智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵工程中的應(yīng)用探索

文｜毛志軼

一、引言

在地鐵基坑開(kāi)挖過(guò)程中，周?chē)馏w內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)變化復(fù)雜，并且隨著開(kāi)挖深度增加對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)物的土壓力逐漸增大，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)物整體位移，或局部變形等。另一方面，深層土體也會(huì)隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形而產(chǎn)生水平位移，從而引起地面產(chǎn)生不均勻沉降，造成周?chē)ㄖ锏某两?、傾斜或開(kāi)裂等。

地鐵基坑施工過(guò)程中，對(duì)土體和地下連續(xù)墻深層水平的監(jiān)測(cè)通常采用測(cè)斜儀，對(duì)建筑物的監(jiān)測(cè)主要采用工程測(cè)量法，在建筑物表面布設(shè)測(cè)點(diǎn)，利用全站儀、水準(zhǔn)儀觀測(cè)建筑物的水平位移和沉降。傳統(tǒng)方法人為操作因素影響較大，耗時(shí)費(fèi)力，大都無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)且效率較低。

隨著信息通訊、智能計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化，數(shù)字化，智能化已經(jīng)成為可能。本文針對(duì)南京地鐵七號(hào)線(xiàn)螺塘街站、高廟路站基坑地下連續(xù)墻及周邊建筑物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，以達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析上傳，遠(yuǎn)程控制，提前預(yù)警等目標(biāo)。

二、基本工作模式

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括一根全向?qū)崟r(shí)位移管（全向管）和一組建筑物空間姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)盒（見(jiàn)圖1）。該系統(tǒng)利用移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到云端后臺(tái)，計(jì)算結(jié)果直接傳送至用戶(hù)（見(jiàn)圖2），無(wú)需任何附屬設(shè)備。

全向管是針對(duì)工程中的支擋圍護(hù)結(jié)構(gòu)物變形監(jiān)測(cè)開(kāi)發(fā)的可串聯(lián)式棒狀傳感器。在基坑工程中主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)物和土體的深層水平位移監(jiān)測(cè)。（見(jiàn)圖3）

全向管可以根據(jù)結(jié)構(gòu)物高度自由拼接，使用方便靈活，其主要特點(diǎn)包括：

施工簡(jiǎn)便成本低。無(wú)需測(cè)斜管，無(wú)需測(cè)斜儀操作人員，安裝簡(jiǎn)便；

實(shí)時(shí)連續(xù)。每秒可監(jiān)測(cè)50次以上，續(xù)反映被監(jiān)測(cè)物體指定方向上的位移量，為施工安全提供量化指標(biāo)；

圖1 基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布點(diǎn)示意圖

圖2 基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

圖3 全向?qū)崟r(shí)位移管

測(cè)量精度高。由KALMAN的過(guò)濾功能，能即時(shí)、自動(dòng)、演算修正之坐標(biāo)系的相對(duì)正確位置，反映被測(cè)物體對(duì)大地坐標(biāo)系中的真實(shí)三維位移量（而傳統(tǒng)的測(cè)斜設(shè)備最大缺點(diǎn)是需預(yù)先假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，才能確定側(cè)斜管的導(dǎo)槽安裝方向）；

安全警告功能。由于裝有3軸加速儀，有些微小的局部變化可以比傳統(tǒng)側(cè)斜管在更短得時(shí)間內(nèi)被反應(yīng)并傳遞到業(yè)主終端。

全向管的核心是STRDAL專(zhuān)利傳感器智能顆粒，專(zhuān)利號(hào)CN103850153A（見(jiàn)圖4），智能顆粒能夠?qū)崟r(shí)采集加速度、轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)利用卡爾曼過(guò)濾（Kalman）算法，得到全向管所在監(jiān)測(cè)段的高精度位移數(shù)據(jù)。再將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與支撐軸力和墻后土壓力相結(jié)合，采用STRDAL專(zhuān)利算法（基于軟硬件實(shí)時(shí)交互得算法CN 105677983 A）即可計(jì)算出地下連續(xù)墻全深度的深層水平位移。

表1 全向管性能參數(shù)表

圖4 智能顆粒及便攜接收器

表2 建筑基坑工程儀器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目表

三、地鐵工程中的預(yù)期使用范圍

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50497-2009）的規(guī)定，基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示。目前智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)圍護(hù)墻深層水平位移，土體深層水平位移，周?chē)ㄖ镒冃危ㄘQ向位移、傾斜、水平位移）等的智能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

四、圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)總結(jié)

在南京地鐵七號(hào)線(xiàn)螺塘街站成功搭建地下連續(xù)墻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋高精度傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能運(yùn)算和人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域，按功能可劃分為5個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和圖形界面系統(tǒng)。

從系統(tǒng)安裝完成以來(lái)始終處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，獲得大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖5）。通過(guò)比較全向管和附近測(cè)斜管連續(xù)4天（2017年12月4日到2017年12月7日）的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出墻體最大水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差約2-3mm，考慮到兩種方法所監(jiān)測(cè)墻體位置的距離，可以認(rèn)為兩種監(jiān)測(cè)手段精度相近。

圖6為連續(xù)10天地下連續(xù)墻最大位移連續(xù)變化圖。從圖中可以看出，在每日接近中午的時(shí)段墻體最大水平減小，隨后又增大。首次監(jiān)測(cè)出一天時(shí)間內(nèi)墻體水平位移的變化趨勢(shì)，并發(fā)現(xiàn)墻體隨時(shí)間的變化規(guī)律充分體現(xiàn)出全向管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

圖5 監(jiān)測(cè)位移和相鄰側(cè)斜管比較

圖6 地下連續(xù)墻最大位移連續(xù)10天變化圖

目前該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)全向高精度監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)平面不限于墻體的垂面與平行面；實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，無(wú)需人工操作；突變預(yù)警，通過(guò)加速度監(jiān)測(cè)對(duì)突發(fā)大位移提前預(yù)警，幫助及時(shí)調(diào)整施工方案；無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能化處理，使相關(guān)人員隨時(shí)隨地獲取簡(jiǎn)潔明了的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法中存在的不實(shí)時(shí)、效率低等問(wèn)題。

五、地鐵基坑周邊建筑物變形監(jiān)測(cè)總結(jié)

在南京地鐵七號(hào)線(xiàn)高廟路站基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)基坑附近建筑物南京外國(guó)語(yǔ)中學(xué)報(bào)告廳進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖1所示，在報(bào)告廳樓頂?shù)乃慕欠謩e安裝了建筑物運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)監(jiān)測(cè)盒，采集大量數(shù)據(jù)。如表3所示，為2018年7月10日到2018年7月15日平均值。從表中可以看出，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中建筑物只產(chǎn)生微小的位移和傾斜，位移均在1mm以?xún)?nèi)，傾角不超過(guò)0.02rad，均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

六、未來(lái)的研發(fā)方向

未來(lái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將更加自動(dòng)化、智能化。能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析，自動(dòng)判斷，預(yù)測(cè)預(yù)警。并且未來(lái)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目將更加豐富，隨著理論的進(jìn)步系統(tǒng)中除包含現(xiàn)行規(guī)范要求監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外，還將出現(xiàn)更多新的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，提高監(jiān)測(cè)精度。

計(jì)算機(jī)軟件、智能算法的研發(fā)是真正實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)的核心。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將不僅是對(duì)工程數(shù)據(jù)的采集、傳輸系統(tǒng)，而且是能夠?qū)こ贪踩⒐こ踢M(jìn)度進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷的系統(tǒng)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工程監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)指標(biāo)數(shù)值的分析、判斷和預(yù)測(cè)將進(jìn)一步研究。

表3 建筑物姿態(tài)監(jiān)測(cè)

七、結(jié)語(yǔ)

目前該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)初步投入實(shí)際工程應(yīng)用，成本包括前期的研發(fā)成本，試驗(yàn)成本，生產(chǎn)成本等，因此總體成本偏高。但隨著該系統(tǒng)逐步大規(guī)模推廣應(yīng)用，技術(shù)不斷升級(jí)優(yōu)化，成本將逐步下降。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展人工成本越來(lái)越高，傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的成本逐年增加，因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)看智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)大大提高了監(jiān)測(cè)精度，保證結(jié)構(gòu)物及周邊建筑物的安全。而且提高施工監(jiān)測(cè)效率，降低安全監(jiān)測(cè)對(duì)施工進(jìn)度的影響。同時(shí)，推動(dòng)土木工程技術(shù)的自動(dòng)化、智能化、信息化發(fā)展，與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法相比明顯具有更優(yōu)的社會(huì)效益。