CN105714842A - 沉井下沉预警方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及土木建筑行业中沉井基础技术领域，公开了一种沉井下沉预警方法和系统，其技术要点是：通过数据采集单元周期性采集沉井测点数据得到随着深度的变化沉井姿态数据、土压力数据等的变化，数据处理单元在沉井下沉前每个周期根据测点数据变化经过人工神经网络和方差分析得到基础数据波动，在沉井下沉中数据处理单元每个周期根据测点数据变化经过人工神经网络和方差分析得到即时数据波动，通过即时数据波动对和基础数据波动比值达到实时预警的目的，数据采集、传输、分析、存档以及低级别预警均为无人值守，系统自动完成，大大节约预报预警工作量，高级别预警通过计算机和人工双重判断，有效提高预警准确度。

Description

沉井下沉预警方法和系统
技术领域
本发明涉及土木建筑行业中沉井基础技术领域，具体的讲是沉井下沉预警方法和系统。
背景技术
随着国民经济建设逐步稳定的发展,基础建设项目日益增多,各类工程建设规模也日益扩大,重大项目包括大跨度结构、地下洞室群、深大基础、高坝、海洋工程等日益增多,它们的共同特点是施工规模大、范围广、周期长、过程复杂。沉井作为一种地基基础施工技术,其特点是刚度大、承载力高、抗渗耐久性好,内部空间可利用,可在很大深度地下工程及复杂地形和地质条件下施工，目前已广泛应用于各领域。
在复杂多变的地层中实施沉井,由于不同土层间承载能力差异较大、摩擦系数多变等特性,极易产生突沉、偏斜、井内涌水、涌土和超沉,沉井下沉的速度和方向极难控制,现有技术没有提供系统的解决此问题的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是针对不同土层间承载能力差异较大、摩擦系数多变等特性,极易产生突沉、偏斜、井内涌水、涌土和超沉,沉井下沉的速度和方向极难控制的问题，提供一种在沉井整个着床、下沉过程中，通过数据传感器采集沉井的受力状态和实时姿态的实测数据，为翻砂、突沉等不利工况提供可靠的预警预报数据监控。
本发明为解决以上问题提供的沉井下沉预警方法，包括以下步骤：
a.沉井下沉前周期性采集测点数据，经过计算得到测点基础数据波动；
b.沉井下沉中周期性采集测点数据，经过计算得到测点即时数据波动；
c.针对测点的即时数据波动和基础数据波动的比值，得到当前周期该测点波动比值；
d.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一水平面相邻测点波动比值超过第三预警区间下限，如果此时相邻测点竖直姿态变化率(竖直姿态变化率为同一个测点连续两个周期波动比值的斜率)超过第一预警区间下限时，执行k，相邻测点竖直姿态变化率未超过第一预警区间下限时，执行j；
e.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内保持大于等于30％的速率增长时，执行k；
f.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第一预警区间下限且低于第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内无法保持大于等于30％的速率增长时，执行j；
g.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时该测点所在区域发生过突沉或翻砂，执行k；
h.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同一水平面相邻测点和同一竖直平面测点波动比值均小于第一预警区间下限且该测点所在区域未发生过突沉或翻砂，执行i；
i.沉井下沉预警系统发出一级预警，沉井下沉预警系统对此次预警进行记录；
j.沉井下沉预警系统发出二级预警，针对二级预警对施工措施进行调整；
k.沉井下沉预警系统发出三级预警，暂停施工并通过沉井下沉预警系统将三级预警数据和结果发送至人工确认。
可选的，人工通过分析沉井下沉预警系统反馈数据决定是否停止施工和作业人员撤离。
进一步的，采集周期为周期为10min。
进一步的，测点数据至少包括土压力数据。
进一步的，第一预警区间为(3,5]即波动比值大于3倍且小于等于5倍，所述第二预警区间为(5,10]即波动比值大于5倍且小于等于10倍，所述第三预警区间为(10,+∞]即波动比值大于10倍。
可选的，一级预警、二级预警和三级预警通过蓝色、黄色和橙色进行区分。
进一步的，测点基础数据波动是通过采集沉井下沉前一段时间内每个周期测点数据，并将当前周期测点数据与之前每个周期测点数据对比和计算得到的。采集每个周期测点数据，将当前周期该测点数据与之前每个周期该测点数据对比和计算，计算时使用人工神经网络(人工神经网络是一种运算模型，由大量的节点之间相互联接构成。每个节点代表一种特定的输出函数，称为激励函数。每两个节点间的连接都代表一个对于通过该连接信号的加权值，称之为权重)t＝f(WA'+b)得到基础数据波动，其中t为神经元输出即基础数据波动，f为非线性隐函数，每个周期该测点数据为一个分量经过权重得到输入向量A，A'为A向量的转置，W为权向量，b为偏置。最后再通过方差分析验证数据波动的准确性，同时通过不断累积的方差分析数值对基础数据波动进行修正。
进一步的，测点即时数据波动是通过采集沉井下沉中每个周期测点数据，并将当前周期测点数据与之前每个周期测点数据对比和计算得到。采集每个周期测点数据，将当前周期该测点数据与之前每个周期该测点数据对比和计算，计算时使用人工神经网络t'＝f'(W'B'+b')得到即时数据波动，其中t'为神经元输出为即时数据波动，f'为非线性隐函数，每个周期该测点数据为一个分量经过权重得到输入向量B，B'为B向量的转置，W'为权向量，b'为偏置。最后再通过方差分析验证数据波动的准确性，同时通过不断累积的方差分析数值对即时数据波动进行修正。
本发明还提供了沉井下沉预警系统，包括数据传感器、数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元和预警单元，其中数据传感器通过导线与数据采集单元连接，沉井中有沉井刃脚踏面，在沉井刃脚踏面上方设有监测断面。其中监测断面上沿沉井外侧壁周边设置数据传感器构成测点，数据采集单元分别与数据传感器和数据处理单元连接，数据传感器采集测点数据，数据采集单元汇总数据传感器采集数据并传递至数据处理单元，数据处理单元对采集数据进行处理并与测点历史周期数据对比得出测点数据波动，当即时数据波动超过预警区间则进行预警。通过分层采集测点数据确认随着深度的变化沉井姿态数据、土压力数据等的变化，同时每个周期根据沉井姿态数据、土压力数据等的变化得到数据波动达到实时预警的目的。
进一步的，数据传感器与数据采集单元连接的导线设于沉井隔墙内。其目的在于避免导线在沉井下沉过程中因外部原因造成损坏。
进一步的，数据传感器包括土压力盒、钢板应变计、钢筋应变计、侧摩阻力计和GPS数据采集装置等。
进一步的，采集周期为周期为10min。
可选的，数据传输单元使用3G或4G或WIFI无线传输。
可选的，数据采集单元设于沉井顶部。
可选的，数据传输单元将数据处理单元处理后的数据发送至终端设备。
本发明的有益效果是，预警所需测点数据波动比值均根据不同的深度数据传感器得到的测点数据进行周期实时统计，适用性广泛；安装完成后，数据采集、传输、分析、存档以及低级别预警均为无人值守，系统自动完成，大大节约预报预警工作量,高级别预警可以通过预警系统和人工确认准确性，有效提高预警精准度。
下面结合附图对本发明进一步说明，以使本领域技术人员能够实现本发明。
附图说明
图1为沉井下沉预警方法流程图；
图2为沉井下沉预警系统结构图；
图3为沉井俯视图；
图4为实施例1实测数据曲线图；
图5为实施例2实测数据曲线图；
图6为实施例3实测数据曲线图；
图中标记：1为土压力盒、2为数据采集单元、3为GPS数据采集装置、4为数据处理单元、5为数据传输单元、6为预警单元、7为终端设备。
具体实施方式
如图1所示，沉井下沉预警方法流程图，首先通过沉井下沉预警系统在沉井下沉前周期性采集测点数据，经过一段时间将当前周期该测点数据与之前每个周期该测点数据对比和计算，计算时使用人工神经网络即t＝f(WA'+b)得到基础数据波动，其中t为神经元输出即基础数据波动，f为非线性隐函数，每个周期该测点数据为一个分量经过权重得到输入向量A，A'为A向量的转置，W为权向量，b为偏置。最后再通过方差分析验证数据波动的准确性，同时通过不断累积的方差分析数值对基础数据波动进行修正。在沉井下沉中周期性采集测点即时数据波动,将当前周期测点数据与之前每个周期测点数据对比和计算得到。采集每个周期测点数据，将当前周期该测点数据与之前每个周期该测点数据对比和计算，计算时使用人工神经网络t'＝f'(W'B'+b')得到即时数据波动，其中t'为神经元输出为即时数据波动，f'为非线性隐函数，每个周期该测点数据为一个分量经过权重得到输入向量B，B'为B向量的转置，W'为权向量，b'为偏置。最后再通过方差分析验证数据波动的准确性，同时通过不断累积的方差分析数值对即时数据波动进行修正。针对测点的即时数据波动和基础数据波动的比值，得到当前周期该测点波动比值即通过波动比值和预警区间的判定来决定发出几级预警，当任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一水平面相邻测点波动比值超过第三预警区间下限，如果此时相邻测点竖直姿态变化率超过第一预警区间下限时，发出三级预警，相邻测点竖直姿态变化率未超过第一预警区间下限时，发出二级预警。任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内保持大于等于30％的速率增长时，发出三级预警。任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第一预警区间下限且低于第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内无法保持大于等于30％的速率增长时，发出二级预警。任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时该测点所在区域发生过突沉或翻砂，发出三级预警。任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同一水平面相邻测点和同一竖直平面测点波动比值均小于第一预警区间下限且该测点所在区域未发生过突沉或翻砂，发出一级预警。沉井下沉预警系统发出一级预警时，沉井下沉预警系统对此次预警进行记录。沉井下沉预警系统发出二级预警，针对二级预警对施工措施进行调整。沉井下沉预警系统发出三级预警，暂停施工并通过沉井下沉预警系统将三级预警数据和结果发送人工确认。
如图2和图3所示，沉井下沉预警系统结构图和沉井俯视图，其中数据传感器包括土压力盒1和GPS数据采集装置3，数据采集单元2设于沉井顶部，土压力盒1采集的数据通过导线传输至数据采集单元2，数据采集单元2通过无线传输将信息传递至数据传输单元5，数据传输单元5再将该信息传递至数据处理单元4，待数据处理单元4处理后传递至预警单元6和终端设备7。沉井刃脚踏面为1号监测断面，刃脚踏面以上1m为2号监测断面，刃脚踏面以上2m为3号监测断面，其余断面根据此规律依次类推设置，每个断面沿沉井外侧壁周边每隔5m至10m设置数据传感器，GPS数据采集装置3设于沉井外侧壁四周。其中数据处理单元4对采集数据进行处理测点数据并与测点历史周期数据对比得出测点数据波动，当数据波动超过预警区间则进行预警，数据处理单元4每隔10min根据数据采集单元2采集的水位变化、施工工艺、施工机械等随着沉井下沉深度变化统计数据波动。
实施例1
如图4所示，本例在2015/8/1812：00至2015/8/2412:00采集到沉井侧向土压力的变化实测数据曲线图，TY7-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为5m的1号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.07，TY5-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的1号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.12，TY5-3表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的3号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.14，TY5-4表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的4号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.11，TY5-3与TY5-4互为相邻土压力盒，沉井入土深度为45m。从2015/8/1812：00开始TY7-1、TY5-1、TY5-3、TY5-4实测数据曲线均有小幅波动，2015/8/2014:00时TY7-1发生明显波动，该测点即时数据波动经人工神经网络计算得0.46，其波动比值大于5倍且小于等于10倍，沉井下沉预警系统使用蓝色发出一级预警并进行记录。从2015/8/2014:00至2015/8/2220:00，TY7-1采集数据频繁发生波动，同一竖直面TY5-1采集数据波动明显该测点即时数据波动经人工神经网络计算得0.54，其波动比值大于3倍且小于等于5倍，沉井下沉预警系统使用黄色发出二级预警。
实施例2
如图5所示，本例在2015/8/2300:00至2015/8/2900:00采集到沉井侧向土压力的变化实测数据曲线图，TY7-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为5m的1号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.06(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的1号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.14(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-3表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的3号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.13(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-4表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的4号土压力盒读数，该测点基础数据波动为0.10(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-3与TY5-4互为相邻土压力盒即为同一水平面相邻测点，沉井入土深度为52m。在黄色二级预警的基础上，TY5-1于2015/8/2503:00时采集数据波动突然增大该测点即时数据波动经人工神经网络计算得1.62，波动比值大于10倍，沉井下沉预警系统使用橙色发出三级预警，沉井于2015/8/2505:00时发生翻砂或者突沉，数据增长的位置由于积攒的能量得到释放，各数据传感器采集数据波动恢复平稳。
实施例3
如图6所示，本例在2015/9/1212:00至2015/9/1812:00采集到沉井侧向土压力的变化实测数据曲线图，TY7-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为5m的1号土压力盒读数该测点基础数据波动为0.06(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-1表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的1号土压力盒读数该测点基础数据波动为0.15(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-3表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的3号土压力盒读数该测点基础数据波动为0.13(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-4表示该监测断面距离刃脚踏面的垂直距离为37m的4号土压力盒读数该测点基础数据波动为0.10(方差分析修正后的基础数据波动)，TY5-3与TY5-4互为相邻土压力盒即为同一水平面相邻测点，沉井入土深度为58m。在黄色预警的基础上，TY7-1于2015/9/1415:00时采集数据波动突然增大该测点即时数据波动经人工神经网络计算得0.69，波动比值大于10倍，沉井下沉预警系统使用橙色发出三级预警，同时TY5-1于2015/9/1615:00时沉井竖直姿态数据变化超过基础数据的3倍，沉井下沉预警系统再次使用橙色发出三级预警。

Claims (10)

1.沉井下沉预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.沉井下沉前周期性采集测点数据，经过计算得到测点基础数据波动；
b.沉井下沉中周期性采集测点数据，经过计算得到测点即时数据波动；
c.针对测点的即时数据波动和基础数据波动的比值，得到当前周期该测点波动比值；
d.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一水平面相邻测点波动比值超过第三预警区间下限，如果此时相邻测点竖直姿态变化率超过第一预警区间下限时，执行k，相邻测点竖直姿态变化率未超过第一预警区间下限时，执行j；
e.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内保持大于等于30％的速率增长时，执行k；
f.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时满足同一竖直平面测点出现波动比值超过第一预警区间下限且低于第三预警区间下限或同一水平面相邻测点波动比值超过第二预警区间下限且该相邻测点和该任一测点波动比值连续5个周期内无法保持大于等于30％的速率增长时，执行j；
g.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同时该测点所在区域发生过突沉或翻砂，执行k；
h.任一测点波动比值超过第二预警区间下限，同一水平面相邻测点和同一竖直平面测点波动比值均小于第一预警区间下限且该测点所在区域未发生过突沉或翻砂，执行i；
i.沉井下沉预警系统发出一级预警；
j.沉井下沉预警系统发出二级预警；
k.沉井下沉预警系统发出三级预警。
2.根据权利要求1所述的沉井下沉预警方法，其特征在于：所述测点数据至少包括土压力数据。
3.根据权利要求1所述的沉井下沉预警方法，其特征在于：所述第一预警区间为(3,5]，所述第二预警区间为(5,10]，所述第三预警区间为(10,+∞]。
4.根据权利要求1所述的沉井下沉预警方法，其特征在于：所述周期为10min。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的沉井下沉预警方法，其特征在于：所述测点基础数据波动是通过采集沉井下沉前一段时间内每个周期测点数据，并将当前周期测点数据与之前每个周期测点数据对比和计算得到的。
6.根据权利要求1～4任意一项所述的沉井下沉预警方法，其特征在于：所述测点即时数据波动是通过采集沉井下沉中每个周期测点数据，并将当前周期测点数据与之前每个周期测点数据对比和计算得到。
7.沉井下沉预警系统，包括数据传感器、数据采集单元(2)、数据传输单元(5)、数据处理单元(4)和预警单元(6)，其中数据传感器通过导线与数据采集单元(2)连接，沉井中有沉井刃脚踏面，在沉井刃脚踏面上方设有监测断面，其特征在于：在所述监测断面上沿沉井外侧壁周边设置数据传感器构成测点，所述数据采集单元(2)分别与数据传感器和数据处理单元(4)连接，所述数据传感器采集测点数据，所述数据采集单元(2)汇总数据传感器采集数据并传递至数据处理单元(4)，所述数据处理单元(4)对采集数据进行处理并与测点历史周期数据对比得出测点数据波动，当即时数据波动超过预警区间则进行预警。
8.根据权利要求7所述的沉井下沉预警系统，其特征在于：所述数据传感器与数据采集单元(2)连接的导线设于沉井隔墙内。
9.根据权利要求7所述的沉井下沉预警系统，其特征在于：所述数据传感器包括土压力盒、钢板应变计、钢筋应变计、侧摩阻力计和GPS数据采集装置。
10.根据权利要求7所述的沉井下沉预警系统，其特征在于：所述周期为10min。
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