马鹏 李刚 贾丙奇 张鹏 赵坤
摘要：随着时代的进步，社会各界对安全问题的重视程度越来越高，建筑工程也不例外。随着科技的发展，各种先进技术渐渐应用到安全文明的现代化施工管理中。中建八局西南公司在北京大学第一医院保健中心工程的施工中，将GNSS定位技术（即全球卫星导航定位系统）用于基坑变形的监测，实现了基坑监测的全局化、自动化、实时化，为有效预防基坑安全事故的发生，打造安全施工工地，做出了新的探索。
北京大学第一医院保健中心工程主要包含保健楼（地下3层，地上6层）、营养楼（两层）、图书馆教学楼（两层）、门卫、干部外科病房楼及内科楼局部改造等项目，总建筑面积59002平方米，于2016年8月开工，计划2018年4月竣工。工程位于北京大学第一医院第二住院部现院址西南侧，南侧为大红罗厂街，西侧为西黄城根北街，东侧紧邻内科病房楼，北侧紧临外科病房楼。由于地处城市核心地带，周围交通比较繁忙、拥挤。
2.1需求背景
狭小的施工场地和拥挤的交通给测量工作带来极大的不便，视线阻挡、控制点破坏及压占、特殊部位布点及监测困难，都成为基坑监测亟待解决的问题。而常用的监测方法需要使用全站仪、水准仪等进行人工测量，一些难以避免的弊端便暴露出来。首先，常用的监测方法工作繁琐，耗时耗力，人为因素造成的误差甚至是错误难以避免。其次，由于监测需要，某些监测点不可避免的要设立在较为危险的位置，对于监测者本身有着一定的人身危险风险。其三，人工观测不可避免的会受到天气、现场实情等因素的局限，无法实现实时观测，使得监测数据存在一定的滞后性。其四，常用的监测方法只能由各个项目独立观测，不利于实现公司对所有项目的全面监测和整体把控。
2.2技术背景
全球卫星导航系统具备全天候连续提供全球高精度导航的能力，除了能满足运动载体高精度导航的需要外，还能服务于高精度大地测量、精密授时、交通运输管理、气象观测、载体姿态测量、国土安全防卫等多个领域。现今从军用的导弹、战机和军舰到民用的汽车、飞机、个人电脑乃至手持式通信设备，几乎处处都能用到卫星导航定位技术。GNSS加无线通信、变形监控软件、数据库管理软件、变形分析软件构成自动监测系统，可用于滑坡、大坝、大桥、高层建筑物变形监测。
本项目所研究的基于GNSS的自动化基坑变形监测方法，是利用GNSS信号接收元件，采取差分观测的方法接收GNSS定位信息，并将采集到的数据传输给主控站计算机。进而利用特定的解算软件，进行Kalman滤波解算，对解算后的数据进行显示及与阈值对比评估，并反馈于预警系统，预警系统做出自动化响应，达到实时监测、自动预警的效果。
3.1基于GNSS的自动化基坑变形监测系统组成
1）监测系统：监测系统即GNSS监测单元，目的是通过GNSS信号接收单元，接收卫星信号，获取定位信息。
图1 GNSS监测单元
2）数据传输系统：利用有线或者无线传输系统，实现GNSS监测单元与主控站数据处理及控制系统的连接及数据传输。
3）主控站系统：实时接收并处理监测系统采集的数据，并对原始数据进行解算、滤波处理，获取更加精确的定位数据，与预警阈值进行对比评估，发出预警指令。
图2 主控站解系统
4）预警系统：该单元主要指软件单元解算的数据超过某一阈值，或者监控系统发生突变时，以短信的方式或者在监控服务器上显示出预警信息。
图3 自动化预警系统
5）避雷系统：主要是应用避雷针和浪涌保护器保护设备的安全，避免雷电造成的经济损失和人员伤亡。
图4 避雷系统
6）视频系统：主要是在基坑周边安装视频，实现能够在办公室实时的监视基坑的安全，同时在基坑发生意外事故时能够第一时间掌握现场的情况，以便实施救援和制定措施。
7）太阳能供电系统：此供电方式包括三个部分：太阳能电池板、控制器和蓄电池。太阳能电池板把太阳能转化为电能同时给蓄电池充电，再运用蓄电池给系统供电，形成稳定的“储存-利用-再储存”的良性循环供电系统。
图5 太阳能供电系统
3.2基于GNSS的自动化基坑变形监测系统建造
1）GNSS监测单元的安装：依据建筑基坑变形监测的相关规程以及GNSS观测的注意事项，选取合适的GNSS监测点，安装GNSS监测单元。
2）太阳能供电系统的安装：安装太阳能电池板、控制器和蓄电池等，形成自动化供电系统。
3）避雷系统安装：根据现场实际需求，安装避雷针、优化针等避雷设施，并做好接地，保证设备及人员安全。
4）数据传输系统安装：安装有线电缆或者无线网络系统，实现主控站与监测系统、视频系统的连接及数据传输。
5）主控站设施安装：设立独立主控站空间，安装计算机等硬件设施及解算软件、预警系统等软件设备。
6）视频系统的安装：基坑周边根据需求安装摄像头，并在主控站计算机上安装配套的视频监控软件，实现基坑安全的实时监测。
基于GNSS的自动化基坑变形监测系统的优点：
1）可以实现自动化实时监测，节省人力、物力，使基坑监测更智能化、实时化。
2）基于此系统的全自动化特性，本项目可以实现对基坑的全方位、远程、实时监测，便于对基坑安全的整体把控，做到基坑安全“心中有数”。进而，可以将此系统向公司推广，实现公司对所有在建项目基坑的统一、远程、实时监测，实现基坑安全统一管理、全局把控，防患于未然。
3）实现完全的自动化监测，避免了传统人工监测带来的人为因素造成的误差，并且与人工监测相比，没有误差累积。
4）可以实现全天候、多时段、多天气环境下的监测，避免了人工监测在雨雪天气等无法作业的局限性。
5）对于一些相对较为危险的监测点，避免了人工监测的安全隐患。
6）该系统的实时性及预警系统的自动化，使得监测者在基坑变形超限时，能够及时的获取超限信息，做出应变响应，及时预防基坑安全事故的发生。
7）视频系统可以实时获取基坑周边状况，当基坑发生意外时，能够第一时间掌控现场状况，以便实施救援和制定决策。
8）此系统采用太阳能供电系统，实现“储存-利用-再储存”的良性循环模式，绿色节能。
基于GNSS的自动化基坑变形监测系统可以代替传统的人工基坑监测方式，有效的解决由于场地狭小、拥挤带来的视线阻挡、控制点压占及破坏、特殊监测点危险、天气限制等基坑监测难点，为基坑监测带来极大的便利。此外，该系统远程监测、自动化分析及自动化响应等特点，使基坑状况具有全局监测、整体把控、自动预警、及时响应等优势，给基坑安全事故的预防及应急提供了足够的时间及判断依据，为基坑安全监控，打造安全文明建筑工地，提供了先进的技术支持。
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