深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警方法与系统.pdf

本发明基于深基坑岩土体物理力学参数、深基坑区域水文地质工程地质条件与FLAC3D技术，建立施工区域深基坑开挖稳定性三维综合数值模型；基于VTK商业软件系统建立深基坑三维可视化安全预警平台。通过测斜仪、静力水准仪、压力盒、轴力计与孔隙水压力计采集深基坑坡顶和围护桩的水平位移、沉降、围护桩周侧土压力、工字钢轴力以及基坑坡顶、围护桩周土孔隙水压力数据，并将数据传输到用户远程计算机，深基坑开挖稳定性三维综合数值模型利用初始数据完成模型参数修正并将后续实时数据与模型参数阈值进行比对，通过深基坑三维可视化安全预警平台予以展现，对超警戒参数同时进行手机短信分级预警和现场声、光分级报警。

权利要求书

深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警方法与系统
技术领域
本发明属于城市地铁车站、高层建筑地基开挖等相关深基坑施工工程技术领域，用于深基坑稳定性智能监测和安全预警；具体涉及深基坑受力、变形与力学稳定性远程智能监测三维数字综合预警方法，还涉及深基坑受力、变形与力学稳定性远程智能监测三维数字综合预警系统。
背景技术  
随着城市地铁、超高层建筑等建设规模的扩大，伴随着深基坑施工项越来越多，深基坑失稳、突水突泥事故频发，深基坑稳定性越来越多引起人们的关注，行业基坑支护技术规程在遇到特殊水文地质工程地质条件以及密集建筑物群环境时，有着一定的局限性。考虑安全经济的原则，开发深基坑稳定性远程智能监测及三维数字综合预警方法具有十分重要的实际意义。       
国内外在深基坑稳定性远程智能监测及三维数字综合预警方法研究方面尚少，根据国内文献，我国极少数公路、矿产、海底隧道、铁路工程中已有构建数据库、隧道施工多元信息预警与安全管理。但目前为止，尚未见集深基坑开挖稳定性三维综合数值模型与深基坑三维可视化安全预警平台于一体的深基坑稳定性远程智能监测及三维数字综合预警方法的文献报道。 
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警方法，本发明要解决的第二技术问题在于提供一种深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警系统。使用该方法与系统，能够实时连续监测深基坑坡顶和围护桩的沉降、水平位移，并实时连续监测围护桩周侧土压力、工字钢支撑轴力，同时连续检测基坑坡顶及围护桩周土孔隙水压力等的变化情况，并将实测数据实时连续传输到远程监测和数据处理主机，根据实时监测数据，完成对深基坑稳定性分级预警。 
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：一种深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警方法，包括下述步骤：
（1）选择一深基坑作为被研究的对象；调查该深基坑区域地层水文地质工程地质条件，获取该深基坑区域岩土体物理力学参数；
（2）远程监测和数据处理主机基于深基坑区域地层水文地质工程地质条件、该深基坑区域岩土体物理力学参数以及连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC^3D建立深基坑开挖稳定性三维综合数值模型；基于VTK(Visualization Toolkit)商业软件系统建立深基坑三维可视化安全预警平台；
（3）围护桩施工的同时：在深基坑坡顶下面至与冠梁深度相当的部位同步设置数个测斜仪与数个空隙水压力计；沿围护桩表面或围护桩中与桩轴平行同步设置多个测斜仪，底部的测斜仪深入桩尖以下，顶部的测斜仪与冠梁上部平齐；沿围护桩表面安装多个压力盒以及多个孔隙水压力计；在深基坑坡顶上表面安装数个静力水准仪，在冠梁上表面安装多个静力水准仪；每个工字钢支撑两端安装轴力计；现场同步安装声光报警器；采集深基坑坡顶和围护桩的沉降、水平位移、围护桩周侧土压力、工字钢支撑轴力、基坑坡顶以及围护桩周土孔隙水压力数据，并传输到远程监测和数据处理主机，生成数据库文件，深基坑开挖稳定性三维综合数值模型实时调用这些数据； 
（4）深基坑开挖稳定性三维综合数值模型利用得到的最初数组数据完成自我参数修正并给出各参数模型阈值，之后模型将得到的后续实测系列数据进行综合受力、变形分析，并与模型参数阈值进行比对，通过深基坑三维可视化安全预警平台予以展现并对超警戒参数进行分级安全预警；预警信息通过与计算机连接的短信模块，以手机短信方式发送至现场施工与地面管理相关人员的手机，实现深基坑稳定性远程预警；同时，预警信息还通过可视化安全预警平台回传到安装在施工现场作业面的声光报警器进行声、光报警，实现现场预警，使施工管理相关人员及施工现场的作业人员根据预警信息及时采取相关预防措施，进一步加强施工风险管理。 
本发明解决上述第二技术问题所采取的技术方案如下：一种深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警系统，包括若干个测斜仪、多个压力盒、多个轴力计、若干个静力水准仪与若干个孔隙水压力计；其特征在于：还包括多个压力盒与多个轴力计，还包括依次连接的声光报警器、自动化数据采集仪、GPRS静态数据采集仪、通信发射基站、商用卫星、通信接收基站、互联网及远程计算机；测斜仪、压力盒、轴力计、静力水准仪、孔隙水压力计与声光报警器有线连接，声光报警器与自动化数据采集仪有线连接，自动化数据采集仪另一端无线连接GPRS静态数据采集仪，GPRS静态数据采集仪、通信发射基站、商用卫星、通信接收基站与互联网之间依次无线信号通讯连接，互联网与远程计算机连接，远程计算机连接有F2003GSMDTU短信模块，F2003GSMDTU短信模块与数个手机无线信号通讯连接。
应用时，沿深基坑轴向即与工字钢支撑垂直的方向设置若干断面，每个断面上在围护桩表面或围护桩中依据深基坑围护桩深度每一定间隔布设一个测斜仪，每个断面沿围护桩表面安装多个压力盒和多个孔隙水压力计，每个断面深基坑坡顶安装一个静力水准仪，每个断面在深基坑坡顶下面至与冠梁深度相当的部位设置数个测斜仪与数个空隙水压力计，每个断面冠梁上表面安装一个静力水准仪；工字钢支撑两端安装轴力计；静力水准仪基准点安装在深基坑外相对沉降稳定点。 
本发明提供了一种基于测斜仪、压力盒、轴力计、静力水准仪以及孔隙水压力计的深基坑稳定性远程智能监测及三维数字预警技术，本发明对深基坑稳定性进行系统的、全面的、全方位的监测。本发明基于深基坑岩土体物理力学参数、深基坑区域水文地质工程地质条件以及连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC^3D技术，建立施工区域深基坑开挖稳定性三维综合数值模型；并基于VTK商业软件系统建立深基坑三维可视化安全预警平台。通过测斜仪采集深基坑坡顶和围护桩的水平位移；通过静力水准仪采集基坑坡顶和围护桩的沉降；通过压力盒和轴力计分别采集围护桩周土侧压力以及工字钢支撑轴力；通过孔隙水压力计采集深基坑坡顶至围护桩底孔隙水压力变化等实时监测数据，并将实时监测数据传输到用户计算机，计算机深基坑开挖稳定性三维综合数值模型调用这些数据，并利用得到的最初数组数据完成自我参数修正且给出各参数模型阈值，之后模型将得到的后续实测系列数据进行综合受力、变形分析，再与模型参数阈值进行比对，通过深基坑三维可视化安全预警平台予以展现并对超警戒参数进行分级安全预警；所有预警信息通过与远程计算机连接的短信模块，以手机短信方式发送至相关人员的手机；同时，预警信息还通过可视化安全预警平台回传到安装在施工现场作业面的声光报警器进行声、光报警；从而完成深基坑稳定性现场与远程三维数字安全预警，使相关人员根据预警信息及时采取预防措施，提高深基坑施工人员安全性。   
附图说明
图1是布置在深基坑的测斜仪、压力盒、轴力计、静力水准仪、孔隙水压力计与声光报警器的纵断面图，
图2是布置在深基坑的测斜仪、压力盒、轴力计、静力水准仪、孔隙水压力、声光报警器以及自动化数据采集仪、GPRS静态数据采集仪平面示意图， 
图3是本发明的结构、数据采集传输与数据回传的示意图。  
图中：1—测斜仪，2—自动化数据采集仪，3—GPRS静态数据采集仪，4—静力水准仪，5—围护桩，6—深基坑坡顶，7—工字钢支撑，8—冠梁，9—基坑底面，10—商用卫星，11—通信发射基站，12—互联网，13—远程计算机，也称远程监测和数据处理主机，14—F2003GSMDTU短信模块，15—手机，16—通信接收基站，17—声光报警器，18—孔隙水压力计。19—压力盒，20—轴力计。
具体实施方式     
系统实施例    如图1、图2与图3所示：一种深基坑稳定性远程智能监测三维数字综合预警系统，包括若干个测斜仪1、若干个静力水准仪4、多个压力盒19、多个轴力计20与若干个孔隙水压力计18；还包括依次连接的声光报警器17、自动化数据采集仪2、GPRS静态数据采集仪3、通信发射基站11、商用卫星10、通信接收基站16、互联网12及远程计算机13；测斜仪1、静力水准仪4、压力盒19、轴力计20、孔隙水压力计18与声光报警器17有线连接，声光报警器17与自动化数据采集仪2有线连接，自动化数据采集仪2另一端无线连接GPRS静态数据采集仪3，GPRS静态数据采集仪3、通信发射基站11、商用卫星10、通信接收基站16与互联网12之间依次无线信号通讯连接，互联网12与远程计算机13连接，远程计算机13连接有F2003GSMDTU短信模块14，F2003GSMDTU短信模块14与数个手机15无线信号通讯连接。声光报警器17采用ADS‑R3串口塔式LED声光报警器，由深圳市艾德斯科技有限公司提供。
参见图1与图2：深基坑包括深基坑坡顶6和基坑底面9。在深基坑坡顶6下面至与冠梁8深度相当的部位设置串接的数个测斜仪1与串接的数个孔隙水压力计18；在深基坑围护桩5中设置串接的多个测斜仪1，同深度围护桩5周边土中设置串接的多个孔隙水压力计18，沿围护桩表面安装串接的多个压力盒19；深基坑坡顶6表面设置串接的数个静力水准仪4，冠梁8上表面设置串接的多个静力水准仪4；每个工字钢支撑7两端安装轴力计20，共安装串接的多个轴力计20；声光报警器17安装在深基坑施工现场。本领域的技术人员知道，深基坑围护桩5中设置的多个测斜仪1也可以设置在围护桩5的表面。
若干个测斜仪1包括深基坑坡顶6下面设置的串接的数个测斜仪1与深基坑围护桩5中同步设置的串接的多个测斜仪1；若干个孔隙水压力计18包括深基坑坡顶6下面设置的串接的数个孔隙水压力计18与围护桩5周土中设置的串接的多个孔隙水压力计18；若干个静力水准仪4包括深基坑坡顶6表面设置的串接的数个静力水准仪4与冠梁8上表面设置的串接的多个静力水准仪4。
串接的数个测斜仪1、串接的多个测斜仪1、串接的数个孔隙水压力计18、串接的多个孔隙水压力计18、串接的数个静力水准仪4、串接的多个静力水准仪4、串接的多个压力盒19与串接的多个轴力计20均与一根主线连接，主线与声光报警器17连接。
远程计算机13建立有深基坑开挖稳定性三维综合数值模型以及深基坑三维可视化安全预警平台。深基坑开挖稳定性三维综合数值模型的建立是基于基坑区域地层水文地质工程地质条件、该区域岩土体物理力学参数以及连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC^3D。深基坑三维可视化安全预警平台基于VTK商业软件系统。
本实施例将测斜仪1、孔隙水压力计18、压力盒19、轴力计20与静力水准仪4连接在一根主线；但测斜仪1、孔隙水压力计18、压力盒19、轴力计20串接的方式不受实施例的限制。
方法实施例  
（1）选择一深基坑作为深基坑稳定性远程智能监测及三维数字综合预警方法系统实施的对象；调查该深基坑区域地层水文地质工程地质条件，获取其岩土体物理力学参数；
（2）远程监测和数据处理主机建立预警系统实施对象区域深基坑开挖稳定性三维综合数值模型，建立深基坑三维可视化安全预警平台。深基坑开挖稳定性三维综合数值模型的建立是基于基坑区域地层水文地质工程地质条件、该区域岩土体物理力学参数以及连续介质快速拉格朗日分析程序FLAC^3D；深基坑三维可视化安全预警平台基于VTK商业软件系统。
（3）围护桩施工的同时：在深基坑坡顶6下面至与冠8深度相当的部位同步设置数个测斜仪1与数个空隙水压力计18，沿围护桩5外表面或围护桩5桩中与桩轴平行同步设置多个测斜仪1，底部的测斜仪1深入桩尖以下，顶部的测斜仪1与冠梁8上部平齐；沿围护桩5外表面安装多个孔隙水压力计18，在深基坑坡顶6上表面安装数个静力水准仪4，在冠梁8上表面安装多个静力水准仪4；沿围护桩表面安装多个压力盒1；所有工字钢支撑7两端安装轴力计20；现场同步安装声光报警器17；将所有的测斜仪1、所有的空隙水压力计18、所有的压力盒19、所有的静力水准仪4与所有的轴力计20连接到一根连接主线，连接主线与声光报警器17连接；采集深基坑坡顶6和围护桩5的沉降、水平位移、围护桩5周侧土压力、工字钢支撑7轴力以及基坑坡顶、围护桩周土孔隙水压力数据，并将实时监测数据通过自动化数据采集仪2发送至GPRS静态数据采集仪3，再通过GPRS静态数据采集仪3附近的通信发射基站11发至商用卫星10，之后传输到其他通信接收基站16，并进入互联网12传输到远程监测和数据处理主机13，生成数据库文件，深基坑开挖稳定性三维综合数值模型实时调用这些数据； 
（4）计算机建立的深基坑开挖稳定性三维综合数值模型调用上述数据，利用得到的最初数组数据完成自我参数修正并给出各参数模型阈值，之后模型将得到的后续实测系列数据进行综合受力、变形分析，并与模型参数阈值进行比对，通过深基坑三维可视化安全预警平台予以展现并对超警戒参数进行分级安全预警；预警信息通过与远程监测和数据处理主机13连接的短信模块14，以手机短信方式发送至现场施工与地面管理相关人员的手机15，实现深基坑稳定性远程预警；同时，预警信息还通过可视化安全预警平台回传到安装在施工现场作业面的声光报警器17进行声、光报警，实现现场预警，使施工管理相关人员及施工现场的作业人员根据预警信息及时采取相关预防措施，进一步加强施工风险管理。