數(shù)字化技術(shù)深基坑工程施工管理系統(tǒng)

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【摘要】將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于深基坑施工管理系統(tǒng)中，通過多模塊的協(xié)同作用，高效采集信息，剖析有價值的內(nèi)容，給深基坑施工提供指導。文章以深基坑工程實例為背景，圍繞數(shù)字化技術(shù)在施工管理系統(tǒng)中的應(yīng)用要點展開探討，包含系統(tǒng)組成、工作特性等方面。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化技術(shù)；深基坑工程；施工管理系統(tǒng)；組成

1引言

城市土地資源日益緊缺，地下空間的開發(fā)成為重要突破口，有助于緩解城市發(fā)展高需求與土地資源低供應(yīng)的矛盾[1]。但地下空間的開發(fā)難度較大，易受到既有建（構(gòu)）筑物的干擾，在施工技術(shù)不合理或是缺乏管理措施時均容易引發(fā)質(zhì)量或安全層面的問題。在高度復(fù)雜的施工環(huán)境下，僅憑施工人員的技能和經(jīng)驗顯然難以順利將各項工作落實到位，因此亟需探討科學的施工管理系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)籌兼顧。

2工程概況

某深基坑工程，開挖深度15.3m，基坑臨近管溝部分為重難點施工區(qū)域，于該處采取地下連續(xù)墻加三軸攪拌樁止水帷幕相結(jié)合的方式，除此之外的其它區(qū)域均為鉆孔灌注樁+止水帷幕?；迂Q向設(shè)3道水平支撐，以混凝土為材料澆筑而得。經(jīng)現(xiàn)場勘察可知，深基坑施工區(qū)域含大面積的潛水層和承壓含水層，埋深3.0m～11.0m。深基坑周邊分布大量建（構(gòu)）筑物，易對施工造成干擾，同時隨深基坑施工的推進，在缺乏行之有效的管理措施時，以發(fā)生建（構(gòu)）筑物失穩(wěn)甚至坍塌事故。

3深基坑工程施工管理系統(tǒng)概述

3.1施工管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)

根據(jù)深基坑工程的施工特點，確定相適應(yīng)的管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，具體內(nèi)容如圖1所示。結(jié)合圖中信息展開分析，依托于技術(shù)管理平臺，可以將創(chuàng)建所得的施工方案導入系統(tǒng)內(nèi)，以便系統(tǒng)執(zhí)行自動化管理操作?，F(xiàn)場技術(shù)人員負責采集信息，接入移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將信息及時且完整地傳輸至施工管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)在接收到該部分數(shù)據(jù)后自動做出分析，明確其中的問題及具體成因，將結(jié)果反饋給各級管理層，以便組織后續(xù)的應(yīng)對工作。通過施工管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可提供一套高效的管理機制，做到“及時發(fā)現(xiàn)問題、正確解決問題”，全流程均具有規(guī)范化的特征。

3.2施工管理的標準化數(shù)據(jù)體系

深基坑工程建設(shè)期間將產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)資源，彼此間的差異性主要體現(xiàn)在兩個方面。①采集方式的差異化，指的是數(shù)據(jù)源自于不同的信息采集系統(tǒng)；②存儲方式的差異化，現(xiàn)階段較為典型的有文檔、關(guān)系數(shù)據(jù)庫等方式，所采用的存儲機制存在差別。在綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)庫技術(shù)后，可以有效保證信息存儲的安全性，但其存在較顯著的分散性特征，不利于信息的高效查詢與判斷[2]。此時，以數(shù)據(jù)模型為核心，完成多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理將是重點工作內(nèi)容，但其難度較大，在確保數(shù)據(jù)模型具有輕量化特征的同時還需滿足模型讀取速度方面的需求。由于深基坑工程施工期間將產(chǎn)生豐富的數(shù)據(jù)源，因此在施工管理系統(tǒng)創(chuàng)建中引入了規(guī)范化程序，在經(jīng)過工藝流程的分解、關(guān)鍵參數(shù)的確定后，創(chuàng)建了標準化數(shù)據(jù)體系，其能夠有效地滿足工程施工管理需求，提高信息模型的規(guī)范性，與此同時還可達到標準數(shù)據(jù)無縫對接的應(yīng)用效果。

3.3數(shù)據(jù)處理設(shè)計架構(gòu)

以數(shù)字化技術(shù)為支撐，形成數(shù)據(jù)處理設(shè)計架構(gòu)，具體組成如圖2所示。根據(jù)圖中內(nèi)容可知，該架構(gòu)細分為3個層次，通過各層的協(xié)同運行，能夠快速采集數(shù)據(jù)，對其執(zhí)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換操作，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)碎片化數(shù)據(jù)存儲。各數(shù)據(jù)分別表征不同的意義，覆蓋信息包含物理名、采集人、采集時間、存儲時間、方案參數(shù)等。邏輯層的關(guān)鍵功能在于確定數(shù)據(jù)源所具有的邏輯關(guān)系，較為常見的有異常情況判斷邏輯、報警提醒邏輯等。在采集到數(shù)據(jù)后，由技術(shù)人員將其完整錄入系統(tǒng)，此時系統(tǒng)可啟用預(yù)設(shè)的邏輯程序和閾值，將其與采集的數(shù)據(jù)展開對比分析，對數(shù)據(jù)的完整性和準確性情況作出判斷。系統(tǒng)充分考慮工程施工方案和技術(shù)規(guī)程，進一步圍繞施工質(zhì)量做出判斷，從中發(fā)現(xiàn)不達標之處，并觸發(fā)“施工問題”的提示。表現(xiàn)層建立在邏輯計算的基礎(chǔ)上，其反映的是單元數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后所得到的分析結(jié)果，涵蓋多方面具有可參考價值的信息，例如異常情況匯總、施工日志等，在取得此方面的成果后，管理層工作人員可以更為精準地鎖定具體問題，以便展開針對性的分析，從而采取合適的應(yīng)對策略，從源頭上規(guī)避工程風險（見圖2）。

4數(shù)字化深基坑工程施工管理系統(tǒng)的具體應(yīng)用

4.1數(shù)值模擬，預(yù)測施工狀況

數(shù)字化技術(shù)融入現(xiàn)階段較主流的數(shù)值模擬方法，在其支持下可確定最優(yōu)化組織方案，在隧道施工作業(yè)持續(xù)推進之下，能夠提前展開風險監(jiān)測，全局把控施工狀況，及時反饋現(xiàn)階段的施工安全情況，取得的等效力學參數(shù)則具備反映地層土體狀況的能力。計算環(huán)節(jié)應(yīng)用的是FEM模型，順利完成計算的必要前提在于確定土體及圍護結(jié)構(gòu)的單元形式。通過對數(shù)值模擬方法的應(yīng)用，可預(yù)測后續(xù)施工中所存在的擾動位移情況。

4.2創(chuàng)建FEM模型

以監(jiān)測反饋的等效力學參數(shù)為立足點，在經(jīng)過模擬計算后可對當前步段的實際狀況做出分析，主要體現(xiàn)在施工擾動位移場和應(yīng)力場兩個方面。此處以截面1為例展開分析，在完成第1層土體開挖作業(yè)后，匯總期間所采集的位移監(jiān)測結(jié)果，在此基礎(chǔ)上反演，從而求得等效力學參數(shù)，引入FEM模型，可進一步預(yù)測后續(xù)第2、第3及第4層土體開挖的擾動位移狀況具體，如圖3所示。

4.3基于模擬結(jié)果的分析

①根據(jù)圖中信息展開分析，可知最大水平位移量達到56.36mm，所處位置集中在鉆孔灌注樁周邊土體處；發(fā)生的最大豎向位移量達到424.00mm，位置為坑內(nèi)底部土體。②圖中曲線中存在若干個空心點，其指的是經(jīng)過預(yù)測后，測點P13和P1對應(yīng)于第3層及第4層開挖水平位移分布情況。對位移的分布特點展開分析，可知其沿深度方向呈現(xiàn)出類似拋物線的形狀，最大值對應(yīng)區(qū)域為基坑底部開挖標高的周邊，為60mm，其它各處的位移均小于該值。圖中還存在一系列實心點，為對應(yīng)于基坑第3層、第4層開挖完成時P13測點和P1測點位移監(jiān)測值。通過對比分析可知，測點P13所產(chǎn)生的預(yù)測位移趨勢具有較高的可靠性，即能夠與實測位移高度吻合。③第3、第4層土體在經(jīng)過開挖處理后，測點P1的預(yù)測結(jié)果和實測值具有高度的相似性，主要體現(xiàn)在水平位移最大值所處區(qū)域這一層面；但對于第3層土體開挖工況而言，此條件下取得的最大水平位移預(yù)測值與實測情況存在較明顯的偏差。究其原因，主要與施工環(huán)境高度復(fù)雜的特性有關(guān)，基坑的土體性質(zhì)在不同階段均存在變動，監(jiān)測結(jié)果難以準確反映實際情況；此外，監(jiān)測結(jié)果的指向性也頗為特殊，其涵蓋了土體蠕變位移量，因此取得的模擬結(jié)果與實際值間必然會存在一定程度的偏差。就總體情況來看，盡管存在誤差，但依然可以給工程項目的開展提供富有指導意義的信息。④取截面2測點，確定各自在水平位移預(yù)測值和實際值方面的表現(xiàn)，具體情況如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，測點P10的預(yù)測結(jié)果可靠性高，其與實測位移變化趨勢具有高度的相似性。在經(jīng)過第3、第4層土體開挖作業(yè)后，于測點P3而言，其水平位移最大值的預(yù)測發(fā)生位置和實際位置高度接近，但就具體數(shù)值而言則存在偏差。究其原因，與現(xiàn)場土體蠕變位移所帶來的影響有密切關(guān)聯(lián)，同時計算和監(jiān)測試驗的操作誤差也起到加大偏差的作用。在原位監(jiān)測結(jié)果中，其涵蓋了土體蠕動位移量，但取得的FEM模擬計算結(jié)果則僅考慮的是單純的位移量，即并未包含土體蠕動情況，由此出現(xiàn)差距。在土體應(yīng)力提高的背景下，其剪應(yīng)力也將同步增加，表現(xiàn)出的土體蠕變位移現(xiàn)象明顯，兩項結(jié)果間的差異顯著。結(jié)合上述的分析結(jié)果，在確定FEM模型和等效力學參數(shù)后，能夠?qū)⑵涔餐糜诨娱_挖狀況的預(yù)測工作中，以明確其在應(yīng)力場和位移場方面的實際情況，再進一步判斷基坑工程是否存在安全隱患以及發(fā)生安全事故的可能性。但預(yù)測計算結(jié)果中未涵蓋土體蠕變，而實際情況中則包含該部分內(nèi)容，因此所得的計算結(jié)果普遍要小于實際值，在工程人員的分析與判斷中應(yīng)重視該情況。

5深基坑工程施工管理控制系統(tǒng)的特點

以數(shù)字化技術(shù)為支撐，保證深基坑施工管理系統(tǒng)具有顯著的標準化、網(wǎng)絡(luò)化特征，打破以往人工管理受技術(shù)水平限制的僵局，信息溝通渠道高效而穩(wěn)定，可以兼顧工程質(zhì)量、安全性、效率性、環(huán)保性等多重要求[3]。

5.1施工行為規(guī)范化

標準化數(shù)據(jù)體系的創(chuàng)建及運營能夠用于約束施工行為，保證其具有規(guī)范化特征。

5.2管理全面化

施工管理系統(tǒng)提供了一套完善的人機操作界面，為用戶與數(shù)據(jù)間搭建起溝通的“橋梁”，同時用戶也可根據(jù)需求作出相應(yīng)的操作，管理對象擴展至全員。

5.3數(shù)據(jù)完整化

施工管理系統(tǒng)的覆蓋面較廣，數(shù)據(jù)類型豐富，有選擇型、指標型及照片型三種形式的數(shù)據(jù)。

5.4分析智能化

在得到施工管理系統(tǒng)的支持后，能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)展開分析并創(chuàng)建施工圖表，也可提供風險智能預(yù)判等實用性較強的功能。

6結(jié)語

深基坑工程施工質(zhì)量對于地下建設(shè)事業(yè)的發(fā)展而言具有直接影響，而此類工程普遍具有施工復(fù)雜化的特點，為協(xié)調(diào)好各項生產(chǎn)要素的關(guān)系，有必要創(chuàng)建施工管理系統(tǒng)?，F(xiàn)階段的信息技術(shù)發(fā)展迅猛，可將數(shù)字化技術(shù)融入系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、匯總結(jié)果等方面的工作能力，作為深基坑施工的“得力助手”。

參考文獻

[1]范傳斌，張宏軍.信息化監(jiān)測技術(shù)在深基坑施工中的應(yīng)用[J].建筑施工，2014(11):1-5.

[2]王亮，李凱，章美芬.虛擬仿真施工技術(shù)在深基坑支護工程中的應(yīng)用[C].第三屆全國地下、水下工程技術(shù)交流會，2013:42-44.

[3]史煒.深基坑變形控制新技術(shù)及信息化監(jiān)測的應(yīng)用[J].數(shù)字化用戶，2017，23(2):13.

作者：熊保強 單位：中鐵十一局集團第一工程有限公司