单位与第三方基坑监测单位，该系统的监测数据采用以自动化采集为主、人工录入为辅的方式，并对人工录入数据进行二次甄别，最大程度降低数据错误率。利用后台数据分析模块对监测数据、工况信息、视频图像等进行自动化分析；各级项目管理人员可随时查询基坑监测数据分析结果，系统也可将监测数据分析结果以报表的形式发送给上级管理人员，协助其对基坑安全进行初步预判。

3.2 深基坑施工安全性专业分析

在原始数据采集和自动化分析的基础上，监控管理分中心可组织专业技术人员对现有监测数据进行专业分析，如基坑安全性数值模拟等，并结合工程自身安全性等级、现场即时工况、数据变形趋势等，对自动报警结果进行重新评估，并进行多参数变权重分级细判（表1），摆脱了传统监测数据报警仅凭借累计值和变形速度作为标准的单一评判模式，并引入了关联报警、趋势报警及工况分析等多个风险评估因子。其中，关联报警是指通过分析多个监测报警项目（如地下连续墙测斜与周边地表沉降等）之间关联性强弱对原始监测报警数据进行安全性细分；趋势报警指通过数值模拟等手段分析未来几天或下一步工况可能发生的报警点，通过可能发生报警点数量及变化趋势等因素对现有安全风险进行重新评判。对不同级别安全风险，给出不同风险处理方式，达到有效管控风险的目的。

表1 安全风险等级划分

3.3 深基坑施工安全性专家咨询服务

对于深基坑工程施工中出现的高风险预警或较危险工况，可在监控管理中心初步判定的基础上，提交专家咨询委员会。专家咨询委员会由集团公司与外聘深基坑领域的资深专家及学者组成，咨询服务可采用在线视频咨询、现场会诊及险情处理等方式进行，可出具咨询服务报告。该项功能可充分发挥大型建设集团高水平人才集中的优势，为深基坑工程建设提供高质量、专业性技术支撑。

3.4 深基坑施工多层级安全管控信息流闭环管理

本系统采用信息流的多层级安全管控方案，共分为项目工点、项目部、工程公司、子集团公司和集团公司5级管理架构。其中项目工点主要负责深基坑工点的建立、人员及工程配置、项目初始化、监测设备安装、原始监测数据的采集及无风险预警等级的安全处置等。项目部、工程公司、子集团和集团公司等各级相关责任人员按照各自权限划分进行监测数据、工控、视频等信息查阅及提醒事件的处理等日常工作，并分别对低风险预警、一般风险预警、中风险预警和高风险预警进行安全处置。业主单位可通过该系统进行项目安全管理，如实时查询监测数据、调取视频监控、发布监督检查信息等，大幅提升了工程安全管理的信息化水平。

3.5 深基坑施工全过程信息化管理

为满足事件产生后可能发生的任何情况，系统提供了事件升级、降级、闭合等多种处理方式，可记录和展示事件处理的全过程信息、最新进展、相关责任人意见等，并根据不同预警事件级别，自动获取工程信息资料，生成相应的安全风险预案，提升了项目安全风险的自动化处置水平与决策效率。

4 应用效果

本系统适用于大型建设集团基坑施工风险的多层级安全管控，曾先后在上海后世博央企总部片区建设、海门路55号地块、徐家汇中心等深基坑工程项目中得到了成功应用。以海门路55号地块深基坑施工为例，基于基坑监测数据的自动化采集与无线传输技术，本系统通过后台大数据处理提供了深基坑本体（如地下连续墙测斜、支撑轴力）与周边环境（如地下水位变化等）监测数据的实时汇总、累计量与变化速度的曲线分析、各方监测数据的对比分析、监测项目之间的关联分析等。从首道支撑下土体开挖到第6道支撑下土体开挖完成，系统共发布了129次安全风险预警事件，形成了41份阶段性安全报告，为工程项目安全建设提供了可靠的数据支撑，其在施工阶段的数量分布如表2所示。

表2 预警事件及安全报告

在此基础上，制定了多参数风险预警评判标准，并通过参数权重的合理化设置，实现了深基坑安全风险的全要素、全方位、全过程考量。采用的多层级安全风险管控理念与系统架构，充分考虑了项目工点、项目部、工程公司、子集团和集团5个管理层级在深基坑安全与风险预警方面的需求，通过多层级管理权限与管理界面的合理划分，保证了深基坑施工安全风险信息流的高质量、高速度、高安全运行，大幅提升了深基坑施工安全风险预警与处置的决策效率。