一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统及方法与流程

1.本发明涉及基坑工程技术领域，具体涉及一种生产环境下炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能检测系统及监测方法。


背景技术：

2.随着我国经济的发展，传统钢铁产业迎来了技术转型升级发展的关键时期，炼钢技改工程为增加产量及提升环保要求，必不可少的需要在炼钢车间内进行深基坑工程。炼钢工程封闭厂房内的深基坑施工受空间影响极大，对于已建厂房的深基坑，如果支护不到位，很容易使厂房柱基础偏移，严重时会导致厂房坍塌。同时由于地下土体性质、荷载条件、施工环境的复杂性，单纯根据地质勘察资料和室内土工试验参数确定的设计和施工方案，往往含有许多不确定因素，对在施工过程中引发的土体性状、环境、临近建筑物的监测已成了工程建设必不可少的重要环节。
3.目前，现有技术中通常采用极限平衡法、有限元分析法和基坑监测预警方法对基坑工程的稳定性进行分析与评价。其中，由于极限平衡法只引入静力平衡条件和材料剪切破坏的“摩尔
‑
库仑”准则，回避了变形协调关系以及相应的本构关系，而且所建立的模型和参数是无时间因素的静态评价模型，所以该类方法建模的局限给基坑边坡的准确动态监测预警与评价常常会带来极大的困难；有限元分析法在基坑工程中的应用大多是基于连续介质理论基础上解决小变形问题的数值模拟，对于大变形及离散介质的模拟具有一定的局限性，使得结果不能更真实的反映实际情况，而造成预测结果的不准确性；对于基坑监测预警方法，建筑基坑工程监测技术规范中规定基坑工程监测报警值应由监测项目的累计位移量和位移变化速率值共同控制。但由于现场环境变化快，施工干扰多，会导致传感器的报警值不符合现场实际情况，误报警或超限无报警的情况时有发生，从而影响监测结果的准确性。
4.如，中国专利申请号为201811295561.3的申请案公开了一种地铁车站基坑的实时监测预警系统及其监测预警方法，该申请案的监测预警系统包括设置在基坑中的现场传感器，所述现场传感器将采集到的基坑数据传输到前端数据采集模块、前端数据处理传输模块，所述前端数据处理传输模块将数据传输到数据处理中心、基坑监测预警管理平台，基坑监测预警管理平台与基坑bim模型相连实现测量数据在模型中的对应映射；其监测预警方法，包括以下步骤：构建基坑开挖时变bim模型、建立控制网、进行信息交互，实现bim模型4d的实时可视化监测、基坑监测预警管理平台根据实测数据进行计算分析、进行施工过程模拟或预测分析。采用该申请案的监测系统和监测方法可以对基坑安全进行实时监测，但其监测结果仍不可避免地会收到环境扰动的影响，因此监测结果的准确性有待进一步提高。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.本发明的目的在于克服现有基坑监测方法存在的监测结果易受环境扰动等因素的影响，从而导致监测结果不准，已出现误判的不足，提供了一种炼钢车间内基坑与构筑物
一体化智能监测系统及方法。采用本发明的技术方案可以有效适应于生产环境下炼钢车间内基坑监测，通过bim模块和数据处理模块可在计算机终端对基坑进行数字化操作，直观反映基坑各项检测数据情况(位移、受力)以及基坑坡顶塌陷，基坑内倾覆危险区域范围，且其监测精度较高。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统，包括数据采集模块、bim模块、数据传输模块、数据处理模块和预警模块，其中数据采集模块用于对基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位、支护结构应力(锚杆应力)和周围建筑/构物(炼钢车间的龙骨及钢支架)进行监测和采集；
10.bim模块用于根据采集的现场数据对基坑监测点和周边建筑物(即炼钢车间)进行建模，基坑监测点建模包括基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位、支护结构(锚杆应力)四项参数，通过软件反映各个监测项的布点位置以及影响范围(半径)。周边建(构)筑物(即炼钢车间)建模包括炼钢车间的龙骨及钢支架(撑)的位移和沉降参数，通过软件反映炼钢车间形变情况。
11.数据传输模块用于将采集到的现场数据传输给数据处理模块进行处理，形成监测报表，并将各项监测数值传输至bim模块以实时更新bim模型，可通过5g网络或者蓝牙进行数据交互传递。
12.预警模块用于根据数据处理模块的处理数据结果和bim模块的建模图像向施工作业人员发出预警信号。bim模块将实时建模数据反馈至预警模块，bim模块根据最新写入的参数进行建模，并通过微机端显示建模图像，并标明危险区域范围，现场led显示屏显示变化较大(超限)点位，现场安全员根据屏幕信息合理安排施工作业。当基坑监测数值变化量剧增时，预警模块可通过现场蜂鸣器实时疏散危险区域施工作业人员。
13.更进一步的，所述的数据采集模块包括全站仪、液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪，其中全站仪通过观察各监测点处的l型棱镜对基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移以及进行监测，液压水位计埋入水位管并没入水面固定，轴力计用于对支护结构的锚杆应力进行监测，压差式静力水准仪安装于炼钢车间的龙骨、钢支架以及主要立柱上，用于对其高程进行监测。
14.更进一步的，所述基坑坡顶水平位移和基坑坡顶垂直位移的监测周期为半小时，地下水位、支护结构应力和周围建筑物的监测周期为30秒；所述全站仪安装于车间内视线通视区域，且在距离全站仪70米以上，架设三个后视点。
15.更进一步的，bim模块根据基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位和支护结构应力的形变量对基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域范围进行模拟，基坑内倾覆范围计算公式为：
[0016][0017]
式中：r1为基坑内倾覆范围半径，
△
a
n
为第n期基坑坡顶水平位移本次变化量，
△
b
n
为第n期基坑坡顶垂直位移本次变化量，c
i
为第i期支护结构的测量值，d
i
为第i期地下水位
测量值，k为改正系数，取值范围为0.4
‑
1.2，σ为土体参数，取值范围为3.36
‑
5.25，h为基坑深度，l为基坑内部倾覆范围对应测点的相邻两测点之间的距离；
[0018]
基坑坡顶的塌陷范围计算公式为：
[0019][0020]
式中：r2为基坑坡顶的塌陷范围半径，m为塌陷区补偿系数，取值范围为0.7
‑
1.3。
[0021]
本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测方法，采用所述智能监测系统，其监测过程包括以下步骤：
[0022]
步骤一、数据采集
[0023]
对基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、车间主要立柱和主梁的初始平面坐标数据和初始高程、地下水位以及基坑支护的锚杆轴力值分别进行测量采集；
[0024]
步骤二、数据传输与建模
[0025]
将采集的数据参数以及现场车间位置参数导入bim模块，通过revit软件生成基坑模型；
[0026]
步骤三、实时监测
[0027]
每半小时测量采集一次基坑坡顶水平位移和基坑坡顶垂直位移，每30秒测量采集一次地下水位、基坑支护的锚杆轴力值以及车间主要立柱和主梁的高程值，测量的数据通过数据传输模块传送至数据处理模块进行处理；
[0028]
步骤四、bim模型更新
[0029]
根据后期采集的数据对模型进行及时更新，同时，bim模块根据基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位及支护结构应力的形变量模拟基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域范围；
[0030]
步骤五、施工预警
[0031]
数据处理模块将每期监测数据传至预警模块，bim模块将基坑最新模型以及基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域模拟范围传至预警模块，预警模块对监测数据以及bim模块的模拟、计算结果进行实时现场显示，并根据情况发出预警信号。
[0032]
更进一步的，步骤三中当测量数据累积变化量和当次变化值未超过规范值时，记录本期测量值并进行存储；当数据超出规范值时，则对测量数据进行复查测量。
[0033]
更进一步的，基坑坡顶水平位移和基坑坡顶垂直位移复查测量的具体方法为，进行第一次测量时：
[0034]
(1)若则数据正常
[0035]
(2)若则全站仪再次进行两次重复测量，
[0036]
情况1、若且则
[0037]
情况2、若且则
[0038]
情况3、若或者中有且仅有一项大于2，则进行第四次测量，
[0039][0040]
其中，a
i
是第i期成果数据，是第i期第n次观测数据，单位：毫米；
[0041]
若|a
i+1
‑
a
i
|<2，则不做处理；
[0042]
若|a
i+1
‑
a
i
|≥2，则数据处理模块传输信息至bim模块和预警模块。
[0043]
更进一步的，周边建筑物，即炼钢车间参数的复查测量方法为：当车间主要立柱、龙骨的高程测量变化值大于2毫米、或者地下水位变化量大于20cm、或者支护结构应力衰减过大(累计应力衰减至设计值的80％或者单次应力变化量变化幅度超过5％)时，数据处理模块对全站仪发送指令，对炼钢车间的龙骨及钢支架和基坑参数进行监测，若变化值大于2mm，按照基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移复查测量；若变化值小于2mm，只将车间主要立柱和龙骨的高程变化量、地下水位变化量或者支护结构应力超限数据上传至预警模块。
[0044]
更进一步的，经过复查测量得到本期测量值并进行存储，数据处理模块根据每期测量值汇总生成当日测量报表、绘制监测曲线图，并上传至云端进行存储。
[0045]
更进一步的，所述预警模块包括客户端数据显示查询和短信息、邮件发送设备，其连接安装于施工现场的智能化预警装置，所述预警装置包括施工现场信号灯、led显示屏和蜂鸣器，其中：
[0046]
情况1、监测数据传输至预警模块时，若数据正常，则监测数据直接在led显示屏上显示，现场信号灯为绿色；
[0047]
情况2、当监测数据超限，但形变值在可控范围内，异常监测数据或者超限数据在显示屏上显示，信号灯转为红色，bim建模模拟出的基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域图形上传至led显示器，现场安全员可根据监测数据变化量的大小以及基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域的范围，安排现场管理调度，避开危险区域；
[0048]
情况3、当监测数据超限较大时，在情况2的基础上触发蜂鸣器报警装置，疏散现场人员，并通过短信息或邮件的方式通知项目各方管理人员；待监测数据稳定、危险排除后方可继续施工作业。
[0049]
3.有益效果
[0050]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0051]
(1)本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统，通过bim模块和数据处理模块可在计算机终端对基坑进行数字化操作，将监测数据可视化的展示在用户端，因此可直观反映基坑各项检测数据情况(位移、受力)，并根据监测结果对现场施工人员发出相应预警信号，能够有效适应于生产环境下炼钢车间内的基坑监测。
[0052]
(2)本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统，引入了基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域的概念，并给出了基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域的半径优化计算公式，bim模型可以通过监测数据直观模拟出基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域的范围，从而有助于及时有效的指导现场施工，监测结果更加精确。
[0053]
(3)本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测方法，以基坑坡顶水
平位移、基坑坡顶垂直位移为主控项目，通过对地下水位、支护结构(锚杆应力)、周围建(构)筑物的监测数据反馈至数据处理模块，数据处理模块根据地下水位、支护结构(锚杆应力)、周围建(构)筑物的异常数据向全站仪发出指令，全站仪对基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移进行监测，有效的提高了全站仪监测频率，从而避免环境扰动对监测结果的影响。基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位、支护结构(锚杆应力)、周围建(构)筑物监测数据发送给预警模块，再将超限数据传输给bim模块，根据新参数刷新模型，从而有利于进一步保证施工现场的实时安全监测。
[0054]
(4)本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测方法，针对监测仪器受到扰动、数据粗差等问题进行重复测量，通过液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪更新较快可以识别出错误数据，可以及时反馈给全站仪进行复查测量，更新监测数据，并对数据加权处理来提高监测数据的精度，避免误报警情况影响正常施工。
[0055]
(5)本发明的一种炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测方法，预警模块连接现场预警装置，包括信号灯，蜂鸣器，led屏幕等。将施工紧急预案与系统相结合，使施工、监测、预警、处理同步，能够保障施工作业安全以及对危险源的及时处理。
附图说明
[0056]
图1为本发明的炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统的结构示意图；
[0057]
图2为本发明中监测点位布置示意图；
[0058]
图3为本发明中车间剖面示意图；
[0059]
图4为本发明的监测方法的流程示意图；
[0060]
图5为基坑坡顶塌陷区域/基坑内倾覆区域分析示意图；
[0061]
图6为复查测量流程图。
具体实施方式
[0062]
结合图1、图4，本发明的生产环境下炼钢车间内基坑与构筑物一体化智能监测系统主要包括数据采集模块、bim模块、数据传输模块、数据处理模块和预警模块，其具体监测方法如下：
[0063]
步骤一：安装数据采集模块
[0064]
数据采集模块包括高精度全站仪、液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪。如图2、图3所示，基坑坡顶水平位移和基坑坡顶垂直位移使用全站仪进行监测，基坑坡顶水平位移和基坑坡顶垂直位移监测点共点使用，在监测点处安装l型棱镜，高精度全站仪通过观测l型棱镜获取坐标数据。地下水位采用液压水位计进行监测，将液压水位计埋入水位管并没入水面固定。支护结构(锚杆应力)采用轴力计进行监测，周围建(构)筑物主要是对炼钢车间的龙骨及钢支架(撑)进行监测，在炼钢车间的龙骨、钢支架(撑)以及主要立柱上安装压差式静力水准仪，距离压差式静力水准仪30厘米范围内安装l型棱镜。在车间内选择视线通视区域设置水泥观测墩台架设高精度全站仪，保证高精度全站仪能够观测到车间内所有l型棱镜。根据高精度全站仪的位置，距离高精度全站仪70米以上，架设三个后视点，用作高精度全站仪后方交会测量(定向测量)使用。
[0065]
步骤二：连接数据传输模块
[0066]
每套数据采集装置都配备相应的数据传输模块，数据传输模块包括一个设备终端和传输天线，通过5g信号或者蓝牙将测量数据传输至数据处理模块。
[0067]
步骤三：数据采集
[0068]
使用高精度全站仪获取车间主要立柱、龙骨(主梁)的初始平面坐标数据和初始高程，轴力计获取基坑支护锚杆轴力值，压差式静力水准仪获取车间主要立柱、龙骨(主梁)的初始高程值。
[0069]
步骤四：bim建模
[0070]
将采集的数据参数以及现场车间位置参数导入bim模块，通过revit软件生成基坑模型，后期测量数据同步上传至bim模块实时更新基坑模型。
[0071]
步骤五：实时监测
[0072]
高精度全站仪每半小时对基坑坡顶以及车间主要立柱、龙骨(主梁)布设的l型棱镜进行一次测量，液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪每30秒测量一次数据。测量的数据通过数据传输模块传递至数据处理模块，当测量数据累积变化量和当次变化值未超过规范值时，记录本期测量值并进行存储。
[0073]
结合图6，当数据超出规范值时，数据处理模块采用复查测量方法，确保数据准确性。复查主要是用来排除基坑处于稳定状态，由于高精度全站仪受到现场施工机具扰动或者监测点被遮挡等，数据偶然测量误差，防止数据误报的情况发生。
[0074]
1、基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移的复查测量
[0075]
进行第一次测量，当则数据正常
[0076]
当徕卡tm50高精度全站仪再次进行两次重复测量，
[0077]
情况1、若且则
[0078]
情况2、若且则
[0079]
情况3、若或者中有且仅有一项大于2，则进行第四次测量，
[0080]
其中：a
i
是第i期成果数据，是第i期第n次观测数据，单位：毫米(mm)。
[0081]
若|a
i+1
‑
a
i
|<2，则不做处理；
[0082]
若|a
i+1
‑
a
i
|≥2，则数据处理模块传输信息至bim模块和预警模块。
[0083]
2、周边建(构)筑物(炼钢车间)复查测量
[0084]
当压差式精力水准仪测量变化值大于2毫米或者地下水位变化量大于20cm，支护结构(锚杆应力)应力衰减过大时，数据处理模块对高精度全站仪发送指令，对炼钢车间的龙骨及钢支架(撑)和基坑进行监测。若变化值大于2mm，按照基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移复查测量。若变化值小于2mm，只将压差式精力水准仪、地下水位变化量或者支护结构(锚杆应力)应力超限数据上传至预警模块。
[0085]
由于液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪每30秒测量一次数据，监测频率大于高精度全站仪监测频率，也就是说，液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪数据的时效性高于高精度全站仪的时效性，可以解决高精度全站仪监测数据的滞后性，液压水位计、轴力计和压差式静力水准仪数据刷新后，当数据出现异常突变时，高精度全站仪可以及时跟踪监测提供准确基坑和周边建(构)筑位移变形数据，大大提高了该系统的测量精度以及灵敏度。
[0086]
经过复查测量得到本期测量值并进行存储。数据处理模块根据每期测量值汇总生成当日测量报表、绘制监测曲线图，并上传至云端进行存储，用户可通过手机app或计算机客户端进行查询。
[0087]
步骤六：bim模型更新
[0088]
测量值上传至bim模块，模型及时更新。bim模块根据基坑坡顶水平位移、基坑坡顶垂直位移、地下水位、支护结构(锚杆应力)的形变量模拟基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域范围。
[0089]
基坑内倾覆范围计算公式为：
[0090][0091]
式中：r1为基坑内倾覆范围半径，
△
a
n
为第n期基坑坡顶水平位移本次变化量，
△
b
n
为第n期基坑坡顶垂直位移本次变化量，c
i
为第i期支护结构(锚杆应力)测量值，d
i
为第i期地下水位测量值，δ为土体参数(由现场土工试验测定土体抗压、抗拉强度，内摩擦力等参数确定)取值范围为3.36至5.25，h为基坑深度，l为基坑内部倾覆范围对应测点的相邻两测点之间的距离，k为改正系数(主要由基坑支护结构和勘察数据决定)，其取值范围为0.4至1.2，如下表格1中为常见几种支护结构的改正系数取值。通过k和δ的引入，并对其数值范围进行优化，从而可以有效减小计算误差。
[0092]
表1现有常见几种支护结构的改正系数取值
[0093]
支护类型k值范围钢板桩1.0
‑
1.2土钉墙、复合土钉墙(无放坡)0.9
‑
1.2土钉墙、复合土钉墙放坡(放坡)0.4
‑
0.6喷锚支护(无放坡)0.9
‑
1.1喷锚支护(放坡)0.4
‑
0.6灌注桩0.8
‑
1.1地下连续墙、型钢水泥土墙0.8
‑
0.9
[0094]
基坑坡顶的塌陷范围计算公式为：
[0095][0096]
式中：r2为基坑坡顶的塌陷范围半径，m为塌陷区补偿系数，主要与挖深进度和支护方法有关，取值范围为0.7
‑
1.3。
[0097]
若基坑采用钢板桩或者灌注桩支护时，r1不得小于钢板桩或者灌注桩顶部高程与
基坑底部高程的差值。
[0098]
步骤七：数据处理模块将每期监测数据传至预警模块，bim模块将基坑最新模型以及基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域模拟范围(如图5所示)传至预警模块。预警模块包括客户端数据显示查询和短信息、邮件发送设备，其连接施工现场智能化预警装置，有施工现场信号灯、led显示屏、蜂鸣器。
[0099]
情况1、监测数据传输至预警模块时，若数据正常，可在led显示屏上显示各项数据，即将客户端数据放在显示屏上进行展示，现场信号灯为绿色。
[0100]
情况2、当监测数据超限，但形变值在可控范围内，异常监测数据或者超限数据在显示器上显示，信号灯转为红色，bim建模模拟出的基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域图形上传至led显示器，现场安全员可根据监测数据变化量的大小以及基坑坡顶塌陷区域和基坑内倾覆区域的范围，安排现场管理调度，避开危险区域。
[0101]
情况3、当监测数据超限较大时，在情况2的基础上触发蜂鸣器报警装置，疏散现场人员。并通过短信息或邮件的方式通知项目各方管理人员。待监测数据稳定、危险排除后方可继续施工作业。