CN107121954A - 土木工程基坑施工监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土木工程基坑施工监测系统及监测方法，该监测系统包括人机操作模块、数据采集模块、视频数据采集模块、中央处理器、预测分析模块、专家评估模块、物理模型构建模块、虚拟作动器、虚拟传感器、仿真分析模块和报警模块。本系统安全实用，方法便捷，实时有效，避免了基坑施工监测中的安全问题，并且该系统可用于各种施工坏境现场，消除施工过程中的安全信息隐患，有效的检测和管理施工现场，维护施工现场的检测系统的正常运作。

Description

土木工程基坑施工监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及建筑基坑监测系统，具体涉及一种土木工程基坑施工监测系统及监测方法。

背景技术

随着城市建设的快速房展，地铁、超高层建筑和高铁工程车站等深基坑施工项目越来越多。深基坑在开挖过程中，会引起支护结构内力和位移以及深基坑内外土体的变形，这不仅危及深基坑本身，而且还会危及周边建筑物，容易引发重大事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡，因此开发深基坑变形稳定性的监控预警系统具有十分重要的意义。

同时，现有的基坑施工监测数据均通过有线网或者GPRS、3G等无线方式传输，大大提高了整个系统架设所需要的成本和时间，同时一旦数据较差便会造成数据传输的失败，使得监控缺乏连续性，从而使得整个监测过程的精确度大大降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种建土木工程基坑施工监测系统及监测方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

土木工程基坑施工监测系统，包括：

人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；

数据采集模块，用于基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；

视频数据采集模块，用于通过架设在基坑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，将采集到的图像数据发送到中央处理器；

中央处理器，用于接收数据采集模块、视频数据采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；

预测分析模块，用于根据接收到的数据采集模块以及变形监测图像进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；

专家评估模块，用于储存各类典型的基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器发送的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；

物理模型构建模块，用于采用FLAC3D技术根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种物理模型；

虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使物理模型运动；还用于根据接收的控制命令进行物理模型的分解、切割、放大和缩小；

虚拟传感器，为在物理模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；

仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数、算法，并将输入参数、算法划分为单元、特性和载荷，分别作用到指定的物理模型元素上；

在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析模块，将结果反馈给给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；

报警模块，通过VTK技术与中央处理器建立数据交换关系的深基坑工作人员手机以及深基坑现场安置的声光报警器。

其中，所述预测分析模块包括：

图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；

对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。

其中，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开变形监测点推进的变化规律。

其中，还包括一显示屏，用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图。

其中，围护桩水平位移数据采用测斜仪进行实时监测采集，深基坑周围地表沉降、围护桩顶部沉降数据采用静力水准仪进行实时监测采集，深基坑地下水位数据采用孔隙水压力计进行实时监测采集，围护桩受力采用压力传感器进行实时监测采集，基坑土壤内压力数据采用土压力盒采集。

其中，所述的压力传感器在围护桩与深基坑地下岩土相贴合接触的侧壁上呈层状设置，压力传感器上、下层之间间距为40～50cm；测斜仪在围护桩的内侧壁上呈层状设置，测斜仪上下层之间间距为70～80cm；静力水准仪沿围护桩的上端面和深基坑口部的周向均匀设置；土压力盒错开埋设在基坑土壤内。

其中，还包括一供电装置，供电装置为太阳能发电机、风力发电机中的一种或两种。

本发明还提供了一种土木工程基坑施工监测方法，包括如下步骤：

S1、完成数据采集模块的埋设以及视频采集模块的架设，并在每个数据采集模块内安装北斗模块，并使得北斗模块以及视频采集模块与中央处理器建立通讯连接；

S2、通过数据采集模块进行基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；通过视频采集模块进行；

S3、中央处理器接收数据采集模块以及视频数据采集模块所采集到的数据，现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；

S4、通过预测分析模块、专家评估模块完成数据的评估，并将评估结果发送到中央处理器、显示屏、监控终端和对应的数据库，中央处理器根据评估结果进行报警模块的启闭；

S5、通过物理模型构建模块进行基坑物理模型的构建，并在物理模型中进行虚拟作动器和虚拟传感器以及仿真分析模块的设计，从而实现基坑数据的仿真分析。

本发明具有以下有益效果：

通过北斗短报文通讯技术进行数据的传输，能全方位的对基坑施工情况进行实时的检测，通过系统自带的数据分析模块实现了基坑情况的评估；通过物理模型的构建，对基坑施工的后续情况进行了预测和仿真分析，可以及时发现基坑施工过程中产生的问题，也可以将各种基坑施工方案转换成参数后作用于所建立的基坑施工物理模型，实现了基坑施工方案的合理选择；通过物理模型的构建，实现了基坑三维可视化安全预警展现，并对超警戒参数进行分级安全预警；所有预警信息发送至相关人员的手机，同时，预警信息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，从而实现对深基坑的实时监测预警，本系统安全实用，方法便捷，实时有效，避免了基坑施工监测中的安全问题，并且该系统可用于各种施工坏境现场，消除施工过程中的安全信息隐患，有效的检测和管理施工现场，维护施工现场的检测系统的正常运作。

附图说明

图1为本发明实施例土木工程基坑施工监测系统的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种土木工程基坑施工监测系统，包括

人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；所述人机操作模块包括图片输入模块、语音输入模块和文字输入模块；所述语音输入模块采用麦克风，文字输入模块采用手写板和键盘，所述图片输入模块采用扫描仪、摄像头或USB接口导入。

数据采集模块，用于基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；所述围护桩水平位移数据采用测斜仪进行实时监测采集，深基坑周围地表沉降、围护桩顶部沉降数据采用静力水准仪进行实时监测采集，深基坑地下水位数据采用孔隙水压力计进行实时监测采集，围护桩受力采用压力传感器进行实时监测采集，基坑土壤内压力数据采用土压力盒采集；所述的压力传感器在围护桩与深基坑地下岩土相贴合接触的侧壁上呈层状设置，压力传感器上、下层之间间距为40～50cm；测斜仪在围护桩的内侧壁上呈层状设置，测斜仪上下层之间间距为70～80cm；静力水准仪沿围护桩的上端面和深基坑口部的周向均匀设置；土压力盒错开埋设在基坑土壤内。

视频数据采集模块，用于通过架设在基坑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，将采集到的图像数据发送到中央处理器；

中央处理器，用于接收数据采集模块、视频数据采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；

预测分析模块，用于根据接收到的数据采集模块以及变形监测图像进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；具体的，所述预测分析模块包括：

图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；

对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开变形监测点推进的变化规律。

专家评估模块，用于储存各类典型的基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器发送的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；

物理模型构建模块，用于采用FLAC3D技术根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种物理模型；

虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使物理模型运动；还用于根据接收的控制命令进行物理模型的分解、切割、放大和缩小；

虚拟传感器，为在物理模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；

仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数、算法，并将输入参数、算法划分为单元、特性和载荷，分别作用到指定的物理模型元素上；

在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析模块，将结果反馈给给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；

报警模块，通过VTK技术与中央处理器建立数据交换关系的深基坑工作人员手机以及深基坑现场安置的声光报警器。

显示屏，用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图。

供电装置，供电装置为太阳能发电机、风力发电机中的一种或两种。

本发明实施例还提供了一种土木工程基坑施工监测方法，包括如下步骤：

S1、完成数据采集模块的埋设以及视频采集模块的架设，并在每个数据采集模块内安装北斗模块，并使得北斗模块以及视频采集模块与中央处理器建立通讯连接；

S2、通过数据采集模块进行基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；通过视频采集模块进行；

S3、中央处理器接收数据采集模块以及视频数据采集模块所采集到的数据，现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；

S4、通过预测分析模块、专家评估模块完成数据的评估，并将评估结果发送到中央处理器、显示屏、监控终端和对应的数据库，中央处理器根据评估结果进行报警模块的启闭；

S5、通过物理模型构建模块进行基坑物理模型的构建，并在物理模型中进行虚拟作动器和虚拟传感器以及仿真分析模块的设计，从而实现基坑数据的仿真分析。

所述设计变量、设计目标以及设计约束与仿真分析模块中相关元素有着直接或间接的对应关系，从而可以建立起元素间的对应关系，从而打破两模块间的隔阂，并可以驱动起仿真分析模块，并从中直接得到想要的数据，从而大大的提升效率和数据质量。所述仿真分析模块内设有Element：广义单元为仿真分析的真实对象；Property：特性为一些分析对象上静态的共用属性信息；Load：载荷为加载在这些分析载荷上外部影响因素或条件；Analysis：分析为各类具体的仿真分析方法和评估方法；Result：计算得到的数据以及基于数据处理的表格、云图、报告；Variable：设计变量是模型中可变量的标识；Target：设计目标是最终用于衡量模型的好坏或合理性的指标或指标的处理结果；Constraint：设计约束是系统在考虑优化时需要遵守的规则；OptAlgorithm：优化设计方法是各类进行优化设计的具体算法；OptResult：优化结果通过优化计算得到的设计变量的最优取值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，包括：

人机操作模块，用于用户登录，还用于输入各种控制命令和待储存数据；

数据采集模块，用于基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；

视频数据采集模块，用于通过架设在基坑实时变形监测点周围的数字摄影机进行高分辨率现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，将采集到的图像数据发送到中央处理器；

中央处理器，用于接收数据采集模块、视频数据采集模块发送的数据，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；用于根据人机操作模块输入的数据在数据库内调用相应的数据发送到显示屏进行显示；用于接收人机操作模块输入的控制命令，并按照预设的算法将其发送到指定的模块；

预测分析模块，用于根据接收到的数据采集模块以及变形监测图像进行建筑变形情况的评估预测分析，并将得到的结果预测发送到显示屏以及指定的移动终端，发送到指定的数据库进行储存；

专家评估模块，用于储存各类典型的基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据及其所可能带来的建筑安全隐患模型，用于将接收到的中央处理器发送的数据进行类似度对比，并将比对结果按照相似度进行升序或降序排序后，发送给显示屏；

物理模型构建模块，用于采用FLAC3D技术根据中央处理器所发送的数据和控制命令生成各种物理模型；

虚拟作动器，用于驱动参数变化的，与物理模型构建模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；并用于改变转移节点的位置、方向设置，使物理模型运动；还用于根据接收的控制命令进行物理模型的分解、切割、放大和缩小；

虚拟传感器，为在物理模型中插入的能直接获取相应的结果或信息的目标的逻辑单元；

仿真分析模块，用于输入可以分解为设计变量、设计目标和设计约束的参数、算法，并将输入参数、算法划分为单元、特性和载荷，分别作用到指定的物理模型元素上；

在仿真模拟的过程中，虚拟作动器通过循环执行仿真分析模块，将结果反馈给给虚拟传感器，所述虚拟传感器接收结果并自动显示数据；

报警模块，通过VTK技术与中央处理器建立数据交换关系的深基坑工作人员手机以及深基坑现场安置的声光报警器。

2.根据权利要求1所述的土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，所述预测分析模块包括：

图形绘制模块，用于绘制并监测根据所述监测数据得出的各种曲线图；

对比分析模块，将绘制曲线与原实测曲线进行对比分析和预测，输出分析预测结果。

3.根据权利要求2所述的土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，所述图形绘制模块根据输入的监测数据，生成随时间、空间变化的时空效应曲线即时态曲线和空间效应曲线，所述时态曲线显示了各监测点的原始数据或变形数据随时间的变化情况，所述空间效应曲线突出了同一时间不同测点的监测结果随开变形监测点推进的变化规律。

4.根据权利要求1所述的土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，还包括一显示屏，用于进行监测视频、监测图片以及监测数据的播放，内设转换模块，可以根据需要将监测视频或监测数据转换成文字播放；还用于显示人机操作模块输入的各种数据以及整个监测过程中需要显示的数据，并基于检测到的数据输出表征建筑变形情况的二维结果图、三维结果图。

5.根据权利要求1所述的土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，围护桩水平位移数据采用测斜仪进行实时监测采集，深基坑周围地表沉降、围护桩顶部沉降数据采用静力水准仪进行实时监测采集，深基坑地下水位数据采用孔隙水压力计进行实时监测采集，围护桩受力采用压力传感器进行实时监测采集，基坑土壤内压力数据采用土压力盒采集。

6.根据权利要求5所述的土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，所述的压力传感器在围护桩与深基坑地下岩土相贴合接触的侧壁上呈层状设置，压力传感器上、下层之间间距为40～50cm；测斜仪在围护桩的内侧壁上呈层状设置，测斜仪上下层之间间距为70～80cm；静力水准仪沿围护桩的上端面和深基坑口部的周向均匀设置；土压力盒错开埋设在基坑土壤内。

7.根据权利要求1所述的一种土木工程基坑施工监测系统，其特征在于，还包括一供电装置，供电装置为太阳能发电机、风力发电机中的一种或两种。

8.一种土木工程基坑施工监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、完成数据采集模块的埋设以及视频采集模块的架设，并在每个数据采集模块内安装北斗模块，并使得北斗模块以及视频采集模块与中央处理器建立通讯连接；

S2、通过数据采集模块进行基坑围护桩水平位移数据、围护桩顶部沉降数据、基坑地下水位数据、基坑周围地表沉降数据和基坑地下岩土物性数据、围护桩受力数据、基坑坑底回弹数据以及基坑土壤内压力数据的采集，并将采集到的数据通过北斗模块发送到中央处理器；通过视频采集模块进行

S3、中央处理器接收数据采集模块以及视频数据采集模块所采集到的数据，现场变形图像数据以及基坑环境图像数据的采集，并将这些数据用其对应的北斗信息进行标记后发送到数据库进行储存，将完成标记的数据发送到预测分析模块和专家评估模块；还用于将将完成标记的数据转换成物理模型构建模块所能识别的数据格式发送到物理模型构建模块；

S4、通过预测分析模块、专家评估模块完成数据的评估，并将评估结果发送到中央处理器、显示屏、监控终端和对应的数据库，中央处理器根据评估结果进行报警模块的启闭；

S5、通过物理模型构建模块进行基坑物理模型的构建，并在物理模型中进行虚拟作动器和虚拟传感器以及仿真分析模块的设计，从而实现基坑数据的仿真分析。