基于“BIM+GIS+IoT”信息管理平臺(tái)的鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在地鐵基坑變形控制中的應(yīng)用*

盛燦軍

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司， 200433， 上?！胃呒?jí)工程師)

城市軟土地區(qū)深基坑工程施工中周邊環(huán)境的保護(hù)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制一直是每個(gè)項(xiàng)目的關(guān)注重點(diǎn)[1]。2009年“上海會(huì)德豐國際廣場(chǎng)”深基坑工程首次應(yīng)用鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，通過對(duì)鋼支撐軸力的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、預(yù)警及調(diào)控，有效控制了緊鄰地鐵隧道的變形[2]。自此針對(duì)有特定環(huán)境保護(hù)對(duì)象的深基坑工程，在其支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往在保護(hù)區(qū)段增設(shè)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，以達(dá)到控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、保護(hù)基坑周邊環(huán)境的效果[3]。

然而一般的鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)都只對(duì)其軸力及千斤頂行程進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物位移則依靠其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過跨平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳遞、匯總和分析，采用人工方式上報(bào)日?qǐng)?bào)表來完成。該模式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且對(duì)鋼支撐軸力調(diào)控的及時(shí)性和針對(duì)性還不強(qiáng)，致使部分項(xiàng)目基坑變形控制未達(dá)到預(yù)期效果。本文提出了一種基于“BIM(建筑信息模型)+GIS(地理信息系統(tǒng))+IoT(物聯(lián)網(wǎng))”信息管理平臺(tái)(以下簡為“信息管理平臺(tái)”)的協(xié)同管理模式，并對(duì)其工程應(yīng)用進(jìn)行了介紹，以期為類似工程提供參考。

1 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)管控模式分析

伺服鋼支撐軸力施加可分為初始預(yù)加載及加載過程軸力調(diào)控兩個(gè)階段。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的管控主要指在軸力調(diào)控階段依據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化調(diào)整支撐軸力的過程。

1.1 傳統(tǒng)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的管控模式

傳統(tǒng)的鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)主要以日?qǐng)?bào)表為手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其管理流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)管控流程

由圖1可見，各方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集匯總工作量大、耗時(shí)長，且數(shù)據(jù)分析只包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、支撐軸力及千斤頂行程3個(gè)方面，而忽略了環(huán)境保護(hù)對(duì)象、地下水位等重要監(jiān)測(cè)部分。這樣，勢(shì)必會(huì)在數(shù)據(jù)分析的及時(shí)性、原因研判的準(zhǔn)確性、措施采取的時(shí)效性和針對(duì)性方面存在缺陷。

以某地鐵車站出入口基坑為例，其開挖深度為16.75～18.85 m，基坑北側(cè)為飯店及鍋爐房。基坑第2～4層鋼支撐采用軸力伺服系統(tǒng)，運(yùn)用傳統(tǒng)管理模式。在基坑底板開挖期間鍋爐房發(fā)生局部沉降且產(chǎn)生大量斜裂縫，主要原因是各方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未能有效整合并反映基坑變形，導(dǎo)致加撐不及時(shí)。

該項(xiàng)目典型鋼支撐軸力變化曲線如圖2所示。有圖2可見，2021年11月28日前，鋼支撐軸力隨溫度成周期性規(guī)律變化，11月28日下午鋼支撐軸力出現(xiàn)異常變化并逐漸上升，12月2日該支撐軸力超過上限預(yù)警值(4 600 kN)，且11月30日開始千斤頂行程被明顯壓縮且壓縮量持續(xù)增加。盡管11月30日?qǐng)?bào)表數(shù)據(jù)已顯示鋼支撐軸力變化異常，并提出加撐建議，但在此期間基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)仍顯示為負(fù)位移增長，加之缺乏周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，導(dǎo)致該項(xiàng)目12月4日才采取加撐措施，但此時(shí)距離基坑變形異常已超過6 d，周圍環(huán)境已產(chǎn)生沉降。

圖2 典型伺服鋼支撐軸力隨時(shí)間變化曲線截圖Fig.2 Curve of typical servo steel support axial force changing over time curve

1.2 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理模式

信息管理平臺(tái)是基于智能化建造理念，結(jié)合BIM、GIS及IoT所搭設(shè)的施工信息可視化顯示管理平臺(tái)[4]。其作用主要是解決數(shù)據(jù)孤島效應(yīng)，通過“無人機(jī)+GIS”技術(shù)采集施工區(qū)及周邊地理空間數(shù)據(jù)而形成三維地理模型[5]，并與BIM相結(jié)合形成實(shí)時(shí)場(chǎng)景平臺(tái)，再利用物聯(lián)網(wǎng)將各方監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總標(biāo)記于平臺(tái)之上，以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)可視化監(jiān)控、數(shù)據(jù)信息化傳遞及部門協(xié)同化管理的效果。

鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)搭配信息平臺(tái)的協(xié)同管理模式以監(jiān)測(cè)信息共享分析與智能預(yù)警為核心，并引領(lǐng)多方協(xié)同管理。具體管控流程如圖3所示。

此種包含鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的協(xié)同管理模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由采集設(shè)備自動(dòng)上傳至信息管理平臺(tái)，人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在指定時(shí)間通過云端手動(dòng)上傳，并由信息管理平臺(tái)統(tǒng)一分享管理，確保數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性和有效性。

2) 所有數(shù)據(jù)由信息管理平臺(tái)依據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值進(jìn)行初步分析及預(yù)警，并實(shí)時(shí)推送至各單位進(jìn)行協(xié)同校核。通過可視化界面可甄別現(xiàn)場(chǎng)非施工干擾因素，提升了調(diào)控效率及針對(duì)性，亦能通過各類數(shù)據(jù)的對(duì)比分析檢查數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確度。

圖3 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理流程圖

3) 各方人員可在信息管理平臺(tái)協(xié)同辦公、召開遠(yuǎn)程會(huì)議，提高了信息化管理效能，解決了組織協(xié)調(diào)難的問題。

2 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理模式的應(yīng)用

2.1 工程概況

上海市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線(以下簡為“機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線”)1#風(fēng)井(兼盾構(gòu)始發(fā)井)與滬昆高鐵并行，1#風(fēng)井基坑總長度為156.4 m。為減少基坑變形，整個(gè)基坑分5小段分坑跳挖，最深的5#基坑開挖深度為25.5 m，且距離高鐵路基僅10.6 m，為國內(nèi)鄰近高鐵路基最深基坑。為確保列車運(yùn)行安全，要求高鐵軌道結(jié)構(gòu)變形不能超過2 mm，同時(shí)要求基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移不超過1‰H(H為基坑開挖深度)，比DG/TJ 08-109—2017《城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求提高了30%，因此，1#風(fēng)井5段基坑的鋼支撐全部采用軸力伺服系統(tǒng)。為提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度和應(yīng)急響應(yīng)速度，應(yīng)用了信息管理平臺(tái)協(xié)同管理模式。地鐵基坑周邊環(huán)境如圖4所示。

圖4 機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線1#風(fēng)井基坑與周邊環(huán)境平面圖

2.2 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理實(shí)施流程

信息管理平臺(tái)協(xié)同管理實(shí)施流程主要分為場(chǎng)景可視化平臺(tái)搭建、數(shù)據(jù)信息上傳共享，預(yù)警分析調(diào)控管理3個(gè)步驟。其實(shí)施流程如圖5所示。

注：API為應(yīng)用程序接口。圖5 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理實(shí)施流程圖

2.2.1 場(chǎng)景可視化平臺(tái)搭建

采用無人機(jī)掃描作業(yè)區(qū)及其周邊環(huán)境，合成GIS三維地形圖，并導(dǎo)入基坑BIM模型形成可視化電子沙盤，真實(shí)展現(xiàn)建設(shè)場(chǎng)景和工程建成后樣貌。利用“物聯(lián)網(wǎng)”監(jiān)測(cè)技術(shù)在需重點(diǎn)保護(hù)的滬昆高鐵，以及地鐵基坑內(nèi)、外布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)在可視化沙盤中進(jìn)行標(biāo)注，并設(shè)置相應(yīng)報(bào)警閾值。

2.2.2 信息數(shù)據(jù)上傳共享

信息管理平臺(tái)信息數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)采集形式的不同(自動(dòng)化采集、人工采集)分為API和EXCEL云端上傳兩類。鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)等自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過API自動(dòng)傳輸至信息管理平臺(tái)，人工測(cè)量的基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)則采用手機(jī)或電腦通過網(wǎng)絡(luò)定時(shí)上傳。數(shù)據(jù)上傳后各單位可直接登錄信息管理平臺(tái)在可視化沙盤中進(jìn)行查看。

2.2.3 預(yù)警分析調(diào)控管理

預(yù)警調(diào)控管理流程可分為系統(tǒng)預(yù)警、視頻校核、會(huì)議分析及啟動(dòng)預(yù)案4步，如圖6所示。

第1步：當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，該系統(tǒng)通過微信、APP、短信等自動(dòng)發(fā)送消息提醒相關(guān)人員；同時(shí)可視化沙盤中的標(biāo)注會(huì)自動(dòng)變色或由“笑臉”變成“哭臉”，并提示相關(guān)人員各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(黃色表示中風(fēng)險(xiǎn)，紅色表示高風(fēng)險(xiǎn))。其中，鋼支撐伺服位移報(bào)警閾值包括日變化量異常、累計(jì)值異常兩類。若同一個(gè)數(shù)據(jù)連續(xù)2 d發(fā)出預(yù)警，該系統(tǒng)將自動(dòng)提高預(yù)警級(jí)別及監(jiān)測(cè)頻率。

第2～3步：各方人員收到預(yù)警信息后,點(diǎn)擊電子沙盤中的異常圖標(biāo)，查看報(bào)警地點(diǎn)對(duì)應(yīng)的監(jiān)控視頻及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并遠(yuǎn)程排除明顯非施工原因引起的誤報(bào)干擾。若為施工導(dǎo)致的數(shù)據(jù)異常，各參建單位可召開視頻會(huì)議，實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)、診斷原因及商討對(duì)策。

第4步：根據(jù)基坑變形原因，該系統(tǒng)迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，保護(hù)基坑與周邊環(huán)境。例如，可遠(yuǎn)程控制鋼支撐伺服系統(tǒng)提高或降低基坑變形處的支撐軸力，或采取啟動(dòng)地下水回灌等措施；亦可根據(jù)基坑變形趨勢(shì)，研判是否需要增設(shè)臨時(shí)鋼支撐。

圖6 信息管理平臺(tái)預(yù)警分析調(diào)控管理流程圖

以2021年5月28日圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形為例，該系統(tǒng)于當(dāng)日10:00發(fā)出預(yù)警，顯示5#基坑測(cè)斜點(diǎn)P112為高風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，以及該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的伺服鋼支撐與左、右兩側(cè)測(cè)斜點(diǎn)P111與P113為中風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。項(xiàng)目管理人員立即查看系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)P112測(cè)斜點(diǎn)深層水平位移變化速率超過1 mm/d(向基坑內(nèi)收斂)，其對(duì)應(yīng)鋼支撐ZL42-2軸力上升429 kN；P111與P113同樣向基坑內(nèi)的收斂位移達(dá)0.5 mm左右，基坑外土體位移及對(duì)鐵路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻發(fā)現(xiàn)：位移變化側(cè)基坑邊堆有大量臨時(shí)物料，監(jiān)控人員立即通知現(xiàn)場(chǎng)工人轉(zhuǎn)移物料，并將鋼支撐ZL42-2及其周邊伺服鋼支撐軸力上調(diào)200 kN以平衡土壓力。此次基坑變形調(diào)控從鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)預(yù)警至軸力上調(diào)共耗時(shí)5 min，臨時(shí)物料轉(zhuǎn)移耗時(shí)30 min，及時(shí)有效地控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

2.3 基坑變形控制效果

經(jīng)信息管理平臺(tái)統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)1年內(nèi)處理施工現(xiàn)場(chǎng)14類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)達(dá)4 300多萬條。最深的4#、5#基坑從開挖至結(jié)構(gòu)回筑完成，靠近高鐵側(cè)的基坑測(cè)斜結(jié)果為：4#基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)最大水平位移為21.59 mm，與基坑深度的比值為0.94‰；5#基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)最大水平位移為22.05 mm，與基坑深度的比值為0.86‰，均滿足1‰H的基坑變形設(shè)計(jì)控制值要求。同時(shí)，監(jiān)測(cè)到滬昆高鐵軌枕板累計(jì)位移均未超過2 mm，且施工期間列車運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期效果。4#、5#基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 1#風(fēng)井4#、5#基坑測(cè)斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

1) 信息管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)字化管控。

2) 信息管理平臺(tái)協(xié)同管理模式具有數(shù)據(jù)傳遞及時(shí)有效、分析研判全面準(zhǔn)確、統(tǒng)籌管理方便快捷、調(diào)控措施針對(duì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

3) 采用鋼軸力伺服系統(tǒng)搭配信息管理平臺(tái)協(xié)同管控復(fù)雜條件深基坑工程，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移滿足了極其嚴(yán)格的基坑變形和環(huán)境保護(hù)要求，效果明顯。