岩土与地下结构安全监测预警系统

研究意义

岩土与地下结构的施工过程，就是对现有的地质与建造环境的改变过程，必然打破原有的平衡，形成新的平衡。施工过程可能造成，地下工程支护结构、邻域地层和建（构）筑物的过大变形与灾变。这种灾变是潜在的、不易觉察，且往往又是突发的、灾难性的。因此，建立实时监测预警系统，可实现早期感知觉察，提早采取措施，避免灾变，或将变形控制在可接受范围内。

在岩土与地下结构安全监测领域，传统监测技术与手段繁多，但复杂施工环境下的监测技术要求难以满足。如监测参量的高精度、抗干扰、实时性和可靠性等。施工风险监测预警体系，受地质条件、施工环境、传感技术、通讯技术的制约，还无法实现对风险源的数字化全面感知，数据传输途径和速率有待改善，监测预警模型缺乏动态性、实时性和智能化。因此，在当前工程应用上，迫切需要建立多种高精度传感器多数据类型融合的数据感知传输体系，研究适用于岩土与地下结构特征的动态风险评估模型，研发多人多途径实时获取预警信息的技术手段等等。

成果内容

项目组针对岩土与地下结构的工程特点，结合现代传感器技术、云计算和岩土力学方法，研发了岩土与地下结构安全监测预警系统，该系统由传感器、数据采集模块、数据传输模块、供电模块、云数据库与管理平台、用户终端等6大部分组成。如图1所示。

“岩土与地下结构安全监测预警系统”的关键技术是测站建设、测点安装设置，以及管理平台的研发。其中，测站包括数据采集和数据传输功能模块，主要用于建筑场地岩土工程数据的远程采集、传输和预警。本数采系统采用RS-485信道自动抄收并存储工程现场的各种传感器数据，其上行信道采用多种方式和媒介，如GPRS/CDMA/3G/4G 、网络等通信方式；数采系统上行通信部件采用模块化设计，可通过更换通信模块适应不同通信方式。同时使用串口工具可以在工程现场和预警系统交互数据、设置参数。数采系统（测站）安装使用方便，功能设置灵活，是提高岩土与地下工程管理自动化程度的有力工具。

图1  岩土与地下结构安全监测预警系统组成

测站数据采集箱组成包括电源系统、CPU模块、通信模块、采集接口、LED显示、维护接口等部分，如图2所示。

（a）模块组成

     (b)箱体照片

图2  测站数据采集箱组成

系统可接入多种传感器种类，如表1所示。以基坑工程为例，可开展的实时监测项目包括：桩顶、坡面水平位移监测；地面沉降监测；坡顶、冠梁倾斜变形监测；锚索轴力监测；钢支撑轴力监测；钢筋混凝土支撑轴力（内力）监测；地下水（孔隙水压力）监测；逆作结构收敛、位移监测等等。

表1  系统可接入的传感器类型

岩土与地下结构安全监测预警系统的管理平台可登录网站：www.geo-monitor.cn，针对具体工程，进行工程监测项目的管理。平台主界面的左侧导航栏包括创建工程、工程列表、工程分析、测站与测点管理、数据管理、远程控制、系统管理和关于我们等8部分，如图3所示。

图3 岩土与地下结构安全监测预警系统主界面

岩土与地下结构安全监测预警系统的主要特点如下：

（1）适用面广，技术先进。本系统可用于基坑（竖井）工程、边坡工程、隧道工程、地下综合管廊、地铁暗挖工程、采空塌陷区、地下管线等工程灾变的远程实时监测及智能预警。

（2）数采模块适用多种类型高精度传感器，性能良好。系统可接入拉线式位移计、激光位移计、倾角计、轴力计、应变计、土压力计、渗压计、温湿度计等多种传感器，能够进行大变形监测，量程可达500~2000mm；拉线式位移传感器测量精度高达0.01mm；激光传感器测量精度达0.1~0.5mm。

（3）能够适用于恶劣气候条件，如降雨天气、冰雪天气等，传感器能埋置于地下。

（4）依托云计算处理平台，进行数据传输、工程报表上传和动态风险评估，通过互联网实现与电脑、手机等终端通讯，可随时随地实时观察、控制、查询测站测点灾变信息。

（5）系统的供电系统多样化，可通过太阳能供电、蓄电池供电、市电220V供电，供电方式自动转换。

（6）预警数据可绑定多人的手机，实现项目主要负责人对项目灾变信息的无障碍实时管控。

应用案例

岩土与地下结构安全监测预警系统已经在国内很多重大基建项目中得到推广应用，如2022年北京冬奥会崇礼赛区滑雪跳台、北京副中心站特大交通枢纽工程、北京星火站基坑工程、中科院物理所凝聚态物理研究平台深基坑工程、河北衡水文化广场深基坑工程、江苏镇江地下人防深基坑工程、大观天下广电文化家园深大基坑工程、长春轻轨三期伪皇宫站深基坑工程、合肥恒大中心基坑、北京大兴机场管廊、云南海口林场磷矿的边坡工程等等，推广应用20余项，经济效益显著。

案例1 衡水新华人防地下商业街深基坑工程监测

深基坑东西长约400米，南北长约150米，坑深8.0m。支护方式为上部1.2m采用土钉墙，1:0.5放坡，下部采用钢管桩。本项目重点开展了基坑邻域地面沉降、支护结构水平位移等项目的自动化实时远程监控。2013年2月10日，基坑开挖及地下结构完成，肥槽未回填时，基坑北侧出现桩间土滑塌现象,滑塌土体的体积约为200m³；项目组提前12小时进行预警，避免了人员伤亡和经济损失。

案例2 京沈客专星火站（北京朝阳站）基坑工程监测

星火站为大型客运站，承担京沈客专始发、终到列车。地铁M3号线和规划地铁R4号线在站区地下通过。基坑南北长320m，宽264m，两侧风道深度为12.23m，中部深14.6m，局部17.2m。基坑采用“桩锚”的支护形式，其中两侧风道基坑采用放坡+围护桩支护形式，一、二期过渡段基坑采用放坡+土钉支护形式。项目组承担深基坑的远程自动化实时监测预警工作，针对深基坑支护结构、邻域边坡、铁路路基沉降，开展了自动化远程实时监控。其中，设置地面沉降监测点10个，桩顶水平位移监测点4个，邻域边坡坡面水平位移监测点16个，锚索轴力监测点2个，轨道沉降监测点24个。监测周期15个月，保障了深基坑和地下结构的安全顺利施工。

案例3 北京副中心站特大交通枢纽深基坑工程监测预警

北京城市副中心站地下综合交通枢纽，深基坑长达1.8km，施工场区周边存在铁路、六环路、市政道路、桥梁、各类管线等多种风险源。其中，基坑北侧紧邻运营中的京哈铁路，站房结构线距离京哈铁路轨道中心线41.3m，京哈线列车平均每天通过26车次，属于1级风险源。基坑为超大超深基坑，采用的支护结构多样，基坑变形规律复杂。因此，在开挖施工过程中，加强围护结构和周边环境的变形观测，避免基坑塌方、破坏，保障基坑施工及邻域建（构）筑物的安全是工程的首要任务。

本项目基于云计算、现代传感技术构建超大深基坑工程远程实时监控预警平台，在施工期间对设置在监测区域的各类监测点的灾变参数进行实时远程监控量测，主要包括：地面沉降监测、支护结构位移监测、结构应力监测、逆作结构变形监测等，监测周期24个月，在1标段形成远程智能监控示范工程。示范工程从岩土工程专业的角度对监测数据、信息进行及时分析，向施工方和建设方提供风险源和地下结构的变形情况，对异常情况及时进行预警，并提供建议，为优化施工方案和保障安全施工提供科学依据。

案例4 2022北京冬奥会崇礼赛区边坡工程监测

2022年北京冬奥会崇礼赛区主要承担越野滑雪、跳台滑雪、北欧两项、冬季两项等比赛项目。其中，国家跳台滑雪中心的建设地点出现局部基岩裸露现象，本项目依托国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项-局部山体切削面的生态再造格宾支护体系研究课题，开展了岩质高切坡生态再造格宾支护技术研究，实现了快速恢复生态，保护环境，防止水土流失的目标。在项目的大型现场试验中，成功采用了本课题研发的岩土与地下结构安全监测预警系统，对岩质高切坡交错叠摞-梯形格宾石笼支护结构的受力变形性能与生态再造特征进行了全面实时监控，达到了良好效果，圆满完成了课题研究任务，保障了赛区施工安全。

应用前景

岩土与地下结构安全监测预警系统可用于深基坑工程、建筑（含公路、铁路、露天矿开采等）边坡工程、公路铁路隧道工程、地铁暗挖工程、地铁区间隧道、车站、竖井工程、地下综合管廊工程、地下管线等工程灾变的远程实时监测及智能预警。

近年来，国家十分重视建筑施工的安全生产工作，出台了一系列安全管控政策，编制或更新了众多领域的监测技术标准，逐步实现监控技术的规范化、智能化。同时，建筑施工单位、三方监测单位和建设单位也有广泛的提高安全监控水平的技术需求，特别是地下工程，以确保工程安全顺利进行。目前，岩土与地下结构安全监测预警系统已经成功应用于20多项国内重大或重点基础设施的工程监测项目，为项目搭建了便捷智能化的安全管控平台，取得了良好的效果，赢得了应用单位的赞誉。岩土与地下结构安全监测预警系统因其突出的多功能性、智能化和低成本，具有广阔的推广应用前景。