地面沉降智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

胡秋生，王小明，盧佳

摘 要：土木工程施工過(guò)程如何做到施工界面地面沉降安全監(jiān)控一直都是一大技術(shù)難題，目前已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用的地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)主要還主要采用預(yù)埋沉降傳感器或者水準(zhǔn)測(cè)試，但該種監(jiān)控方法還存有不足之處，原因在于該種監(jiān)控方法無(wú)法做到定量化監(jiān)控、預(yù)警性監(jiān)控。針對(duì)土木工程施工過(guò)程中的地面沉降監(jiān)控手段的不足，本文提出利用水杯式智能地面沉降監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)施工界面地面沉降進(jìn)行定量化監(jiān)控分析，并作出預(yù)警判斷。實(shí)踐表明，該方法可對(duì)施工界面地面沉降進(jìn)行定量化監(jiān)控分析，并作出預(yù)警判斷，保障施工安全性、精確性。

關(guān)鍵詞：土木工程施工；地面沉降監(jiān)控；安全預(yù)警系統(tǒng)；精確性

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國(guó)大規(guī)模基建項(xiàng)目投入也不斷增加，但是土木工程基建過(guò)程中，特別是像道路、橋梁施工過(guò)程中如何避免施工界面發(fā)生不均勻沉降，以及對(duì)施工界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證施工過(guò)程精確性與安全性，一直是一大技術(shù)難題。目前，我國(guó)對(duì)地面沉降的實(shí)時(shí)監(jiān)控還停留在埋設(shè)沉降感應(yīng)器以及實(shí)時(shí)測(cè)量校準(zhǔn)的傳統(tǒng)手段，但這些方法只能做到對(duì)地面施工狀況的反映，無(wú)法起到定量化監(jiān)控以及安全預(yù)警的作用。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了在道路與鐵道工程等施工過(guò)程中定量化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，通過(guò)采用杯式地面沉降感應(yīng)器對(duì)地面沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦出現(xiàn)地面沉降達(dá)到該種施工界面下安全閥值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)，保障施工安全以及施工界面的精確性。

本文旨在提出一種地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是以施工界面地面沉降為實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)象，通過(guò)傳感器傳感裝置將地面沉降數(shù)據(jù)及時(shí)收集且保存；與此同時(shí)，傳感裝置通過(guò)無(wú)線傳輸裝置將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)在接收到傳感器傳輸來(lái)的信息后自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并將實(shí)際發(fā)生的地面沉降數(shù)據(jù)與已經(jīng)設(shè)定好的安全閥值作對(duì)比，只要地面沉降達(dá)到安全閥值時(shí)，計(jì)算機(jī)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，提醒施工進(jìn)行調(diào)整，想地鐵等地下工程施工時(shí)，嚴(yán)重情況下還會(huì)提醒施工人員撤離。本技術(shù)可以用于地面沉降施工系統(tǒng)的智能監(jiān)控，并且對(duì)原有的技術(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使施工定量化監(jiān)控并且操作更加便捷，及時(shí)監(jiān)控施工結(jié)構(gòu)安全性、精確性，有效的降低施工監(jiān)理造價(jià)。

1 應(yīng)用前景分析

我國(guó)土木工程工程項(xiàng)目較多，特別是像道路工程以及城市軌道工程。在這些工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，地面沉降一直施工過(guò)程中重要控制因素，但是目前的控制技術(shù)未能與無(wú)線傳感技術(shù)以及無(wú)線傳輸技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用。一方面監(jiān)控過(guò)程中人力成本投資大，工程造價(jià)投資高。另一方面，傳統(tǒng)監(jiān)控方式也無(wú)法做到預(yù)警監(jiān)控，定量化監(jiān)控，尚存在很多不足之處，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)。

三角杯式地面沉降監(jiān)控器可以彌補(bǔ)既存地面沉降監(jiān)控技術(shù)的不足，使用該種地面沉降監(jiān)控技術(shù)，可以做到對(duì)地面沉降數(shù)據(jù)的及時(shí)采集、處理。進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)定量化監(jiān)控以及預(yù)警性監(jiān)控。當(dāng)?shù)孛娉两禂?shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定好的安全閥值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警報(bào)系統(tǒng)，通知技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整，保證施工質(zhì)量；特別是在地鐵施工過(guò)程中，地面沉降還有可能進(jìn)而引起承重結(jié)構(gòu)發(fā)生受力不均勻的結(jié)果，進(jìn)而造成施工安全隱患。

該種頂面沉降監(jiān)控技術(shù)巧妙集傳感技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)以及計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)于一身，成功通過(guò)實(shí)踐測(cè)試。在土木工程施工過(guò)程中，有很強(qiáng)的的實(shí)用性以及應(yīng)用前景。

2 技術(shù)原理

2.1 地面沉降實(shí)時(shí)監(jiān)控原理

地面沉降傳感系統(tǒng)，采用水杯式地面沉降傳感器。當(dāng)?shù)孛娉两蛋l(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)水杯中水位發(fā)生變化，水杯內(nèi)側(cè)帖附壓敏感應(yīng)膜，并且從水杯底部到頂部有不同級(jí)別的靈敏系數(shù)，這就成功使得地面沉降信號(hào)，轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)傳感裝置，將壓力信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)。進(jìn)行地面沉降分析。實(shí)物模擬圖如圖2.1。

圖2.1 杯式地面沉降感應(yīng)器

2.2 計(jì)算機(jī)分析處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)有限元軟件，綜合考慮地鐵施工系統(tǒng)條件，啟用設(shè)定好的計(jì)算機(jī)程序，針對(duì)杯式感應(yīng)片引入安全系數(shù)，合理設(shè)置預(yù)警閥值。在施工過(guò)程中，當(dāng)?shù)孛娉两禂?shù)據(jù)達(dá)到安全閥值時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警開關(guān)。

具體程序開發(fā)基于visual studio C++ 2012版程序開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)處理系統(tǒng)的要求進(jìn)行分析，基于該平臺(tái)，進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并順利通過(guò)運(yùn)行測(cè)試，將該計(jì)算機(jī)程序應(yīng)用于計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，時(shí)刻準(zhǔn)備預(yù)警的效果。

本論文涉及的土木工程施工地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降數(shù)據(jù)。傳感器模塊包括三個(gè)子模塊以及電源結(jié)構(gòu)，三個(gè)子系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)放大子系統(tǒng)以及無(wú)線電傳輸子系統(tǒng)；；當(dāng)路面沉降發(fā)生變化時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及時(shí)收集變量數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)放大器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，并最終通過(guò)無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并且將接受到的結(jié)果與已經(jīng)設(shè)置好的安全閥值進(jìn)行比對(duì)，如果測(cè)量值達(dá)到設(shè)定好的安全閥值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。

3 安裝測(cè)試與工程應(yīng)用

3.1 安裝測(cè)試

杯式地面沉降感應(yīng)系統(tǒng)也可以做到對(duì)地面沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)地面沉降 水位變化 應(yīng)力變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

傳感系統(tǒng)將采集到的地面沉降實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸傳輸給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，并于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)之前設(shè)置好閥值作對(duì)比。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)值達(dá)到該種該種施工情況下許用沉降極限值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)提醒施工人員調(diào)整施工狀況，緊急情況是通知施工人員撤離，保證施工安全性、精確性。

以上技術(shù)已經(jīng)通過(guò)實(shí)踐模擬測(cè)試，可以有效測(cè)試施工過(guò)程中地面沉降的實(shí)時(shí)數(shù)值，并成功傳輸給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)通過(guò)已經(jīng)設(shè)定程序?qū)鬏攣?lái)的數(shù)據(jù)處理對(duì)比，當(dāng)處理后的數(shù)據(jù)達(dá)到安全閥值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)，若未達(dá)到安全閥值，則繼續(xù)正常監(jiān)控，不會(huì)啟動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)。

3.2 工程應(yīng)用

浙江省杭州市某地下工程在施工過(guò)程中采用該種地面沉降監(jiān)控儀器，通過(guò)將該種智能監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用于施工過(guò)程后，可以有效監(jiān)控地面實(shí)時(shí)沉降變化，并結(jié)合計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋處理作出預(yù)警處理。實(shí)踐證明，該種地面沉降智能監(jiān)控設(shè)備可以有效監(jiān)控、預(yù)警地面沉降。建議在地下工程施工應(yīng)用過(guò)程中繼續(xù)做進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

4 小結(jié)

（1）本技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了在地下結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的地面沉降監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集承重結(jié)構(gòu)以及地面數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳送給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)做出處理分析，有效做到了安全預(yù)警。

（2）本技術(shù)采用了無(wú)線傳輸系統(tǒng)，包括無(wú)線無(wú)感、無(wú)線傳輸?shù)?，使得該技術(shù)的應(yīng)用以及操作更加便捷，與此同時(shí)，降低了成本。

（3）本技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地面沉降無(wú)損動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可以做到有效監(jiān)控施工動(dòng)態(tài)的同時(shí)并且與工程同步推進(jìn)，不會(huì)影響工程施工進(jìn)度。是未來(lái)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)施工監(jiān)測(cè)以及安全施工保障的新方向。

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作者簡(jiǎn)介

胡秋生（1991-），男，安徽宿州人，工作單位：重慶交通大學(xué)， 主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。

王小明（1991-），男，重慶長(zhǎng)壽人，工作單位：重慶交通大學(xué)主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。

盧佳（1991-），男，安徽安慶人，工作單位：重慶交通大學(xué)主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。