CN111877418B - 一种深基坑动态施工实时监测预警系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种深基坑动态施工实时监测预警系统及使用方法，包括前处理端、云端处理平台和后处理端，所述前处理端、云端处理平台及后处理端依次连接，前处理端用于采集基坑动态施工数据，且通过5G传输实现信息交互，云端处理平台整合前处理端传感器模块和立体信息采集模块上传数据，构建DEM综合地形格网，导入地层信息通过内置岩土仿真模块进行基坑开挖，实现边坡、基坑失稳模拟预测，结合BIM基坑三维模型、岩土仿真三维模型、特征点数据生成具有时序的四维实景色差图，最后通过后处理端在手机、电脑端展示，实现施工信息可视化、协同化。

Description

一种深基坑动态施工实时监测预警系统及使用方法

技术领域

本发明属于深基坑施工监测预警系统技术领域，尤其是涉及一种深基坑动态施工实时监测预警系统及使用方法。

背景技术

深基坑开挖方法包括放坡开挖、中心岛式开挖、盆式挖土和逆作法挖土。基坑开挖现场环境通常较为复杂，地质条件、周边环境隐藏着各种风险因素，在施工设计中无法准确预判，随着施工开挖进程而显现。基坑开挖是开挖面和周边土体不断卸载的过程，土具有流变性，当土不断卸载的过程中，这种特性会使得基坑内外土体产生失衡的土压力，最终引起基坑底部隆起或者基坑水平方向的位移。

现有的深基坑监测预警，通过仿真软件判断变形点后，一次安装传感器，在整体深基坑开挖的过程传感器位置不变，由于深基坑开挖作业中，巨量数据信息与不确定因素同样影响着专家的评价，面对如何处理巨量不完备信息而带来的不确定性问题显得尤为重要。

发明内容

本发明提供一种深基坑动态施工实时监测预警系统及使用方法，对基坑开挖过程基坑开挖面和周围土体进行实时监测，配合云端处理平台模拟，对基坑开挖过程进行实时监测预警，保证人民生命财产安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深基坑动态施工实时监测预警系统，包括前处理端、云端处理平台和后处理端，所述前处理端、云端处理平台及后处理端依次连接，前处理端用于采集基坑动态施工数据，且通过5G传输实现信息交互。

所述云端处理平台包括控制器、数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块，所述数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块均与控制器连接。

所述前处理端由立体信息采集模块和基坑特征点处的传感器模块组成；所述立体信息采集模块包括无人机、红外相机及5G数据传输模块，所述红外相机和5G数据传输模块均与无人机上的控制器相连，无人机上的5G数据传输模块与云端处理平台上的云控制器相连；所述基坑特征点包括边坡特征点、围护桩和围护墙特征点、内支撑特征点和深基坑周围地表特征点；所述边坡特征点及深基坑周围地表特征点由云端处理平台内置岩土仿真模块，依据预设基坑开挖方案进行基坑开挖模拟得出的危险失稳区域确定，后续边坡特征点、深基坑周围地表特征点会根据基坑开挖过程数据的变化而增减；所述传感器模块由所述边坡特征点处布设无线应力传感器、无线应变传感器和无线位移传感器、所述围护桩和围护墙布设顶部水平位移传感器和顶部竖向位移传感器、所述内支撑处布设的内力传感器以及深基坑周围地表处设置的竖向位移传感器组成；所述无线应力传感器、无线应变传感器、无线位移传感器、顶部水平位移传感器、顶部竖向位移传感器、内力传感器及竖向位移传感器均与云端处理平台内的控制器连接。

所述的无人机采用预定监测频率，当基坑开挖深度H≤5m时，每天一次；5m<基坑开挖深度H<15m时，每天2次；当基坑开挖深度H≥15m，每天3次；周边雨量达到预定阈值或监测数据变化较大时，每天监测次数增加1-2次。

所述后处理端包括展示模块和云存储模块，所述展示模块输出端与云存储模块相连，展示模块输入端与云端处理平台的控制器相连，云端处理平台的控制器与展示模块通过5G传输进行交互。

一种深基坑动态施工实时监测预警系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，深基坑开挖前，将基坑设计图纸和地层勘察信息录入BIM基坑模块，生成BIM三维基坑模型；

步骤2，将工程地质现场勘察得到的土力学参数、支护结构简化为连续墙、基坑开挖工序输入到岩土仿真模块，进行基坑动态开挖过程模拟，确定危险失稳区域，以此作为传感器模块边坡特征点和深基坑周围地表特征点增设的依据；

步骤3，深基坑开挖后，在已开挖段边坡按着施工图纸布设应力传感器、应变传感器和位移传感器；对边坡危险失稳区分别增设2～5个应力传感器、应变传感器及位移传感器；在围护桩和围护墙上按着施工图纸布置水平位移传感器及竖向位移传感器；在内支撑上按着施工图纸安置支撑内力传感器；深基坑周围地表按着施工图纸布设竖向位移传感器，在深基坑周围地表新的危险失稳区域增设5～10个竖向位移传感器；通过对深基坑特征点的实时监测获得位移变形应力监测数据；

步骤4，根据步骤1生成的BIM三维基坑模型设定无人机起落时间及航线，通过无人机自带的红外相机航拍开挖基坑相片；

步骤5，将步骤4采集的开挖基坑相片传输给云端处理平台，云端处理平台通过立体信息图像处理模块将无人机航拍相片依次经过数据整合、立体建模、纹理映射及主动降噪修复后获得完全清理场地内工程人员、施工器械的实景三维模型，构件精准点云数据模型；

步骤6，利用获取的精准点云数据模型构建狄洛尼三角格网，以此构建DEM综合地形格网，预测开挖土方量；

步骤7，将步骤1的地层勘察信息、步骤3采集位移应力变形数据以及步骤6的DEM综合地形格网导入云端处理平台的岩土仿真模块模拟基坑动态开挖过程，生成岩土仿真动态三维模型，并获得新的危险失稳区域，对新的边坡危险失稳区域分别增设2～5个应力传感器、应变传感器及位移传感器；对深基坑周围地表新的危险失稳区域增设5～10个竖向位移传感器；在旧的边坡危险失稳区域去掉增设的应力传感器、应变传感器及位移传感器，在旧的深基坑周围地表去掉增设的竖向位移传感器；

步骤8，将步骤1的BIM三维基坑模型、步骤3深基坑特征点的实时监测获得位移变形应力监测数据以及步骤7的岩土仿真动态三维模型输入BIM基坑模块整合，生成具有时序的四维实景色差图，通过5G传输至后处理端，通过后处理端的展示模块展示，并通过展示模块传输给云存储模块存储，访问展示模块根据预设数据判定失稳区域，越危险区域模型中相应位置颜色越深；实现工程信息化、可视化、协同化。

步骤6所述的预测开挖土方量根据DEM综合地形格网与BIM基坑三维模型拟合，图形冲撞部分作为待挖土方范围，开挖土方量V为：

其中，i＝1，2，3，...，n；s为格网面积；Δh_i为格网高程；h₁、h₂为格网顶面、底面四角点平均高程；n为格网的总数量。

本发明的有意效果为：

1.本专利改进了以往基坑开挖后监测点位不再变动，监测数据不够精确的缺点，通过预先布设监测特征点位，上传监测数据，根据内置岩土仿真模块动态模拟结果，确定实时危险区域，进而更新基坑特征点位，从而提高监测数据精确度。

2.本专利仿真模拟中引入DEM综合地形格网计算预计挖方量，结合地层勘察信息，模拟基坑动态开挖过程，使得模拟预测结果更加精确。

3.本专利通过5G数据传输连接前处理端、云端处理平台和后处理端，能确保数据的实时性且提高了工作效率。

4.本专利适用于任何基坑开挖工程，适用范围广，操作简单。

附图说明

图1为本发明深基坑动态施工实时监测预警系统结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种深基坑动态施工实时监测预警系统，包括前处理端、云端处理平台和后处理端，所述前处理端、云端处理平台及后处理端依次连接，前处理端用于采集基坑动态施工数据，且通过5G传输实现信息交互。

所述云端处理平台包括控制器、数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块，所述数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块均与控制器连接。

所述前处理端由立体信息采集模块和基坑特征点处的传感器模块组成；所述立体信息采集模块包括大疆MAVIC PRO无人机、红外相机及5G数据传输模块，所述红外相机和5G数据传输模块均与无人机上的控制器相连，无人机上的5G数据传输模块与云端处理平台上的云控制器相连；所述基坑特征点包括边坡特征点、围护桩和围护墙特征点、内支撑特征点和基坑外地表特征点；所述边坡特征点及基坑外地表特征点由云端处理平台内置岩土仿真模块，依据预设基坑开挖方案进行基坑开挖模拟得出的危险失稳区域确定，后续边坡特征点、基坑外地表特征点会根据基坑开挖过程数据的变化而增减；所述传感器模块由所述边坡特征点处布设无线应力传感器、无线应变传感器和无线位移传感器、所述围护桩和围护墙布设顶部水平位移传感器和顶部竖向位移传感器、所述内支撑处布设的内力传感器以及深基坑周围地表处设置的竖向位移传感器组成；所述无线应力传感器、无线应变传感器、无线位移传感器、顶部水平位移传感器、顶部竖向位移传感器、内力传感器及竖向位移传感器均与云端处理平台内的控制器连接。

所述的无人机采用预定监测频率，当基坑开挖深度H≤5m时，每天一次；5m<基坑开挖深度H<15m时，每天2次；当基坑开挖深度H≥15m，每天3次；周边雨量达到预定阈值或监测数据变化较大时，每天监测次数增加1-2次。

所述后处理端包括展示模块和云存储模块，所述展示模块输出端与云存储模块相连，展示模块输入端与云端处理平台的控制器相连，云端处理平台的控制器与展示模块通过5G传输进行交互。

所述控制器型号为LG K200S、数据库模块型号为MCS51、岩土仿真模块采用MidasGTX/NX软件、BIM基坑模块为BIM软件、立体信息图像处理模块由Pix4Dmapper无人机图像处理软件及Geomagic三维模型修复软件组成、5G数据传输模块型号为SIM8200G、展示模块为计算机或手机、云存储模块为360云盘。

一种深基坑动态施工实时监测预警系统的使用方法，包括如下步骤：

步骤1，深基坑开挖前，将基坑设计图纸和地层勘察信息录入BIM基坑模块，生成BIM三维基坑模型，所述的地层勘察信息为地层名称、层底深度、地层厚度及地层天然重度；

步骤2，将工程地质现场勘察得到的土力学参数、以及将支护结构简化成连续墙输入到岩土仿真模块，对基坑动态开挖过程模拟，确定危险失稳区域，以此作为传感器模块的边坡特征点和深基坑周围地表特征点增设依据，而围护桩和围护墙上布置水平位移传感器和竖向位移传感器以及内支撑上安置支撑内力传感器的数量不变；所述土力学参数为天然重度、黏聚力、内摩擦角、三轴试验参数、压缩模量、静止侧压力系数、基床系数、渗透系数及承载力特征值；

步骤3，深基坑开挖后，在已开挖段边坡按着施工图纸布设应力传感器、应变传感器和位移传感器；对边坡危险失稳区分别增设3个应力传感器、应变传感器及位移传感器；在围护桩和围护墙上按着施工图纸布置水平位移传感器及竖向位移传感器；在内支撑上按着施工图纸安置支撑内力传感器；深基坑周围地表按着施工图纸布设竖向位移传感器，且相邻竖向位移传感器间距为15m，在地表危险失稳区域增设7个竖向位移传感器；通过对深基坑特征点的实时监测获得位移变形应力监测数据；

步骤4，根据步骤1生成的BIM基坑三维模型设定无人机起落时间及航线，通过无人机自带的红外相机航拍开挖基坑相片；

步骤5，将步骤4采集的开挖基坑相片传输给云端处理平台，云端处理平台通过立体信息图像处理模块将无人机航拍相片依次经过数据整合、立体建模、纹理映射及主动降噪修复后获得完全清理场地内工程人员、施工器械的实景三维模型，构件精准点云数据模型；

步骤6，利用获取的精准点云数据模型构建狄洛尼三角格网，以此构建DEM综合地形格网，预测开挖土方量，具体为：根据DEM综合地形格网与BIM基坑三维模型拟合，图形冲撞部分作为待挖土方范围，开挖土方量V为:

式中：i＝1，2，3，...，n；S为格网面积；Δh_i为格网高程；h₁、h₂为格网顶面、底面四角点平均高程；n为格网的总数量；

步骤7，将步骤1的地层勘察信息、步骤3采集位移应力变形数据以及步骤6的DEM综合地形格网导入云端处理平台的岩土仿真模块模拟基坑动态开挖过程，生成岩土仿真动态三维模型，并获得新的危险失稳区域，对新的边坡危险失稳区域分别增设3个应力传感器、应变传感器及位移传感器；对深基坑周围地表新的危险失稳区域增设7个竖向位移传感器；在旧的边坡危险失稳区域去掉增设的应力传感器、应变传感器及位移传感器，在旧的深基坑周围地表去掉增设的竖向位移传感器；

步骤8，将步骤1的BIM基坑三维模型、步骤3深基坑特征点的实时监测获得位移变形监测数据及步骤7的岩土仿真动态三维模型输入到BIM基坑模块整合，生成具有时序的四维实景色差图，通过5G传输至后处理端，通过后处理端的展示模块展示，并通过展示模块传输给云存储模块存储，访问展示模块根据预设数据判定失稳区域，越危险区域模型中相应位置颜色越深；实现工程信息化、可视化、协同化。

所述云端处理平台内置岩土仿真模块采用Midas GTX/NX软件，模型中土体和支护结构材料设定为各向同性材料，土体本构模型采用修正Mohr-Coulomb模型，剪切方向与压缩方向采用双硬化模型，输入参数包括泊松比μ、粘聚力c、内摩擦角

三轴试验割线刚度

主压密试验切线刚度

及卸载加载刚度

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种深基坑动态施工实时监测预警系统，其特征在于，包括前处理端、云端处理平台和后处理端，所述前处理端、云端处理平台及后处理端依次连接，前处理端用于采集基坑动态施工数据，且通过5G传输实现信息交互；

所述前处理端由立体信息采集模块和基坑特征点处的传感器模块组成；所述立体信息采集模块包括无人机、红外相机及5G数据传输模块，所述红外相机和5G数据传输模块均与无人机上的控制器相连，无人机上的5G数据传输模块与云端处理平台上的云控制器相连；所述基坑特征点包括边坡特征点、围护桩和围护墙特征点、内支撑特征点和深基坑周围地表特征点；所述边坡特征点及深基坑周围地表特征点由云端处理平台内置岩土仿真模块，依据预设基坑开挖方案进行基坑开挖模拟得出的危险失稳区域确定，后续边坡特征点、深基坑周围地表特征点会根据基坑开挖过程数据的变化而增减；所述传感器模块由所述边坡特征点处布设无线应力传感器、无线应变传感器和无线位移传感器、所述围护桩和围护墙布设顶部水平位移传感器和顶部竖向位移传感器、所述内支撑处布设的内力传感器以及深基坑周围地表处设置的竖向位移传感器组成；所述无线应力传感器、无线应变传感器、无线位移传感器、顶部水平位移传感器、顶部竖向位移传感器、内力传感器及竖向位移传感器均与云端处理平台内的控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种深基坑动态施工实时监测预警系统，其特征在于：所述云端处理平台包括控制器、数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块，所述数据库模块、岩土仿真模块、BIM基坑模块及立体信息图像处理模块均与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种深基坑动态施工实时监测预警系统，其特征在于：所述的无人机采用预定监测频率，当基坑开挖深度H≤5m时，每天一次；5m<基坑开挖深度H<15m时，每天2次；当基坑开挖深度H≥15m，每天3次；周边雨量达到预定阈值或监测数据变化较大时，每天监测次数增加1-2次。

4.根据权利要求1所述的一种深基坑动态施工实时监测预警系统，其特征在于：所述后处理端包括展示模块和云存储模块，所述展示模块输出端与云存储模块相连，展示模块输入端与云端处理平台的控制器相连，云端处理平台的控制器与展示模块通过5G传输进行交互。

5.根据权利要求1所述的一种深基坑动态施工实时监测预警系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，深基坑开挖前，将基坑设计图纸和地层勘察信息录入BIM基坑模块，生成BIM三维基坑模型；

步骤2，将工程地质现场勘察得到的土力学参数、支护结构简化为连续墙、基坑开挖工序输入到岩土仿真模块，进行基坑动态开挖过程模拟，确定危险失稳区域，以此作为传感器模块边坡特征点和深基坑周围地表特征点增设的依据；

步骤3，深基坑开挖后，在已开挖段边坡按着施工图纸布设应力传感器、应变传感器和位移传感器；对边坡危险失稳区分别增设2～5个应力传感器、应变传感器及位移传感器；在围护桩和围护墙上按着施工图纸布置水平位移传感器及竖向位移传感器；在内支撑上按着施工图纸安置支撑内力传感器；深基坑周围地表按着施工图纸布设竖向位移传感器，在深基坑周围地表新的危险失稳区域增设5～10个竖向位移传感器；通过对深基坑特征点的实时监测获得位移变形应力监测数据；

步骤4，根据步骤1生成的BIM三维基坑模型设定无人机起落时间及航线，通过无人机自带的红外相机航拍开挖基坑相片；

步骤5，将步骤4采集的开挖基坑相片传输给云端处理平台，云端处理平台通过立体信息图像处理模块将无人机航拍相片依次经过数据整合、立体建模、纹理映射及主动降噪修复后获得完全清理场地内工程人员、施工器械的实景三维模型，构件精准点云数据模型；

步骤6，利用获取的精准点云数据模型构建狄洛尼三角格网，以此构建DEM综合地形格网，预测开挖土方量；所述的预测开挖土方量根据DEM综合地形格网与BIM基坑三维模型拟合，图形冲撞部分作为待挖土方范围，开挖土方量V为：

其中，i＝1，2，3，...，n；s为格网面积；Δh_i为格网高程；h₁、h₂为格网顶面、底面四角点平均高程；n为格网的总数量；

步骤7，将步骤1的地层勘察信息、步骤3采集位移应力变形数据以及步骤6的DEM综合地形格网导入云端处理平台的岩土仿真模块模拟基坑动态开挖过程，生成岩土仿真动态三维模型，并获得新的危险失稳区域，对新的边坡危险失稳区域分别增设2～5个应力传感器、应变传感器及位移传感器；对深基坑周围地表新的危险失稳区域增设5～10个竖向位移传感器；在旧的边坡危险失稳区域去掉增设的应力传感器、应变传感器及位移传感器，在旧的深基坑周围地表去掉增设的竖向位移传感器；

步骤8，将步骤1的BIM三维基坑模型、步骤3深基坑特征点的实时监测获得位移变形应力监测数据以及步骤7的岩土仿真动态三维模型输入BIM基坑模块整合，生成具有时序的四维实景色差图，通过5G传输至后处理端，通过后处理端的展示模块展示，并通过展示模块传输给云存储模块存储，访问展示模块根据预设数据判定失稳区域，越危险区域模型中相应位置颜色越深；实现工程信息化、可视化、协同化。

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