基于变形监测的深基坑支护结构动态预警方法及系统与流程

本发明涉及基坑支护结构预警，具体的说是一种基于变形监测的深基坑支护结构动态预警方法及系统。

背景技术：

1、深基坑工程是城市建设中的关键环节，其支护结构的稳定性直接关系到工程安全与周边环境。在复杂地质条件下，如存在喀斯特溶洞、软弱夹层或承压水层等突变地质体时，岩土体的力学性质和水文条件可能在较短时间内发生较大变化，对支护结构构成威胁。

2、目前，深基坑支护结构的变形监测主要采用以下技术手段：在支护结构上布设测斜仪、沉降观测点等传感器，以定时或较低频率采集变形数据；在数据分析方面，多采用阈值报警法，即当监测值超过预设的静态阈值时触发警报；在识别地质异常时，通常依据前期地质勘察报告和工程经验进行判断；在险情发生后，一般由工程师根据监测信息进行会商，再制定加固方案并组织施工。

3、上述现有技术方案在实际工程应用中存在以下不足：

4、第一，在响应及时性方面，采用定时低频采样和静态阈值判断的方式，对于地质突变前兆的微变形与微破裂信号较难有效捕捉，可能导致报警滞后于险情发展。

5、第二，在风险识别方面，由于可获取的监测数据类型相对有限，且缺乏对多源监测数据的综合研判手段，较难准确区分不同类型的地质异常（如喀斯特溶洞、软弱夹层、承压水层突涌等），也难以精确判定异常的空间影响范围。

6、第三，在决策与执行衔接方面，风险发生后的加固方案制定和参数确定主要依赖人工经验，从异常识别到措施执行的时间较长，且加固参数一旦确定后较难根据实时监测数据进行动态调整，加固效果的闭环验证存在一定困难。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能够实现地质突变早期识别、实时风险量化、分级自动响应及动态闭环调整的基于变形监测的深基坑支护结构动态预警方法及系统。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于变形监测的深基坑支护结构动态预警方法，包括以下步骤：

4、s1：在支护结构关键点位部署多模态传感器阵列，多模态传感器阵列包含倾角传感器、应变计、微震监测器和孔隙水压计，同步采集支护结构的变形量、内力变化、岩土体微破裂信号及地下水压数据；

5、s2：建立地质突变特征触发器，通过实时比对相邻传感器数据梯度差，当同一水平面内任意两传感器变形量差值超过阈值且微震能量在预设时间窗内的增幅超过预设百分比阈值时，立即激活局部强化监测模式，将受影响区域的采样频率提升至预设采样频率并启动三维激光扫描；

6、s3：构建时空特征矩阵并将时空特征矩阵输入经迁移学习优化的地质突变预测模型，地质突变预测模型基于卷积长短期记忆网络构建，通过包含喀斯特溶洞、软弱夹层、承压水层突涌三类地质突变样本的训练集预训练得到，实时输出地质异常类型概率及潜在失稳区域坐标；

7、s4：根据模型输出的地质异常类型启动分级响应机制：当识别为喀斯特溶洞时自动触发注浆加固决策，生成包含注浆孔位坐标、浆液扩散半径和压力阈值的施工参数；当识别为承压水层突涌时启动降水-支护联合调控，生成降水井启闭序列和支撑轴力补偿值；当识别为软弱夹层时自动触发结构加强决策，生成调整后的支护结构间距和轴力分布参数。

8、作为优选，本发明更进一步的技术方案是：

9、优选的，步骤s1中支护结构关键点位包括支撑结构的支座、接缝处、连接节点、主要受力部位、深基坑壁、围护墙、软弱层区域、基坑底部及围护结构周围的孔隙水压监测点；

10、倾角传感器部署在支撑结构的支座、接缝处及连接节点，用于监测支撑结构的倾斜变化；

11、应变计部署在支撑结构的主要受力部位，包括钢筋位置、梁柱连接节点、支撑脚及承压面，用于实时监测内力变化；

12、微震监测器部署在深基坑壁、围护墙及软弱层区域，用于检测岩土体微裂纹和破裂信号；

13、孔隙水压计部署在基坑底部或围护结构周围的孔隙水压监测点，用于监测地下水压的动态变化；

14、所有传感器通过无线传输模块连接至数据采集系统，实现数据的实时同步采集与传输。

15、优选的，s3中时空特征矩阵的构建过程包括，

16、对强化监测采集的多模态数据进行滤波降噪与归一化处理；

17、提取处理后的数据中时刻t、空间位置s对应的变形量、应力变化、微震能量变化及孔隙水压变化，整合为四维时空特征矩阵；

18、其中，的行维度对应时间序列，列维度对应空间点位序列，矩阵元素对应多模态监测参数的量化数值。

19、优选的，s3中地质突变预测模型具体为：

20、采用卷积长短期记忆网络convlstm构建的双分支融合模型，其中第一分支为卷积神经网络cnn模块，用于提取时空特征矩阵中变形量、应力变化、微震能量变化及孔隙水压变化的局部空间关联特征；第二分支为长短期记忆网络lstm模块，用于对时空特征矩阵的时间序列演化规律进行建模；

21、将cnn模块输出的空间特征图与lstm模块输出的时序特征向量进行拼接融合，输入至全连接层输出喀斯特溶洞、软弱夹层及承压水层突涌三类地质异常各自的发生概率。

22、优选的，地质突变预测模型的训练过程包括,

23、s301：初始化模型参数，加载同类地质区域历史监测数据训练的预训练模型权重作为初始卷积核权重和偏置项；

24、s302：将标注有真实地质异常标签的历史时空特征矩阵作为输入，通过特征映射函数进行前向传播，输出预测概率;

25、s303：采用交叉熵损失函数计算预测值与真实值的误差，其中为训练样本总数；

26、s304：通过反向传播算法迭代更新卷积核权重和偏置项，直至损失函数收敛至预设阈值以下，完成模型训练。

27、优选的，s3中潜在失稳区域坐标通过以下方式标定，基于训练完成的地质突变预测模型输出的三类地质异常发生概率，结合预先标定的各类异常空间影响权重因子，通过公式计算各空间位置的失稳概率，将最大值对应的空间位置坐标标记为潜在失稳区域坐标。

28、优选的，步骤s4中分级响应机制的具体实现过程包括,

29、喀斯特溶洞响应子机制,当模型输出的喀斯特溶洞异常概率大于预设概率阈值时，系统调取潜在失稳区域坐标处的地质勘察资料，根据地层渗透系数k的数值范围选定注浆材料：若≥10-4cm/s，选用水泥浆，若<10-4cm/s，选用化学浆；并根据实时监测的浆液扩散半径与目标扩散半径的差值动态调整注浆流量，直至的绝对值小于预设容差；

30、承压水层突涌响应子机制,当模型输出的承压水层突涌异常概率大于预设概率阈值时，系统生成降水井启闭序列和支撑轴力补偿值；根据实时监测的水涌流量设定降水速度，满足关系式，其中,为大于1的安全系数；根据水位波动幅度设定水位监控频率，当>0.5m时，设定为1次/分钟，当≤0.5m时，设定为1次/10分钟；

31、软弱夹层响应子机制,当模型输出的软弱夹层异常概率大于预设概率阈值时，系统生成调整后的支护结构间距和轴力分布参数；设定支护间距调整量与变形量满足关系式，其中,为正系数，设定轴力补偿值与内力变化量满足关系式，其中,为正系数，以抵消软弱夹层的剪切滑移趋势。

32、优选的，还包括s5：根据分级响应机制的触发条件，实施相应的加固和应急措施，在加固措施实施过程中，多模态传感器阵列持续实时采集微震信号、变形量和孔隙水压数据并反馈至控制系统，控制系统根据反馈数据动态验证加固效果并迭代优化施工参数，直至地质异常区域的状态满足稳定判定条件。

33、优选的，根据反馈数据动态验证加固效果并迭代优化施工参数的具体过程包括，

34、s501：实时获取反馈数据中的微震能量、浆液扩散半径、降水流量、水位变化速度、变形量及内力变化；

35、s502：根据当前触发的地质异常类型匹配对应的动态调整算法，

36、若当前为喀斯特溶洞注浆场景，则按公式，动态调整注浆压力，其中，为岩土体力学特性相关常数；为浆液流动阻力衰减因子；

37、若当前为承压水层突涌场景，则按公式，动态调整支撑轴力，其中，为支护结构刚度相关常数，为水力扰动影响非线性因子；

38、若当前为软弱夹层场景，则按公式，动态调整支护间距,并按公式,动态调整支撑轴力，其中,、为结构几何特性相关常数，为内力变化敏感度因子;

39、s503：将调整后的施工参数下发至执行机构，并实时监测参数调整后的微震能量及变形量变化趋势，当监测到微震能量超过预设安全限值或变形量超过预设警戒值时，系统自动暂停当前加固作业并发出告警，待监测数据回归安全区间后恢复施工，直至各项监测数据连续预设时长内处于稳定阈值范围内。

40、一种基于变形监测的深基坑支护结构动态预警系统，用以执行基于变形监测的深基坑支护结构动态预警方法，包括，

41、多模态传感器阵列，包含倾角传感器、应变计、微震监测器和孔隙水压计；倾角传感器部署在支撑结构的支座、接缝处及连接节点，用于采集支护结构的倾斜变形量；应变计部署在支撑结构的主要受力部位，包括钢筋位置、梁柱连接节点、支撑脚及承压面，用于采集支护结构的内力变化；微震监测器部署在深基坑壁、围护墙及软弱层区域，用于采集岩土体微破裂信号；孔隙水压计部署在基坑底部或围护结构周围的孔隙水压监测点，用于采集地下水压数据；

42、数据采集与传输模块，连接多模态传感器阵列中各传感器，通过无线传输方式实现多模态数据的实时同步采集与传输；

43、地质突变特征触发模块，用于实时比对相邻传感器数据梯度差，当同一水平面内任意两传感器变形量差值超过阈值且微震能量在预设时间窗内的增幅超过预设百分比阈值时，激活局部强化监测模式，将受影响区域的采样频率提升至预设采样频率并启动三维激光扫描；

44、时空耦合分析模块，用于将各传感器采集的多模态数据融合为时空特征矩阵，输入经迁移学习优化的地质突变预测模型，地质突变预测模型基于卷积长短期记忆网络构建，通过包含喀斯特溶洞、软弱夹层、承压水层突涌三类地质突变样本的训练集预训练得到，实时输出地质异常类型概率及潜在失稳区域坐标；

45、分级响应决策模块，用于根据地质突变预测模型输出的地质异常类型启动分级响应机制：当识别为喀斯特溶洞时自动触发注浆加固决策，生成包含注浆孔位坐标、浆液扩散半径和压力阈值的施工参数；当识别为承压水层突涌时启动降水-支护联合调控，生成降水井启闭序列和支撑轴力补偿值；当识别为软弱夹层时自动触发结构加强决策，生成调整后的支护结构间距和轴力分布参数；

46、动态反馈优化模块，用于在加固措施实施过程中，根据多模态传感器阵列实时反馈的监测数据动态验证加固效果并迭代优化施工参数，直至地质异常区域的状态满足稳定判定条件。

47、采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

48、本发明通过多模态传感器阵列的同步采集与地质突变特征触发器的即时响应，有效提升了复杂地质条件下基坑工程响应及时性。当变形梯度异常与微震信号骤增时，系统自动激活强化监测模式，并利用三维激光扫描进行空间补强，显著提升了地质突变早期识别的时效性与灵敏度，为后续分析决策赢得了更充裕的时间窗口。基于时空耦合分析模型与迁移学习优化的地质突变预测模型，本发明实现了对喀斯特溶洞、软弱夹层、承压水层突涌等典型地质异常的识别与定位。该模型融合变形、内力、微震及水压等多维时空数据，实时输出异常类型概率及潜在失稳区域坐标，将传统经验判断转变为数据驱动的智能化预测，提高了风险判定的科学性与准确性。

49、同时，本发明将分级响应机制与加固措施动态调整紧密耦合，实现从智能诊断到执行的闭环联动。系统依据时空耦合模型输出的地质异常类型与坐标，自动启动匹配的注浆、降水或支护结构调整预案，并在此过程中，根据实时反馈的微震能量、水位变化、结构变形等多模态监测数据，动态计算并优化注浆压力、支撑轴力等关键施工参数。这不仅实现了针对性响应，更通过参数的自适应调整使加固措施能够在实施过程中与动态变化的地质及结构状态保持匹配，从而提升了在复杂地质突变条件下支护体系加固的及时性、适应性与可控性。