馮江宇

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司路橋分公司 上海 200070)

1 緒言

深基坑開挖施工易造成周圍土體和既有構(gòu)筑物的變形，尤其在鄰近高速鐵路開挖時(shí)，更要嚴(yán)格控制基坑本體及周邊軌道形變量。

為了保證涉鐵深基坑施工安全，需根據(jù)規(guī)范及相關(guān)要求進(jìn)行鐵路與基坑監(jiān)測預(yù)警。傳統(tǒng)監(jiān)測由人工按時(shí)測量統(tǒng)計(jì)，匯總后再形成分析日報(bào)表，既不夠直觀，發(fā)生問題時(shí)也不能實(shí)現(xiàn)問題快速定位和分析，嚴(yán)重制約了監(jiān)測效率[1]。因此，建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)多方實(shí)時(shí)精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集，并能實(shí)時(shí)展示、自動(dòng)預(yù)警處置的監(jiān)測平臺具有重要意義。

目前，建筑信息模型(BIM)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于施工領(lǐng)域，憑借自身3D可視化和信息集成化功能優(yōu)勢[2-3]，為全行業(yè)帶來信息化變革浪潮。而地理信息系統(tǒng)(GIS)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IoT)也憑借其優(yōu)勢在土建行業(yè)中日趨成熟，將虛擬現(xiàn)實(shí)和智能數(shù)據(jù)采集帶進(jìn)施工管理數(shù)智化進(jìn)程。本文以上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線1標(biāo)項(xiàng)目為例，闡述BIM＋GIS＋I(xiàn)oT深基坑與高鐵協(xié)同預(yù)警處置系統(tǒng)研究與應(yīng)用主要內(nèi)容。

2 工程概況與重難點(diǎn)

上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程是國家發(fā)改委首批確定的全國市域鐵路示范線，全長68.6 km。

本工程為1標(biāo)段，全長10.26 km，其中8.5 km與滬杭高鐵并行(見圖1)。范圍內(nèi)一號風(fēng)井兼盾構(gòu)始發(fā)井深基坑長156 m、寬25 m，深為16.67～25.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地連墻＋內(nèi)支撐形式，共分5個(gè)工作坑，采用明挖順作法跳坑開挖。基坑邊距滬杭高鐵路基坡腳最近處僅10.6 m，無論是開挖深度、鄰營距離，還是作業(yè)規(guī)模，在涉鐵基坑中都極為罕見，尚無成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒。2020年，本項(xiàng)目入選中國鐵建技術(shù)重難點(diǎn)項(xiàng)目。

由于基坑邊滬杭高鐵對軌道位移控制要求極嚴(yán)(軌道位移須控制在2 mm內(nèi))，周邊還存在大量既有建筑、管線，加之鐵路周邊嚴(yán)禁降承壓水，技術(shù)難度和安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

3 鐵路與深基坑協(xié)同監(jiān)測應(yīng)用實(shí)施

3.1 安全影響因素及應(yīng)對思路

對于深基坑，常見事故可分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞和土體破壞兩種。圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞方面，一是圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身材料缺陷、施工不達(dá)標(biāo)造成支護(hù)不當(dāng)；二是開挖方案不合理、降水不當(dāng)以及坑外過度堆載等原因造成土壓力增加使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。另外基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)有誤或數(shù)據(jù)反饋不及時(shí)等因素也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞前應(yīng)對措施不及時(shí)，無法挽救。土體破壞因素方面，管涌流土等滲透破壞、承壓水突涌能夠直接造成土體失穩(wěn)。

對于基坑本體，不管是圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞還是土體破壞，除了加強(qiáng)施工質(zhì)量與流程管控外，及時(shí)、準(zhǔn)確的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用也是預(yù)防和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的重要措施。

對于基坑邊高鐵線路，主要風(fēng)險(xiǎn)來自基坑開挖導(dǎo)致的軌道位移超限(大于2 mm)，從而帶來晃車、脫軌風(fēng)險(xiǎn)。軌道位移原因主要包括兩個(gè)方面，一是周邊土體變形、地下水位變化導(dǎo)致的軌道水平和豎向位移，二是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞引起的地基土體破壞和鐵路路基結(jié)構(gòu)破壞，從而導(dǎo)致列車事故。

傳統(tǒng)鐵軌變形風(fēng)險(xiǎn)控制采用人工“凌晨天窗點(diǎn)推小車”，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且無法全天持續(xù)獲取數(shù)據(jù)，面對趟/3 min的密集高鐵行車，極有可能導(dǎo)致車毀人亡的后果。因此，通過智能化手段實(shí)現(xiàn)鐵路位移與基坑狀態(tài)全天候毫米級的實(shí)時(shí)協(xié)同預(yù)警處置，顯得尤為重要。

3.2 應(yīng)用實(shí)施規(guī)劃

本項(xiàng)目共有12類852個(gè)基坑監(jiān)測點(diǎn)和分布于全線8.5 km的1 200個(gè)高鐵位移觀測點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)“一屏觀全局”效果，實(shí)現(xiàn)問題快速定位、精準(zhǔn)分析、高效響應(yīng)，系統(tǒng)基于BIM三維可視化、信息集成化的性質(zhì)[4-5]，通過IoT將其與自動(dòng)監(jiān)測設(shè)備建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)系，并置于GIS引擎中形成實(shí)景3D電子沙盤，利用標(biāo)注點(diǎn)的狀態(tài)變化(如綠笑臉、紅哭臉等)作為展示和預(yù)警前端，解決快速定位問題，同時(shí)開發(fā)“數(shù)據(jù)分析內(nèi)核”[6-7]，破解多方數(shù)據(jù)協(xié)同分析難題，做到預(yù)警發(fā)送、定位展示、初步處置的實(shí)時(shí)響應(yīng)，配合完成應(yīng)急處置(見圖2)。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程

系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程如下(見圖3):

(1)通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)鐵路超限變形(基坑監(jiān)測同步進(jìn)行)，測點(diǎn)標(biāo)識從“綠笑臉”變?yōu)椤凹t哭臉”。

(2)通過APP、微信通知管理人員，自動(dòng)定位至預(yù)警點(diǎn)，同時(shí)推送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與視頻監(jiān)控。

(3)通過對各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，迅速查明問題原因。

(4)系統(tǒng)快速響應(yīng)，控制現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(如伺服系統(tǒng))作出反應(yīng)，及時(shí)生成報(bào)告配合后續(xù)處置，將問題控制在萌芽狀態(tài)。

4 系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)主要包括前端實(shí)景沙盤(見圖4)、后臺分析內(nèi)核、預(yù)警處置模塊等。在充分理解施工重難點(diǎn)和各類監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，融合BIM＋GIS＋I(xiàn)oT技術(shù)搭建系統(tǒng)前端沙盤，完成硬件數(shù)據(jù)與監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)對接；再通過編程開發(fā)分析內(nèi)核，實(shí)時(shí)協(xié)同數(shù)據(jù)分析；最后在微信、管理平臺中打通數(shù)據(jù)調(diào)閱與預(yù)警通道，實(shí)現(xiàn)涉鐵深基坑與高鐵協(xié)同監(jiān)測需求。

4.1 建筑信息模型(BIM)的建立

建筑信息模型(BIM)用于建立基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地層、管線等構(gòu)件，通過模型構(gòu)件的唯一性編碼與管理平臺打通數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊相應(yīng)構(gòu)件即可調(diào)閱相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、物資收發(fā)、工序驗(yàn)收等過程痕跡(見圖5)，協(xié)助了解基坑狀態(tài)。

建模前需收集項(xiàng)目的勘測報(bào)告、圖紙以及周邊管線參數(shù)等作為依據(jù)，并在完成后將各專業(yè)模型整合，用于輔助后續(xù)在GIS引擎中監(jiān)測標(biāo)注點(diǎn)定位(見圖6)。BIM模型將在監(jiān)測系統(tǒng)中充當(dāng)信息集成數(shù)據(jù)庫。

4.2 地理信息系統(tǒng)(GIS)的建立

地理信息系統(tǒng)(GIS)即帶有地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度)和三維地形的虛擬沙盤，主要由無人機(jī)掃描地形導(dǎo)入GIS引擎制作，可還原實(shí)時(shí)現(xiàn)場和完工樣貌，具備測量分析、拆遷標(biāo)注、紅線劃分等功能(見圖7)。

本工程選用精靈4 RTK無人機(jī)，引擎為慧城GIS＋BIM引擎，步驟如下:

(1)現(xiàn)場勘察，在標(biāo)段頭、中、尾放樣作3個(gè)對齊標(biāo)記，用于后續(xù)地形與BIM精確對位。

(2)在飛控中框選區(qū)域放飛無人機(jī)，收集無人機(jī)拍攝照片，導(dǎo)入電腦合成3D地形。

(3)地形模型導(dǎo)入GIS引擎，將大地衛(wèi)星影像、BIM模型、3D地形模型對齊。

(4)將鐵路與基坑測點(diǎn)在地形圖上分類創(chuàng)建標(biāo)注，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系。

4.3 物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的建立

建立物聯(lián)網(wǎng)的前提是先實(shí)現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的自動(dòng)化，再通過云技術(shù)將各設(shè)備數(shù)據(jù)串聯(lián)共享，方可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、措施響應(yīng)設(shè)備。

大部分監(jiān)測項(xiàng)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，如位移沉降可采用自動(dòng)測量機(jī)器人(見圖8)、鋼支撐軸力可采用伺服系統(tǒng)，其余監(jiān)測項(xiàng)如水位、砼支撐軸力等可增設(shè)無線裝置改造實(shí)現(xiàn)，僅測斜等個(gè)別項(xiàng)目需人工進(jìn)行。此外，在措施響應(yīng)方面，鋼支撐伺服加壓、地下水回灌、監(jiān)控探頭定向?qū)ξ坏瓤刂平涌谝簿殉墒欤邆湮锫?lián)網(wǎng)條件。

4.4 分析內(nèi)核的建立

分析內(nèi)核涉及三個(gè)方面，分別為基坑預(yù)警、高鐵預(yù)警和協(xié)同預(yù)警。

4.4.1 基坑預(yù)警分級

基坑預(yù)警等級劃分采用規(guī)范限值法與失效概率分析法相結(jié)合。

(1)規(guī)范限值法(常規(guī)預(yù)警)。由于上海以軟土為主，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)普遍遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，因此規(guī)范限值僅作為黃色預(yù)警(常規(guī)預(yù)警)判別，即將規(guī)范值乘以不大于1的系數(shù)后作為黃色預(yù)警觸發(fā)條件，響應(yīng)規(guī)范要求，減少預(yù)警噪點(diǎn)。

(2)失效概率分析法(高等級預(yù)警)。調(diào)用上?；颖O(jiān)測大數(shù)據(jù)中心歷史數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，推算同類型基坑各監(jiān)測數(shù)據(jù)對應(yīng)的基坑失效概率。選定可接受的失效概率反算預(yù)警值，用以劃分較高等級的橙色預(yù)警(中級預(yù)警)和紅色預(yù)警(嚴(yán)重預(yù)警)[8-9]。

4.4.2 高速鐵路預(yù)警分級

根據(jù)中國鐵路上海局2020年345號文變形監(jiān)測預(yù)警值內(nèi)容，無砟軌道高速鐵路軌道與路基的水平位移、豎向位移不應(yīng)大于2 mm，因此按累計(jì)位移1.6 mm作為橙色預(yù)警，2.0 mm作為紅色預(yù)警，并結(jié)合1 d位移量、3 d位移量，以及每月線上軌道線形監(jiān)測數(shù)據(jù)作參考，共同判定。

4.4.3 協(xié)同預(yù)警分級

(1)局部聯(lián)合分析法。根據(jù)GIS坐標(biāo)將標(biāo)注點(diǎn)、BIM構(gòu)件建立空間聯(lián)系，對局部區(qū)域或關(guān)聯(lián)同一構(gòu)件的測點(diǎn)聯(lián)合分析。采用“閾值加權(quán)法”，即先篩選出預(yù)警等級最高的監(jiān)測項(xiàng)的預(yù)警值作為基礎(chǔ)值，其他相關(guān)測點(diǎn)若顯著超過合理范圍，則對該基礎(chǔ)預(yù)警值按照權(quán)重提升預(yù)警等級。如先將測斜和地表沉降建立函數(shù)關(guān)系，若測斜預(yù)警程度更高，則根據(jù)測斜實(shí)測值推算沉降理論值，當(dāng)實(shí)際沉降明顯大于理論沉降時(shí)，則提升測斜預(yù)警值。此外還有高鐵沉降、土體沉降與潛水位、承壓水頭等也都可以建立相關(guān)函數(shù)[10]。除閾值加權(quán)法外，亦可通過FTA分析法進(jìn)行聯(lián)合分析。

(2)空間聯(lián)合分析法。根據(jù)GIS坐標(biāo)，在預(yù)警原因分析過程中，以最高等級預(yù)警點(diǎn)位置為圓心，向外抓取周邊監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行原因分析，列出相關(guān)性最大超限值。如鐵路沉降過大時(shí)，系統(tǒng)調(diào)取周邊土體、地墻、地下水測點(diǎn)并輸出報(bào)表[11-12]，并代入局部聯(lián)合分析法進(jìn)一步分析。此外，還可在BIM中啟動(dòng)監(jiān)測構(gòu)件周圍測點(diǎn)功能，如點(diǎn)擊某幅地連墻即可監(jiān)測構(gòu)件周圍10 m內(nèi)的測點(diǎn)插值信息。

5 實(shí)施效果

系統(tǒng)于2019年開始研發(fā)，取得軟件著作權(quán)4項(xiàng)。至2021年9月，鄰近高鐵各基坑開挖與回筑全部完成，共計(jì)采集1 200個(gè)鐵路測點(diǎn)、852個(gè)基坑測點(diǎn)1.2億條數(shù)據(jù)，推送監(jiān)測日報(bào)表520份，將多個(gè)現(xiàn)場問題解決在萌芽狀態(tài)。使用該系統(tǒng)的深基坑施工，鐵路側(cè)測斜僅為0.7‰H～1.0‰H(H為基坑深度)，在上海地區(qū)同類基坑中表現(xiàn)突出，坑外高鐵軌道位移沉降最大僅1.8 mm，未超2 mm，保障了高鐵安全。目前，本系統(tǒng)已在合肥市文忠路上跨合肥東站轉(zhuǎn)體橋等多個(gè)涉鐵深基坑項(xiàng)目運(yùn)用。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)深度融合BIM＋GIS＋I(xiàn)oT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了深基坑與高鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)全天候?qū)崟r(shí)采集、趨勢分析、預(yù)警處置等功能，是對人工監(jiān)測的自動(dòng)化替代，極大地提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性，不僅省去了人工的重復(fù)工作，也為鐵路與基坑安全提供了保障，是BIM技術(shù)、GIS技術(shù)與IoT技術(shù)融入土建行業(yè)施工管理的新探索。