城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用

吳 桐，張 堅，嚴 峰，陳金鋒

（1、廣東省建設工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州510500；2、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州510500）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大中城市規(guī)劃建設越來越密集，許多城市患上“城市病”，該問題在城市市政設施建設中尤其突出。如地上電網(wǎng)、電桿等密布形成的“天空蜘蛛網(wǎng)”現(xiàn)象；地下管線因更新、故障、事故等原因，需反復開挖路面所導致的“馬路拉鏈”現(xiàn)象等。這些現(xiàn)象不僅影響城市建設用地的正常使用和市容市貌，還造成了高昂的施工成本與巨大安全隱患［1］。綜合管廊以集約化設計為理念，將各城市市政管線進行統(tǒng)一化管理，不僅節(jié)約了地上城市建設空間，同時也是解決“城市病”的重要手段之一。為此，自2013 年以來，多個城市下發(fā)相關政策文件，開始全面推進城市綜合管廊的建設［2］。

當綜合管廊結(jié)構發(fā)生較大變形或破壞而無法及時發(fā)現(xiàn)和修復時，會影響內(nèi)部管網(wǎng)的正常使用，使管線出現(xiàn)損壞甚至引發(fā)火災、爆炸等事故，進而造成嚴重的經(jīng)濟損失和不良社會影響，因此綜合管廊運營期間的健康問題愈發(fā)得到社會各界的重視。近年來不少學者研究與設計了火災危險識別與預警系統(tǒng)［3］、光纖振動防入侵監(jiān)控系統(tǒng)［4］、管廊環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)［5］等管廊的智能監(jiān)測系統(tǒng)。但是，由于地下管廊結(jié)構安全是一個集中了結(jié)構設計、使用情況、水文地質(zhì)條件、動荷載等多方面因素綜合影響的復雜問題，因此對于管廊結(jié)構安全及結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用卻鮮有人涉足。

因此本文分析了綜合管廊的結(jié)構及其病害特點，然后基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器、通訊及云計算等技術，設計了一套城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)。最后將該監(jiān)控系統(tǒng)在實際管廊工程中進行了測試，測試結(jié)果表明，相比較于傳統(tǒng)的檢測方法，該監(jiān)控體系能克服地下不良通訊環(huán)境，提高監(jiān)測效率并能實現(xiàn)監(jiān)測項目的實時可視化。希望本監(jiān)控系統(tǒng)的研究能為綜合管廊結(jié)構監(jiān)測提供新的方法。

1 綜合管廊特點及病害特征分析

地下綜合管廊作為城市的生命線工程，對于促進城市的整體發(fā)展起到了關鍵性的作用。但是管廊跨度大、軸向剛度低且容易遭受各類地質(zhì)條件及外界環(huán)境的影響的特點，使其呈現(xiàn)出獨特的病害特點。如果這些病害不能得到及時的發(fā)現(xiàn)和處理，很可能會引發(fā)其他次生災害，從而造成巨大的經(jīng)濟損失。

1.1 不均勻沉降

綜合管廊多修建于淺層地下且廊體狹長，因而其廊體建設采用分段拼接鋪設的方法完成。受覆土差異性、水文地質(zhì)條件改變以及周邊人類活動加卸載等擾動的影響［6］，廊體結(jié)構很容易發(fā)生不均勻沉降，對于地處沿海地區(qū)的富水軟土環(huán)境中的管廊結(jié)構，不均勻沉降尤為明顯。另外，管廊基礎工程中多會采用土體回填或換填處理方法，由于管體狹長，換填質(zhì)量參差不齊，很容易造成土體承載性能差異［7］，進而導致兩相鄰廊體結(jié)構發(fā)生滑移、偏轉(zhuǎn)及沉降差，尤其對于橫向?qū)挾容^大的多艙管廊結(jié)構［8］。由此可見受地質(zhì)、水文條件以及外界環(huán)境的影響，廊體結(jié)構很容易出現(xiàn)不均勻沉降，通常這些不均勻沉降容易集中在管廊的伸縮縫、拼接縫等處。

1.2 裂縫

目前綜合管廊一般采用多段管廊拼接的施工方法，管廊段之間采用后澆帶或其他剛性連接方式連接。當管廊出現(xiàn)廊體剛度分布不均勻，或者周圍有過大的地層擾動時，廊體極容易受不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫。同時受水體或其他有腐蝕性物質(zhì)的影響，廊體也會出現(xiàn)腐蝕裂縫。而當廊體結(jié)構內(nèi)部或者外部出現(xiàn)超限荷載時，如地震荷載或地面行車荷載，也會導致廊體結(jié)構出現(xiàn)裂縫。裂縫的發(fā)展直接影響著整個管廊的健康運營。

1.3 收斂變形

管廊隧道在開挖掘進后，被挖掘區(qū)域周邊土體會出現(xiàn)地應力重分布。進而出現(xiàn)隧道周表面土體向隧道洞收攏的變形趨勢，這一變形的趨勢稱為管廊收斂。收斂變形的程度與管廊尺寸、巖體成分、地應力、挖掘的方法及支撐物的類型等多因素有關［9］。當管廊結(jié)構設計不當或隧道開挖支撐方案不合理時，這種管廊收斂變形會同時產(chǎn)生管廊不均勻沉降及結(jié)構裂縫等病害。

綜上所述，由于綜合管廊的特殊性，受多種因素影響，產(chǎn)生多種病害的幾率較高，因此及時了解管廊結(jié)構病害的發(fā)生、發(fā)展及特點，在結(jié)構出現(xiàn)更嚴重的危險以前及時發(fā)出預警并采取相應措施，是保障管廊結(jié)構長期運營安全使用的一個重要的有效手段。

2 管廊結(jié)構安全監(jiān)測的必要性

2.1 管廊工程的重要性

綜合管廊結(jié)構作為近年來興起的城市新型地下集約化市政管網(wǎng)鋪設方式，其可以同時安置水、電、氣、熱、通訊等多種市政管線，涉及多個學科。為了達到不同管網(wǎng)的安全要求，其結(jié)構設計要求更高，且結(jié)構設計使用年限往往需要達到100 年之久［10］。同時綜合管廊連通城市內(nèi)較廣的區(qū)域，并且埋深較淺，這就使得管廊結(jié)構極易受到地上超限荷載及周邊土地擾動等外界因素的影響［11］。

由于設計使用時間長、跨越區(qū)域廣、經(jīng)歷的水文地質(zhì)變化復雜等原因，綜合管廊在營運期間可能會產(chǎn)生多種病害，進而導致綜合管廊結(jié)構發(fā)生各種事故，并且極易誘發(fā)多災種耦合事故。當廊體結(jié)構產(chǎn)生過大的不均勻沉降或收斂變形，輕則會使剛接于廊體內(nèi)各管線出現(xiàn)破裂，管廊拼縫拉裂、接縫處的止水帶失效，引起如泄露、火災、爆炸、坍塌事故相互轉(zhuǎn)化的災害鏈。此外極易衍生出斷水斷電等城市功能服務中斷［12］，有毒氣體演變?yōu)榭諝馕廴局卸荆泻σ后w污染水體及環(huán)境等混合事件，重則可能引發(fā)爆炸、路面坍塌等安全事故，甚至還會導致城市服務功能的中斷。再加上綜合管廊的空間和時間跨度大，一旦影響到地面建筑，其造成的損失將更難估量。因此必須對管廊結(jié)構進行全面而連貫的監(jiān)測，以便更有效地發(fā)現(xiàn)影響管廊結(jié)構安全的潛在病害，并采取相應的措施，確保管廊運營期間的使用安全。

2.2 傳統(tǒng)人工測量的局限性

綜合管廊內(nèi)部空間相對狹長密閉，各種管線與配套設施繁雜密布。受制于通視、管線阻擋、人員誤差，傳統(tǒng)人工攜帶儀器進行結(jié)構檢測的方法工作效率很低。同時，因敷設線路長，對管廊進行多斷面甚至全線檢測監(jiān)測不僅需耗費大量人力、物力及時間，而且存在基礎數(shù)據(jù)少與數(shù)據(jù)碎片化的問題。另外，廊內(nèi)的空氣、溫濕度等地下環(huán)境也不適合檢測人員長時間留置，所以對管廊安全運維及設備使用等情況難以實現(xiàn)24 h 實時動態(tài)監(jiān)管，而且當廊內(nèi)工作環(huán)境惡化或出現(xiàn)有毒氣體泄露時，還會對檢測人員的生命安全帶來威脅。因此需要對管廊實施自動化智能監(jiān)測。

2.3 管廊結(jié)構安全監(jiān)測理論方法的缺乏性

近幾年發(fā)布的《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范；GB 50911-2013》、《城市綜合管廊檢測與監(jiān)測技術標準：DB22/T 5024-2019》等規(guī)范標準，皆有提及管廊結(jié)構在運營期檢測與監(jiān)測的相關要求，但沒有涉及管廊結(jié)構安全監(jiān)測的具體實施方案與應用等內(nèi)容，相關監(jiān)測理論與工程應用經(jīng)驗欠缺。同時，綜合管廊屬于密閉的地下工程，惡劣通訊傳輸條件下監(jiān)測設備的正常運行及數(shù)據(jù)信息上傳等問題，也成為了能否實現(xiàn)管廊結(jié)構實時監(jiān)測的關鍵。

綜上，城市綜合管廊是一個城市的“生命線”，涉及到多行業(yè)、多管線、多因素的共同影響，很容易發(fā)生耦合事故，對城市造成巨大損失。而目前相關的監(jiān)測方法及監(jiān)測方案依然處于匱乏狀態(tài)，同時，傳統(tǒng)的人工檢測方法在綜合管廊中的工作效率極差，難以適用，因此針對營運期綜合管廊的結(jié)構特點研發(fā)出一套有效的智能監(jiān)控系統(tǒng)極具工程意義。

3 城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設計總則與各功能子層的搭建

結(jié)合結(jié)構健康監(jiān)測［13］的概念，城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)［14］在管廊結(jié)構上布設智能傳感器，對其結(jié)構主體及主要構件的收斂變形、裂縫開展、不均勻沉降等典型病害信息進行實時監(jiān)測采集，并通過數(shù)據(jù)采集終端、通信技術對數(shù)據(jù)進行自動采集與傳輸。在云端可結(jié)合管廊其他監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的各類型信息數(shù)據(jù)進行整合。通過對海量異構數(shù)據(jù)信息進行綜合分析評估，實現(xiàn)全面有效的管廊結(jié)構全生命周期的安全監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時可視化，并在破壞或危險出現(xiàn)前及時發(fā)布報警預警信息。城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)的架構包括數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)傳輸、云平臺、數(shù)據(jù)管理與應用4個功能子層（見圖1）。

圖1 城市綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of the Safety Monitoring System for the Urban Comprehensive Pipe Gallery Structure

3.1.1 數(shù)據(jù)感知模塊

數(shù)據(jù)感知模塊主要是通過各類智能傳感器及監(jiān)測儀器設備，對管廊主體結(jié)構內(nèi)一個或局部多個斷面中存在的收斂變形、裂縫開展、管片錯動、不均勻沉降、應力突變、異常振動等病害，對其物理變化量信息進行自動化測量，實現(xiàn)對管廊結(jié)構變化的實時感知。然后，結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)中的智能巡檢模塊，日常巡檢人員通過使用工業(yè)智能機并基于智能巡檢APP 任務驅(qū)動式開展巡檢工作，在現(xiàn)場對管廊結(jié)構基本信息、管線工作、廊內(nèi)運營及周邊環(huán)境等情況進行無紙化記錄采集，通過拍攝照片實現(xiàn)更直觀地記錄管廊損傷情況，同時，定期采用三維激光掃描儀［15-16］快速、全面掃描管廊內(nèi)部全斷面表明情況，通過海量點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)管廊結(jié)構的三維重建。最后，將各類現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息匯聚到綜合數(shù)據(jù)采集儀中，采集儀再通過通信模塊將監(jiān)測信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)。

3.1.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊將感知模塊各類監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳送到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)現(xiàn)場與遠程監(jiān)控中心間數(shù)據(jù)信息的全時段互聯(lián)互通。現(xiàn)場傳感器一般采用Modbus 協(xié)議通過RS485 物理層與監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合采集儀相連，并通過DTU 將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)上云?；诰C合管廊的工程特點，對于通信條件十分惡劣的管段，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行耘c實時性難以保障，則需要對數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信能力進行增強，如通過光纖光纜串聯(lián)信號中繼器的方式，將信號引至管廊檢測井、通風口等地，或通過使用泄露同軸電纜來實現(xiàn)廊內(nèi)通信［17］。亦可采用自主搭建通信網(wǎng)絡［18］，如Lo?Ra等低功耗局域網(wǎng)絡。

3.1.3 云平臺

基于海量IT資源池構成的云平臺虛擬服務器，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的云上搭建與運行。針對管廊線路長、覆蓋面廣、結(jié)構特殊等特點，憑借云平臺彈性可擴展的優(yōu)勢，可以滿足未來對安全監(jiān)控系統(tǒng)中內(nèi)容、斷面與項目等功能增減的需求，并能實現(xiàn)與其他管廊監(jiān)測系統(tǒng)高效融合。利用云平臺強大的數(shù)據(jù)計算與處理能力，根據(jù)不同的模型算法對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動化處理，得到直觀、連續(xù)的管廊結(jié)構病害變化信息線圖，而海量點云掃描數(shù)據(jù)還可以生成管廊全斷面三維模型。該系統(tǒng)還囊括了項目管理、測點控制、預報警值設置、相關規(guī)范知識庫、巡檢記錄等功能子塊以及自動預報警功能。云平臺還能對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行穩(wěn)定可靠的存儲與歸檔，大數(shù)據(jù)信息檔案不僅能滿足管廊安全運維的日常監(jiān)控需求，還能讓監(jiān)控人員更全面地分析與評估管廊的結(jié)構安全性。

3.1.4 數(shù)據(jù)管理與應用模塊

數(shù)據(jù)管理與應用模塊主要包括管廊安全可視化監(jiān)控、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)下載、信息查詢以及預報警信息發(fā)布等模塊。監(jiān)控人員可在各種客戶端通過登陸云平臺隨時隨地了解管廊結(jié)構的安全動態(tài)，快速查詢和下載管廊安全評估所需的數(shù)據(jù)信息，一鍵獲取圖文并茂的監(jiān)測報告。同時，用戶也可在結(jié)構出現(xiàn)異常的第一時間獲取預警信息，以便其及時采取相應的措施，防止安全事故的發(fā)生。另外，監(jiān)控人員也可根據(jù)監(jiān)測項目的需要與各種突發(fā)情況，實時與現(xiàn)場感知模塊或巡檢人員進行交互。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)的應用測試

為了測試本文所設計的監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，本系統(tǒng)選擇了廣州市中心城區(qū)地下綜合管廊項目某已完工的盾構區(qū)間為其應用試驗段。該區(qū)間線路沿地面高程為4.30～9.05 m，管廊隧道采用預制混凝土平板型管片襯砌，襯砌環(huán)外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，管片寬度1 500 mm，厚度300 mm，拼裝時采用錯縫拼裝、彎螺栓連接。目前該管廊相鄰地鐵車站正在進行基坑開挖作業(yè)（見圖2），會對既有運營管廊結(jié)構產(chǎn)生擾動；然后地鐵隧道盾構施工通過后，其3 號出入口及2 號風亭組的建設將進行基坑上跨管廊施工，也可能引發(fā)管廊區(qū)間變形。因此在管廊內(nèi)適合處選取3個連續(xù)斷面進行監(jiān)控系統(tǒng)的應用測試，使其能監(jiān)測管廊相鄰地鐵車站基坑開挖及施工擾動等因素對管廊結(jié)構產(chǎn)生的影響。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)應用現(xiàn)場情況Fig.2 The Site Condition of the Pipe Gallery Structure Safety Monitoring Project

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)感知模塊現(xiàn)場布設Fig.3 On-site Deployment Method of Data Perception Module of Monitoring System

利用監(jiān)控系統(tǒng)針對收斂變形、裂縫開展、不均勻沉降3個典型的管廊結(jié)構病害進行自動化監(jiān)測（見圖3），通過在斷面兩腰處與廊底處設置激光測距傳感器對管廊結(jié)構收斂變形進行監(jiān)測，在相鄰2 塊管片交接處設置振弦式測縫傳感器［19］對拼縫開裂進行監(jiān)測，在連續(xù)的2個斷面的同側(cè)等高廊體腰部各設置1個靜力水準傳感器［20-21］，實現(xiàn)對斷面廊體不均勻沉降情況的監(jiān)測。綜合數(shù)據(jù)采集儀對各傳感器所測數(shù)據(jù)進行自動化采集并通過DTU實時上傳到云平臺，云上監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)信息進行計算、處理并把結(jié)果存儲在云端服務器中，相關監(jiān)測及現(xiàn)場巡檢人員可從客戶端即時查閱各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時掌握管廊結(jié)構安全的監(jiān)控動態(tài)。

該管廊監(jiān)測斷面中不均勻沉降變化實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4 所示，圖4 中所呈現(xiàn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)能穩(wěn)定、連貫且及時地反映監(jiān)測參數(shù)的變化情況，由此可以掌握相鄰各斷面的沉降情況與變化趨勢，并且可以看出各測量值都處于安全允許的變化范圍內(nèi)，說明相鄰車站基坑開挖施工暫未對管廊結(jié)構安全產(chǎn)生影響。

圖4 傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)折線Fig.4 A Line Graph of Real-time Sensor Monitoring Data

管廊現(xiàn)場智能巡檢上傳的現(xiàn)場巡檢信息如圖5所示，結(jié)合移動式三維激光掃描儀的點云數(shù)據(jù)所生成的高清管廊三維模型。動態(tài)模型可以高度還原地下管廊現(xiàn)場的情況，模型將圖3 中各監(jiān)測參數(shù)的變化值進行整合，所以可以通過可視化中的不同模塊精細觀察某一監(jiān)測項目的實際情況，同時也可以通過選擇及時輸出該監(jiān)測項目監(jiān)測值的具體變化曲線圖。該系統(tǒng)能讓監(jiān)控人員更為真實、直觀且方便地了解管廊結(jié)構整體安全狀況。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測三維可視化功能展示Fig.5 Monitoring 3D Visualization Function Display Interface of the Monitoring System

4 結(jié)論

城市綜合管廊匯集水、電、氣、熱、通訊等多種市政管線，成為了城市的“生命”線。由于其使用年限久、覆蓋范圍廣等特點，因此極易受外界影響而出現(xiàn)結(jié)構病害，并造成耦合事故，但因目前相關監(jiān)測理論的缺乏及傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法的局限，難以實現(xiàn)智能、有效的管廊結(jié)構安全監(jiān)控。

本文通過數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、云平臺及數(shù)據(jù)處理模塊等搭建了綜合管廊結(jié)構安全監(jiān)控系統(tǒng)。試驗測試表明，該系統(tǒng)能克服地下工程通訊環(huán)境差的難題，實現(xiàn)對管廊結(jié)構病害進行自動化實時監(jiān)測，使監(jiān)測數(shù)據(jù)可以及時、穩(wěn)定地上傳到云平臺，大幅度提高監(jiān)測效率。同時，該監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場巡檢與三維掃描信息，可以生成高清管廊三維模型，實現(xiàn)監(jiān)測對象的動態(tài)可視化。而基于云平臺的監(jiān)控系統(tǒng)通過對海量異構監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理與分析，還能詮釋管廊結(jié)構損傷機理與變化趨勢。

可見該智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)不僅能提高監(jiān)測效率，確保綜合管廊營運安全，還能為相關規(guī)范標準的編寫及其他管廊的結(jié)構監(jiān)測應用累積監(jiān)測數(shù)據(jù)與工程經(jīng)驗。