地下工程施工和運(yùn)營期監(jiān)測的研究與應(yīng)用進(jìn)展

沈杰　嚴(yán)小亮

【摘 要】本文結(jié)合地下工程的施工特點(diǎn)，闡述地下工程監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及地下工程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用理論，介紹地下工程監(jiān)測系統(tǒng)的新技術(shù)類型，提出地下工程監(jiān)測系統(tǒng)及技術(shù)的未來發(fā)展中要全面實(shí)現(xiàn)可視化管理，施工期的環(huán)境要實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化及智能化監(jiān)測，相關(guān)研究人員要敢于突破傳統(tǒng)的信息化反饋監(jiān)測技術(shù)，將新型的計(jì)算機(jī)智能技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測當(dāng)中，徹底解決傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測精度不高的問題。

【關(guān)鍵詞】地下工程 監(jiān)測系統(tǒng) 運(yùn)營期 施工人員 應(yīng)用進(jìn)展

【中圖分類號】G 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）04C-0191-02

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市地下空間的總體規(guī)模和總量即將位居世界首位，部分規(guī)模較龐大的地下工程和基礎(chǔ)設(shè)施正在投建當(dāng)中，受到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。然而從實(shí)際的施工進(jìn)程來看，地下工程的施工周期較長，運(yùn)用的施工技術(shù)也較為復(fù)雜，不可預(yù)見的施工風(fēng)險(xiǎn)較多，可以說具有一定的施工難度。更重要的是，在施工期間會涉及開挖巖土體等風(fēng)險(xiǎn)較大工作，需要施工人員控制施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，在地下工程的施工當(dāng)中，施工人員必須利用監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)地獲取工程結(jié)構(gòu)和施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化信息，提高施工的安全性。

一、地下工程的施工特點(diǎn)

區(qū)別于一般的地面工程建設(shè)，地下工程具有建設(shè)周期長、建設(shè)技術(shù)較為復(fù)雜以及工程繁多等建設(shè)特點(diǎn)?？傮w來說，地下工程的施工特點(diǎn)一般可劃分為以下幾點(diǎn)：

其一，投資巨大，建設(shè)周期較長。地下工程是一項(xiàng)龐大的工程建設(shè)項(xiàng)目，需要涉及多個(gè)工種、多個(gè)施工部門，且對施工技術(shù)的要求較高，因此地下工程項(xiàng)目的前期投資力度較大，需要高額的建設(shè)成本。另外，地下工程的建設(shè)需要進(jìn)行多方面的策劃，保證實(shí)施施工的安全性以及實(shí)際運(yùn)行的安全性，建成之后需要進(jìn)行反復(fù)地試行，確定準(zhǔn)確無誤后才可以使用，因此地下工程的建設(shè)周期較長。

其二，系統(tǒng)涉及的專業(yè)繁雜、各個(gè)工程接口之間較為復(fù)雜。建設(shè)地下工程需要工作人員綜合性地考慮實(shí)際可施的策劃方案，且需要綜合性地考慮策劃、建設(shè)、運(yùn)營以及資源利用等環(huán)節(jié)之間的有效性聯(lián)系。項(xiàng)目管理所涉及的管理要素也是具有一定的復(fù)雜性，它不僅需要綜合性地考慮城市規(guī)劃、環(huán)保以及交通等部門之間的關(guān)系，還要盡可能地對其進(jìn)行有效的協(xié)調(diào)。總體來說，管理的協(xié)調(diào)難度較大且工作環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，會增加施工人員的監(jiān)測難度。

二、地下工程監(jiān)測技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

在地下工程監(jiān)測技術(shù)的研究方面，除了一些比較常見的監(jiān)測技術(shù)，研究人員又進(jìn)一步地對施工過程高低收縮混凝土和徐變特性展開了細(xì)致的監(jiān)測，積極地引用了智能材料，如鈦合金鉛、光纖等材料，極大程度上開創(chuàng)了監(jiān)測的新局面。另外，近年來部分研究人員采用聚偏二氟乙烯壓力膜的無線傳感系統(tǒng)，監(jiān)測地下工程的施工環(huán)境，并可以有效地監(jiān)測出工程主體結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的張力及動(dòng)力響應(yīng)程度。最重要的是，研究的新型地下工程監(jiān)測技術(shù)可以對地下工程大體積混凝土的澆筑溫度進(jìn)行全方位的掌握及控制，施工人員可以結(jié)合具體的溫度監(jiān)測結(jié)果，對施工工藝進(jìn)行合理的調(diào)整，進(jìn)而降低混凝土的溫度值和預(yù)應(yīng)力的大小，避免混凝土結(jié)構(gòu)的表面出現(xiàn)裂縫的情況。

在地下工程監(jiān)測技術(shù)的具體應(yīng)用方面，施工人員利用各種監(jiān)測技術(shù)可以對地下工程的結(jié)構(gòu)狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行有效的分析，并進(jìn)行反饋施工。如利用地下工程監(jiān)測技術(shù)中的微震技術(shù)可以對巖體結(jié)構(gòu)的受力破壞過程進(jìn)行全方位的監(jiān)測，避免出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)；利用地震監(jiān)測技術(shù)可以有效地監(jiān)測隧道工程施工中的地質(zhì)災(zāi)害以及支護(hù)結(jié)構(gòu)體的損傷情況，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的施工風(fēng)險(xiǎn)，能夠進(jìn)一步地為邊坡工程提供相應(yīng)的安全保障。雖然從一定程度上來說，地下工程監(jiān)測技術(shù)的出現(xiàn)，為施工過程提供了較大的安全保障，也有效提升了施工人員的工作效率，但是從實(shí)際的應(yīng)用來看，相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)會受到施工環(huán)境的制約，部分技術(shù)無法進(jìn)行有效的應(yīng)用，仍舊需要研究人員不斷地對其進(jìn)行完善和開發(fā)，進(jìn)一步地確保施工的安全性。

三、地下工程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用理論

（一）施工期監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)布置情況

目前來看，地下工程的監(jiān)測系統(tǒng)和相關(guān)的技術(shù)主要監(jiān)測的對象就是施工期項(xiàng)目及測點(diǎn)布置。一般而言，對施工期項(xiàng)目實(shí)施監(jiān)測主要是為了確保地下工程的施工安全。且施工期地下工程的監(jiān)測項(xiàng)目主要包括對主體的監(jiān)測、對工程內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測以及對周圍施工環(huán)境的監(jiān)測。另外，施工人員對施工期監(jiān)測測點(diǎn)的布置通常是需要根據(jù)地下工程的建設(shè)規(guī)范進(jìn)行布置，或者采用三維數(shù)值的計(jì)算方法優(yōu)化對其的布置水平。在此監(jiān)測的過程中，施工人員需要事先模擬計(jì)算出地下工程的施工結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的位移、應(yīng)力等方面的分布情況，優(yōu)化傳感器的布置。

（二）施工期監(jiān)測的安全控制指標(biāo)

地下工程施工期檢測的安全控制指標(biāo)，主要是指對施工期間的監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)定相應(yīng)的報(bào)警值，一旦超過規(guī)定范圍的數(shù)值時(shí)，即表示工程的主體結(jié)構(gòu)或者施工環(huán)境周圍存在著施工風(fēng)險(xiǎn)，施工人員應(yīng)該立即終止施工。從目前的應(yīng)用來看，在地下工程的監(jiān)測中，所使用的安全控制指標(biāo)包括允許傾斜量、允許應(yīng)力等方面的指標(biāo)要求。一般來說，地下工程中的基坑工程會選擇把監(jiān)測項(xiàng)目累計(jì)的變化情況及速率值作為安全控制指標(biāo)。然而，國內(nèi)施工期監(jiān)測的安全控制指標(biāo)較缺乏合理性，在某些風(fēng)險(xiǎn)較高的地下工程中，取值較松，而在部分工程中取值較嚴(yán)，需要研究人員予以及時(shí)的解決。

（三）運(yùn)營期監(jiān)測系統(tǒng)及布點(diǎn)設(shè)置情況

地下工程運(yùn)營期監(jiān)測主要是指對工程主體結(jié)構(gòu)在投入使用后的情況進(jìn)行監(jiān)測，大體上屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的范疇。大多數(shù)工作人員在做此項(xiàng)監(jiān)測工作的時(shí)候，都會選擇使用預(yù)埋傳感器或者無損傳感計(jì)技術(shù)獲取結(jié)構(gòu)的內(nèi)部信息，具體對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的系統(tǒng)特性進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)是否發(fā)生損傷或者退化的情況。更重要的是，運(yùn)營期的監(jiān)測系統(tǒng)可以對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、加速度以及腐蝕性能等多方面的因素進(jìn)行全面的分析，評定結(jié)構(gòu)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)。另外，運(yùn)營期的測點(diǎn)布置存在著多個(gè)自由度如何布置多個(gè)測點(diǎn)優(yōu)化的問題（測點(diǎn)的數(shù)量<自由度的數(shù)量），工作人員可以結(jié)合當(dāng)前研發(fā)出來的優(yōu)化方法，如有效獨(dú)立法、遺傳算法等方法，優(yōu)化布點(diǎn)的設(shè)置。

四、當(dāng)前地下工程監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用的新型技術(shù)

（一）運(yùn)營期的健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)

運(yùn)營期的健康監(jiān)測技術(shù)屬于新型的監(jiān)測技術(shù)類型，能夠有效地對施工材料的結(jié)構(gòu)性能加以評定，避免出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)。一般來說，健康監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)主要包括幾下幾種類型：

其一，光纖光柵傳感器。從具體的應(yīng)用效果來看，光纖光柵傳感器具有測試精度高、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕性較高及耐久性較好等諸多應(yīng)用優(yōu)勢，儼然已經(jīng)成為當(dāng)前地下工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要測試技術(shù)。另外，光纖光柵傳感器除了可以監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變力外，還可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)表面動(dòng)力荷載、剪切力等擾動(dòng)力，能夠有效地保證主體結(jié)構(gòu)的安全。

其二，光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)。同樣是利用光纖技術(shù)研發(fā)出來的監(jiān)測技術(shù)，主要包括光纖傳感系統(tǒng)、信號傳輸與采集以及數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測系統(tǒng)等三部分系統(tǒng)構(gòu)成。一般來說，施工人員通過利用光纖智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對地下工程施工現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測的要求，進(jìn)一步地確保施工的安全性。

（二）施工期的監(jiān)測控制系統(tǒng)技術(shù)

其一，基于4D BIM施工過程的監(jiān)測系統(tǒng)。一般來說，基于4D BIM施工過程的監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地追蹤和分析施工的實(shí)際進(jìn)度和工況，是項(xiàng)目監(jiān)控的重要部分。目前關(guān)于4D BIM施工過程的監(jiān)測主要體現(xiàn)于對施工自動(dòng)化進(jìn)程的監(jiān)控，如利用該系統(tǒng)技術(shù)，可以對已施工的點(diǎn)云模型進(jìn)行自動(dòng)登記，可以將照片完整的存于該系統(tǒng)當(dāng)中，便于施工人員明確施工的實(shí)際情況，確保工程的安全性。

其二，智能傳感監(jiān)測系統(tǒng)。智能傳感器與傳統(tǒng)的傳感器具有較大的區(qū)別，其具有高強(qiáng)度的通信能力和數(shù)據(jù)處理能力，便于采集和分析施工數(shù)據(jù)。雖然該項(xiàng)新型技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用，但是其的固定模塊化程度較低，實(shí)際應(yīng)用起來較有難度。

五、關(guān)于對地下工程監(jiān)測工作的未來展望

從目前的發(fā)展來看，地下工程逐漸向著超規(guī)?；⒕C合化的方向中發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)城市交通與城市間交通的地下化的互聯(lián)互通的要求。然而從一定程度上來說，這也表明施工環(huán)境會向著更加復(fù)雜化的環(huán)境中發(fā)展，因此在未來的施工工作中，施工期會對監(jiān)測控制工作提出更高的要求。結(jié)合上述的相關(guān)內(nèi)容，筆者認(rèn)為地下工程監(jiān)測系統(tǒng)及技術(shù)的發(fā)展趨勢可具體概括為以下幾點(diǎn)：其一，基于施工風(fēng)險(xiǎn)總體管理的需求，要求監(jiān)測系統(tǒng)及技術(shù)要實(shí)現(xiàn)全面信息化和數(shù)字化的要求，也就是說全面實(shí)現(xiàn)可視化的管理要求。其二，基于施工環(huán)境的發(fā)展需求，要求對施工期的環(huán)境實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化及智能化的監(jiān)測要求。其三，基于預(yù)測施工風(fēng)險(xiǎn)的管理需求，要求相關(guān)研究人員要敢于突破傳統(tǒng)的信息化反饋監(jiān)測技術(shù)，將新型的計(jì)算機(jī)智能技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測當(dāng)中，如3D激光掃描技術(shù)、FEM技術(shù)等，徹底解決傳統(tǒng)技術(shù)監(jiān)測精度不高的問題。

綜上所述，地下工程的施工周期較長且施工難度較大，在實(shí)際施工的過程中易出現(xiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)。為此，相關(guān)人員必須全面地掌握和了解地下工程監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并將其積極地應(yīng)用于地下工程的施工當(dāng)中。希望相關(guān)人員可以結(jié)合筆者闡述的地下工程監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢及當(dāng)前所面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步地完善監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

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【作者簡介】沈 杰（1984— ），男，甘肅天水人，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，研究方向：隧道及城軌地下工程的施工與維護(hù)；嚴(yán)小亮（1983— ），男，廣西玉林人，柳州城市職業(yè)學(xué)院助理講師，工程師，研究方向：暖通等建筑設(shè)備的設(shè)計(jì)及施工等。

（責(zé)編 王 一）