某市中心城區(qū)綜合管廊項目結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

楊 勇，張 堅，何 欽，楊 昊

（1、廣東省建設(shè)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(xué)研究院集團股份有限公司 廣州510500）

0 引言

隨著城市化進程的推進，現(xiàn)代化、科技化、集約化成為城市發(fā)展的新趨勢，傳統(tǒng)的市政公共管線埋設(shè)方式已經(jīng)與現(xiàn)代城市的發(fā)展需求不適應(yīng)，經(jīng)過多年的發(fā)展越來越多的人們認識到城市綜合管廊是城市建設(shè)發(fā)展的內(nèi)在需要，其對土地資源的充分利用在緩解城市壓力等方面發(fā)揮著重大的作用［1-3］。自2014 年6 月國務(wù)院辦公廳下發(fā)《關(guān)于加強城市地下管線建設(shè)管理的指導(dǎo)意見》以來，全國近百個城市啟動了綜合管廊的建設(shè)，城市綜合管廊相關(guān)難題相繼被攻克。劉軍［4］論證了光纖光柵無源傳感技術(shù)在綜合管廊結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性及應(yīng)用前景；齊荑彭［5］通過采用傳感器系統(tǒng)集成的方式實現(xiàn)對城市綜合管廊環(huán)境參數(shù)的實時、動態(tài)監(jiān)制；針對綜合管廊的沉降監(jiān)測問題，李吉等人［6-8］采用不同的測量方式進行了探索。然而，目前大部分關(guān)于安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究較為零散，缺少系統(tǒng)性的分析。

1 工程實例

1.1 工程概況

廣州市某地下綜合管廊（沿軌道交通十一號線）主線工程線路走向如圖1 所示，沿新滘路、科韻路........，之后返回至新滘路，形成閉合的環(huán)。線路全部采用地下敷設(shè)的方式，全線共設(shè)45 座地面井，地面井之間的平均井間距為0.98 km。

42#～43#區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間沿東南方向行進到達新滘路，然后沿新滘路北側(cè)繼續(xù)東行，區(qū)間周邊建筑物較多，主要包括：新滘路南西段廣州大道立交主線道及H 匝道、電力隧道、人行天橋、地鐵3 號線大塘站等。區(qū)間最大線路縱坡3.98%，最小縱坡0.3%，最小豎曲線半徑2 000 m，區(qū)間最小平曲線半徑R=250 m。區(qū) 間 起 始 里 程DK40+527.591～DK41+910.850，長1 384.691 m；區(qū)間埋深約7.37～24.54 m。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容

建設(shè)中的廣州地鐵11 號線上涌公園站、大塘站基坑等位于42#～43#區(qū)間周邊，11號線上涌公園站～大塘站區(qū)間下穿42#～43#區(qū)間管廊，在廣州地鐵11 號線施工過程中基坑的開挖和盾構(gòu)的推進，都將對42#～43#區(qū)間管廊周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，造成管廊結(jié)構(gòu)的隆起或沉降，威脅地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的運營安全。

圖1 地下綜合管廊工程平面位置Fig.1 Plan Position of the Underground Comprehensive Pipe Gallery Project

為及時掌握周邊影響范圍工程施工期間對管廊結(jié)構(gòu)安全的影響，應(yīng)業(yè)主單位要求針對管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測特征，建立了城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，采用自動化、實時化測量手段加強對管廊42#～43#區(qū)間的運營安全監(jiān)測，具體監(jiān)測參數(shù)及方法如表1所示。

表1 監(jiān)測參數(shù)及方法Tab.1 Monitoring Parameters and Methods

1.3 監(jiān)測結(jié)果

本項目自2020 年6 月開始進行監(jiān)測，在周邊工程的施工期間各監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)均在設(shè)計允許的控制范圍內(nèi)，管廊結(jié)構(gòu)整體安全可控。其主要結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

2 城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析

城市綜合管廊安全監(jiān)管可以大致劃分為結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等，針對管廊環(huán)境安全方面的研究已取得諸多成果，如李雙鳳等人［9］從綜合管廊主體的結(jié)構(gòu)特征、分艙原則出發(fā)，分析了綜合管廊內(nèi)各入廊專業(yè)管線的運行特點、安全隱患及相互影響；童麗閨等人［10］運用物聯(lián)網(wǎng)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，研究地下綜合管廊環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了管廊環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警。

文章立足于管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測技術(shù)，對城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)功能進行研究。根據(jù)廣州市某地下綜合管廊結(jié)構(gòu)特征設(shè)計的城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)終端監(jiān)測元器件的布設(shè)、數(shù)據(jù)傳輸及平臺的計算分析等功能模塊，結(jié)合應(yīng)用效果，系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢如下：

2.1 自由分組功能

綜合管廊結(jié)構(gòu)作為一個整體的結(jié)構(gòu)，單個測點的變形往往并不能很好地反映其整體變形趨勢，這時就需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分組，通過不同結(jié)構(gòu)特征點的組合對多空間維度的數(shù)據(jù)進行挖掘分析，在實際的功能實現(xiàn)上主要通過對多測點的不同組合來實現(xiàn)。以42#～43#區(qū)間的結(jié)構(gòu)監(jiān)測為例，如研究隧道斷面尺寸變化，則需提取同一監(jiān)測斷面三維變形數(shù)據(jù)（斷面測點布設(shè)如圖5 所示），如D1-1～D1-3；如研究隧道結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形特征，則需要提取結(jié)構(gòu)監(jiān)測斷面拱腰部位的測點數(shù)據(jù)，分析時選取拱腰位置D-1、D-2垂直于結(jié)構(gòu)走向的位移數(shù)據(jù)進行分組；如研究隧道結(jié)構(gòu)的線性變形特征，則需要提取更能反映結(jié)構(gòu)線性變化的特征點數(shù)據(jù)，選取拱頂位置D-3沉降數(shù)據(jù)進行分組分析。

如圖6 所示，選取拱腰位置的D1-1～D3-1、D1-2～D3-2測點，提取其垂直于結(jié)構(gòu)走向的位移數(shù)據(jù)進行時序曲線的編輯，通過圖2 和圖6 的對比可以明顯發(fā)現(xiàn)，拱腰各測點存在一定變形趨勢且發(fā)展趨勢相對同步，結(jié)合42#～43#區(qū)間周邊施工情況和變形控制閾值，可以認為周邊基坑施工階段對管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，但整體變形控制在有限范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)據(jù)多維度曲線分析功能

圖2 橫向方向水平位移累計值時序曲線Fig.2 Time Series Curve of Cumulative Horizontal Displacement in Transverse Direction

圖3 豎向位移累計值時間變化曲線Fig.3 Time Variation Curve of Cumulative Vertical Displacement

圖4 結(jié)構(gòu)相對收斂累計值時間變化曲線Fig.4 Time Variation Curve of Cumulative Value of Relative Convergence of Structure

圖5 斷面測點布置Fig.5 Layout of Section Measuring Points

監(jiān)測是安全管控過程中的重要監(jiān)督手段，在實際的監(jiān)管過程中往往并不缺少數(shù)據(jù)來源，缺乏的是對數(shù)據(jù)的有效分析。時序曲線作為數(shù)據(jù)分析的一種常規(guī)手段，它脫離了結(jié)構(gòu)的空間特征，孤立在時間軸的變化上分析測點的變形。高精密測量過程中這種方法還易受到無法避免的系統(tǒng)誤差影響和環(huán)境干擾，很難發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形存在著特征差異。如圖3在時序曲線分析圖上表象為監(jiān)測點的起伏波動，根據(jù)圖3 很難分析出有效的結(jié)論。

當(dāng)結(jié)合點組的功能，以不同空間位置的測點為導(dǎo)向進行分析時，我們可以得到縱向空間測點沉降變化～斷面曲線，如圖7 所示。從圖7 中可以發(fā)現(xiàn)，D1 斷面數(shù)據(jù)相對收斂，D2、D3 斷面相對發(fā)散，直觀表征在結(jié)構(gòu)的安全性上就是D1 斷面更加穩(wěn)定。時空序列曲線圖將所有監(jiān)測點的時間維度進行統(tǒng)一，通過對同一時間維度不同位置的監(jiān)測點進行分析，可以一定程度上排除外界環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，當(dāng)采用傳感器進行自動化測量時，溫度等環(huán)境的變化對觀測結(jié)果的影響更為顯著，通過時空序列曲線圖的對比分析能更好地判斷結(jié)構(gòu)的安全。

圖6 拱腰位置橫向水平位移累計值時序曲線Fig.6 Time Series of Cumulative Horizontal Displacement of Arch Waist

圖7 縱向空間測點沉降變化～斷面曲線Fig.7 Settlement Change of Longitudinal Space Measuring Point ～Section Curve

2.3 分段管理機制

管廊多為線狀結(jié)構(gòu)，作為一個整體在表觀上它具有很強的一致性，但是考慮到沿線周邊影響區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)、建構(gòu)筑物等差異，在管廊的安全管理過程中需對其進行精細化管理。對不同區(qū)域的管廊結(jié)構(gòu)進行區(qū)段劃分，并對每個區(qū)段進行相應(yīng)的風(fēng)險識別、安全評估是管廊結(jié)構(gòu)精細化管廊的有效手段。

在管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測過程中，不能隨便根據(jù)某一測點、參數(shù)的變形情況或某一區(qū)段的結(jié)構(gòu)狀況判斷管廊線路的整體安全性，也不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對管廊結(jié)構(gòu)的安全情況進行判斷。需根據(jù)管廊結(jié)構(gòu)特征，對管廊結(jié)構(gòu)進行有效的區(qū)段劃分，在劃分區(qū)段時可參考管廊沿線區(qū)域的地質(zhì)特征、地表建構(gòu)筑物、重要交通運輸線路或內(nèi)部入廊管線的不同設(shè)立。然后根據(jù)不同的區(qū)段特征設(shè)定分級設(shè)立安全報警閾值（見圖8），制定處置機制，及時響應(yīng)、精準(zhǔn)識別。

圖8 分區(qū)、分級預(yù)警設(shè)置界面Fig.8 Partition and Level Warning Setting Interface

3 激光測量技術(shù)在城市綜合管廊變形監(jiān)測中的應(yīng)用拓展

激光測距技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)市場化，相關(guān)的應(yīng)用研究也涉及各行各業(yè)，如宋瀟等人［11］通過激光測量技術(shù)實現(xiàn)對施工隧道圍巖周邊收斂及拱頂沉降的監(jiān)控量測，馬廣生等人［12］將激光監(jiān)測應(yīng)用于深基坑變形觀測中。激光測量技術(shù)作為光電測量技術(shù)的發(fā)展，其與全站儀、水準(zhǔn)儀等光學(xué)測量儀器有著共同的通病，測量過程中儀器與監(jiān)測點之間必須保持通視和環(huán)境的相對穩(wěn)定。由于存在環(huán)境的干擾，激光測量技術(shù)很難在地鐵隧道、深基坑等工程環(huán)境推廣應(yīng)用。在城市綜合管廊的運營過程中，管廊內(nèi)部相對封閉穩(wěn)定，為激光測量技術(shù)的應(yīng)用提供了環(huán)境，本文重點對激光測量技術(shù)在管廊結(jié)構(gòu)變形中的拓展應(yīng)用進行研究分析。

3.1 基于靶標(biāo)的激光測量技術(shù)

在傳統(tǒng)激光測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，本項目對傳統(tǒng)的激光測量技術(shù)進行了應(yīng)用改進，在傳統(tǒng)激光測距基礎(chǔ)上增設(shè)目標(biāo)二維靶標(biāo)，通過安置在監(jiān)測點的二維靶標(biāo)，可將激光在靶標(biāo)上的位置信息轉(zhuǎn)換為可識別的位移變化，結(jié)合激光束測距技術(shù)與靶標(biāo)對激光的感應(yīng)，即可測量監(jiān)測目標(biāo)的三維位移，其工作原理如圖9所示。

圖9 激光三維測量工作原理Fig.9 Working Principle of Laser 3D Measurement

42#～43#區(qū)間位于廣州地鐵11號線上涌公園站施工影響區(qū)域范圍內(nèi)，為監(jiān)控11號線上涌公園站施工對42#～43#區(qū)間的影響，在變形區(qū)域范圍內(nèi)按10 m 間距進行監(jiān)測斷面布設(shè)。通過激光測距儀與靶標(biāo)的組網(wǎng)實現(xiàn)變形區(qū)域的三維位移監(jiān)測，組網(wǎng)過程如圖10所示。

圖10 激光三維測量組網(wǎng)流程Fig.10 Networking Process of Laser 3D Measurement

⑴步驟一：對監(jiān)測區(qū)域進行斷面劃分，根據(jù)圖5沿管廊結(jié)構(gòu)方向設(shè)置3條監(jiān)測線路D-1、D-2、D-3，如圖11所示。

圖11 激光三維測量組網(wǎng)Fig.11 Laser 3D Measurement Network

⑵ 步驟二：將激光測量儀與靶標(biāo)固定在同一安裝平臺，然后在每個監(jiān)測斷面沿監(jiān)測線路于拱腰、拱頂位置安裝激光測量儀與靶標(biāo)。

⑶ 步驟三：激光測量儀與靶標(biāo)安裝完成后測試調(diào)整激光測距儀與靶標(biāo)的位置，保證線路上激光測距儀與靶標(biāo)的通視，完成后即激光測距儀與靶標(biāo)三條線路組網(wǎng)完成。

激光測量儀與靶標(biāo)（以下簡稱三維激光位移計）組網(wǎng)完成后其測量原理如下：

⑴步驟一：三維激光位移計工作基點，其激光發(fā)送端安裝在遠離變形區(qū)域的穩(wěn)固處，在測量過程中默認為固定點，工作基點處三維激光位移計發(fā)射激光至三維激光位移計1，測量兩點間的距離x1；

⑵ 步驟二：三維激光位移計1 的靶標(biāo)接收固定發(fā)射端激光信號，讀數(shù)（y1，z1），并通過激光測距儀測量與下一個三維激光位移計靶標(biāo)的距離x2；

⑶步驟三：重復(fù)上述過程，即可完成線路的測量。

上述測量方法是基于激光測量原理的改進，測量過程中三維激光位移計1.....都位于變形區(qū)域，在管廊結(jié)構(gòu)運營過程中都有可能存在變形。因此，線路測量完成后需基于工作基點對觀測結(jié)果進行計算修正，過程如下：

⑴ 步驟一：監(jiān)測工作開始前對線路進行初始值采集并初始化，完成后各測點三維位移數(shù)據(jù)為（0，0，0）；

⑵步驟二：當(dāng)管廊結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，對應(yīng)斷面的三維激光位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)記為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）……；

⑶ 步驟三：管廊結(jié)構(gòu)的實際形變量需根據(jù)測量數(shù)據(jù)逐一進行修正，三維激光位移計1 的測值基于工作基點測量所得，（x1，y1，z1）與其實際變形一致。從第二個監(jiān)測斷面開始，在計算管廊結(jié)構(gòu)的實際變形情況時需對上一個激光測距儀位置進行修正，如三維激光位移計2實際位移量為（X2，Y2，Z2），則有：

X2=x1+x2，Y2=y1+y2，Z2=z1+z2；

依次類推各測點坐標(biāo)公式：

⑷步驟四：為實現(xiàn)對三維激光組網(wǎng)測量精度的有效判斷，可在首末段增設(shè)靶標(biāo)和激光傳感器，實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)的閉合，閉合網(wǎng)型如圖12所示。假設(shè)固定發(fā)射端坐標(biāo)為（0，0，0），根據(jù)式⑴可計算固定發(fā)射端對應(yīng)靶標(biāo)的位移為Xn+1=x1+x2+…+xn+1，Yn+1=y1+y2+…+yn+1，Zn+1=z1+z2+…+zn+1。理論上Xn+1=Yn+1=Zn+1=0，但在實際的測量過程中總是存在測量誤差，閉合組型的構(gòu)成為測量系統(tǒng)的精度提供了判別依據(jù)，有利于提升激光測量系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，有助于激光測量技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖12 激光三維測量閉合網(wǎng)組網(wǎng)Fig.12 Laser 3D Measurement Closed Network

3.2 基于激光測量技術(shù)的斷面測量方法

42#～43#管廊區(qū)間采用盾構(gòu)施工方法，斷面尺寸是其結(jié)構(gòu)安全的一個重要參數(shù)，傳統(tǒng)的斷面尺寸測量多采用全站儀設(shè)站測量，自動化程度不高，為實現(xiàn)斷面尺寸的自動化實時測量，本工程基于激光測量技術(shù)原理，對激光測距儀進行改造組裝。每組斷面測量激光測距儀組由11 個發(fā)射端組成，激光發(fā)射端按照固定的15°角固定在同一個平面，激光組工作時可實時同步測量隧道斷面至O 點距離，激光測距儀改造組裝結(jié)果如圖13a所示。

激光斷面測量具體實現(xiàn)過程如下：

⑴步驟一：通過人工測量方案對斷面尺寸進行復(fù)核，確認斷面圓形Y分別至O、A、B、C.......點距離；

⑵步驟二：安裝斷面激光測量儀組之后（見圖13b），采取OA、OB........等11 組數(shù)據(jù)初始值，并通過三角函數(shù)計算OA、OB........等11 條收斂線與斷面之間的夾角，計算公式如下：∠BOY=arccos（OB/2OY），∠COY=arccos（OC/2OY），且∠BOY＋∠COY=15°。

圖13 激光斷面測量工作原理及計算Fig.13 Working Principle of Laser Section Measurement

⑶步驟三：后期運營過程中一旦隧道斷面尺寸發(fā)生變形，則對應(yīng)的收斂線OA、OB........等將發(fā)生變化，測量基點O 的變形可通過激光靶標(biāo)組網(wǎng)測量修正。因為激光測量儀之間夾角固定，微量的變形產(chǎn)生的角度變化在計算過程中不予考慮，計算公式如下：

YB=OB/（2cos∠BOY）；

42#～43#區(qū)間管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測對激光測量技術(shù)的應(yīng)用，充分利用了管廊的結(jié)構(gòu)特征，在狹長空間實現(xiàn)對管廊結(jié)構(gòu)空間變形的自動化觀測。通過二維標(biāo)靶與激光測距儀的組合實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)三維變形的組合測量，結(jié)合閉合組網(wǎng)測量方法進一步提高系統(tǒng)的整體測量精度；通過對調(diào)整激光測距儀的安裝組合，更進一步實現(xiàn)對斷面尺寸等參數(shù)的實時觀測，達到一器多用的目的，有助于實現(xiàn)管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測作業(yè)的規(guī)模化、自動化、降低數(shù)據(jù)采集端口的運維難度和成本。

4 結(jié)論

城市綜合管廊作為現(xiàn)代化城市的象征，作為城市市政公用管線集約化、科學(xué)化和綜合化的先進鋪設(shè)方式，城市地下綜合管廊已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化發(fā)展的必然選擇。城市地下綜合管廊在大力發(fā)展的同時更應(yīng)該重視對其安全運營的監(jiān)管，本文結(jié)合工程實例對城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的功能應(yīng)用進行了論述，通過對比分析驗證系統(tǒng)分組功能和數(shù)據(jù)多維度曲線分析功能的優(yōu)點；并就激光測量技術(shù)在管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中的應(yīng)用場景進行了研究，通過對激光測量技術(shù)的改進實現(xiàn)了對管廊結(jié)構(gòu)三維變形、斷面尺寸等參數(shù)的自動化、實時化監(jiān)測；結(jié)合管廊結(jié)構(gòu)特征提出的分段管理機制，對城市綜合管廊的安全管理具有一定的參考意義。

城市綜合管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)基于運營管廊構(gòu)建，缺乏對管廊結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)變化的監(jiān)控手段，本工程采用表面應(yīng)力測量方式進行補充，但是在精準(zhǔn)度上很難達到定量分析的要求，希望從規(guī)劃設(shè)計層面強化管廊結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控，在管廊工程建設(shè)過程中開展結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控，實現(xiàn)管廊全生命周期的安全監(jiān)管。