在線監(jiān)測系統(tǒng)在隧道及深基坑施工安全的應用

呂 波

(山西欣奧特自動化工程有限公司，山西 太原 030012)

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術要點

本系統(tǒng)利用布置在現(xiàn)場的全站儀、軸力計、鋼筋計、滲壓計等自動化監(jiān)測設備實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對隧道、深基坑施工過程中支撐內力、圍護結構內力、圍護結構側斜、頂端位移、坑底沉降、基坑內外水位等參數(shù)的自動監(jiān)測。

1.1 確保監(jiān)測點類型及位置

針對隧道、基坑建設中車站基坑施工實際情況進行現(xiàn)場勘測，編制監(jiān)測方案，確定施工現(xiàn)場圍護結構、周圍房屋及構筑物、既有管線等重點部位的監(jiān)測點類型及位置。

1.2 確保數(shù)據(jù)信息的真實性、可靠性

針對隧道與深基坑施工現(xiàn)場的實施監(jiān)測，具有測量范圍大，距離遠，測點眾多等特點，對外場設備供電、監(jiān)測信息傳輸?shù)确矫嫣岢隽烁叩囊?。系統(tǒng)應用傳感器感知技術、無線網(wǎng)絡傳輸技術、通過應用平臺智能處理確保數(shù)據(jù)信息的真實性、可靠性。

1.3 安全風險自動化預警

由于涉及到變形類、應變類、應力類等多種傳感器，利用多源信息融合技術對數(shù)據(jù)進行有效處理，動態(tài)判斷工程風險狀態(tài)等級，實現(xiàn)安全風險自動化預警。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的先進性和可行性分析

2.1 國內外現(xiàn)狀及趨勢分析

隧道及深基坑施工結構安全在線監(jiān)測預警系統(tǒng)經過多年發(fā)展，監(jiān)測技術、預警技術等方面發(fā)展日趨完善，系統(tǒng)可以采用DCI架構開發(fā)，以HTML5和ReactNative構建GUI，使用WEBSERVICES作為功能接口，利用ORM進行數(shù)據(jù)庫交互，另外還可融入大數(shù)據(jù)分析技術進行海量監(jiān)測數(shù)據(jù)處理。將傳感器敏感元件、微納器件和智能系統(tǒng)集成等關鍵技術進行聯(lián)合研發(fā)，能夠實現(xiàn)傳感器的高性能、小型化和智能化，可以有效解決土體的一些位移、裂縫等變形且不易被肉眼察覺等問題。在施工階段，在位移或裂縫發(fā)生的初期進行實時感知，能夠更早地對變形采取應對措施，防止變形的進一步發(fā)展而導致塌方等事故的發(fā)生。通過更換不同類型的傳感器，可實現(xiàn)全過程、全方位、自動化、實時感知。將接收到的物理量或者化學量轉換為適合網(wǎng)絡傳輸?shù)碾娦盘?，為信息傳輸做準備?/p>

在多傳感信息融合方面，國內外對此領域的研究也發(fā)展迅猛。信息融合(information fusion)起初被稱為數(shù)據(jù)融合(data fusion，起源于1973年美國國防部資助研發(fā)的聲納信號處理系統(tǒng)。20世紀90年代，隨著信息技術的快速發(fā)展，更加廣義概念的“信息融合”被提出。1988年，美國將C3I系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合技術列為國防部重點開發(fā)的二十項關鍵技術之一。在英國，陸軍開發(fā)了炮兵智能信息融合系統(tǒng)(AIDD)和機動與控制系統(tǒng)(WAVELL)。歐洲五國還制定了聯(lián)合開展多傳感器信號與知識綜合系統(tǒng)(SKIDS)的研究計劃。軍事領域是信息融合的誕生地，也是信息融合技術應用最為成功的地方。

3 技術應用及指標

無線自動化在線監(jiān)控測量技術可以作為隧道及深基坑施工的重要組成部分，也是監(jiān)控施工過程中巖土結構穩(wěn)定性的重要手段。本系統(tǒng)構建一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的隧道及深基坑施工過程位移及應力監(jiān)測系統(tǒng)，用于隧道及深基坑施工過程，實現(xiàn)對隧道、基坑支護結構、基坑周圍土體以及基坑周邊環(huán)境的實時監(jiān)測預警，防范位移及變形過大引發(fā)的工程事故，確保施工過程中工程結構及周邊環(huán)境的安全，提升了隧道及深基坑施工過程的智能化、信息化水平。

利用布置在現(xiàn)場的全站儀、軸力計、鋼筋計、滲壓計等自動化監(jiān)測設備實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對隧道、深基坑施工過程中支撐內力、圍護結構內力、圍護結構側斜、頂端位移、坑底沉降、基坑內外水位等參數(shù)的自動監(jiān)測。

沉降監(jiān)測：影響沉降的因素有很多，例如開挖過程中，支護結構未及時加固，引起地面沉降或者由于支護結構產生的擠土效應導致地面隆起；基坑的非對稱性開挖導致土體產生不平衡力，軟土層發(fā)生蠕變導致土體位移產生地表沉降；過量抽取地下水，而未采取回灌措施，導致鄰近建筑物及地下管線開裂變形等等。沉降監(jiān)測采用電子水準儀監(jiān)測。

支撐軸力在線監(jiān)測：支護體系外側的側向土壓力由圍護樁及支撐體系所承擔，當實際支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應能承擔的軸力(設計值)不一致時，將可能引起支護體系失穩(wěn)。為了監(jiān)控隧道、基坑施工期間支撐的內力狀態(tài)，需設置支撐軸力監(jiān)測點。支護結構的支撐體系根據(jù)支撐構件材料的不同可分為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩大類。這兩類支撐在進行支撐軸力監(jiān)測時，應根據(jù)各自的受力特點和構件的構造情況，選取適當?shù)臏y試變量，埋設與測試變量相應的振弦式傳感器進行變量測試。混凝土支撐構件一般選擇鋼筋計進行測試，鋼支撐軸力監(jiān)測通過軸力計進行測試。

地下水位在線監(jiān)測：隧道、基坑降水將導致周邊地下水位的下降，地下水位的下降將導致土體的固結變形。土體沉降變形過大將導致周邊建(構)筑物、道路、管線的沉降和不均勻沉降，通過對地下水位變化的監(jiān)測，分析和預測土體變形、水土壓力的變化和基坑的穩(wěn)定，指導施工。地下水位在線監(jiān)測選擇振弦式滲壓計又叫孔隙水壓力計，主要用于基坑、邊坡、堤壩、尾礦庫等結構物內孔隙水壓力或浸潤線的長期自動化監(jiān)測。

4 社會效益分析

本項目研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術的隧道、深基坑施工結構安全在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠實現(xiàn)施工過程中關鍵參數(shù)的全天候實時監(jiān)測，能夠監(jiān)控及預防隧道、基坑開挖過程中的過大位移和變形，保護基坑施工影響范圍內建筑物、既有管線以及行車路面的結構安全。從技術上對安全風險事故做到防患于未然，在保護人民生命財產安全、預防事故災害等方面具有巨大的社會效益。

本項目的研發(fā)是以我省高新技術企業(yè)為主體，借助國際國內相關高校的技術優(yōu)勢以及我省高速公路及城市軌道交通建設單位提供的應用平臺，在隧道、深基坑建設安全管理這一全新領域實現(xiàn)技術突破并帶動相關產業(yè)的迅速發(fā)展方面能夠產生巨大的經濟效益。

5 結束語

在線監(jiān)測系統(tǒng)主要運用物聯(lián)網(wǎng)技術、通過多種傳感器感知現(xiàn)場信息、構建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸、應用平臺智能處理，判斷工程風險，實現(xiàn)安全風險預警。解決了監(jiān)測實效性低、環(huán)境影響因素大、人為誤差大等問題；利用多源信息融合技術對多種傳感器采集數(shù)據(jù)進行有效處理，為工程實施提供及時的參考數(shù)據(jù)；系統(tǒng)各監(jiān)測項目之間相互印證、補充、校驗，確保監(jiān)測資料的可靠、連續(xù)，以利于數(shù)值計算、故障分析和狀態(tài)研究；最終可以實現(xiàn)對基坑支護結構、基坑周圍土體以及基坑周邊環(huán)境的實時監(jiān)測預警，防范位移及變形過大引發(fā)的工程事故，確保施工過程中工程結構及周邊環(huán)境的安全，提升了隧道及深基坑施工過程的信息化水平。