城市橫向?qū)挾炔痪罨幼詣?dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備管理分析

陳修戰(zhàn)

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引 言

自新奧法提出以來，隨著巖土地下工程理論及監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化發(fā)展思路的不斷深入，利用信息技術(shù)來提升地下工程建設(shè)安全管理水平的研究也越來越受到重視。信息化設(shè)計(jì)、施工是指通過在地下工程施工過程中安裝傳感器或者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集施工過程中支護(hù)體系內(nèi)力、地層變位、土體壓力、地下水位變化等各類工程信息，并對(duì)這些工程信息實(shí)時(shí)分析并及時(shí)反饋，用以指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案變更以及施工方案調(diào)整等過程，從而做到動(dòng)態(tài)控制[1]。針對(duì)地下工程的不確定特性，通過信息化設(shè)計(jì)、施工，可以有效地降低風(fēng)險(xiǎn)，建立報(bào)警系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)施工安全控制，完成經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。

近些年，我國地下工程監(jiān)測(cè)技術(shù)有了比較快速的發(fā)展，更多地向自動(dòng)化方向發(fā)展，同時(shí)數(shù)據(jù)后期的管理也逐漸得到重視。但是由于自動(dòng)化成本較高、數(shù)據(jù)管理難度較大，同時(shí)技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的重視不夠等種種原因，限制了監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國的發(fā)展[2]。目前，監(jiān)測(cè)相對(duì)應(yīng)施工與設(shè)計(jì)還未形成完全意義上的融合，呈現(xiàn)出自動(dòng)化程度低、可視化程度弱、缺少數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析及預(yù)測(cè)功能、預(yù)報(bào)警分析技術(shù)不完善等特點(diǎn)[3]。結(jié)合深基坑施工控制,提出采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備及管理方法，對(duì)深基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的可能性進(jìn)行研究。

2 工程概況及特點(diǎn)

杭州富陽區(qū)秦望通道工程江北明挖段隧道主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)間基坑深度最大達(dá)22.4 m，寬度范圍為21.6～48.5 m；沿線管線錯(cuò)綜復(fù)雜，其中秦望路北側(cè)雨污管東西方向與基坑平行距離基坑最小距離僅為2 m；現(xiàn)朝陽弄自建別墅區(qū)和18#雨水泵房距離基坑小于基坑開挖深度，且地基基礎(chǔ)較淺。

項(xiàng)目位于中心城區(qū)，施工場(chǎng)地狹窄，周邊房屋距離基坑較近，只能實(shí)現(xiàn)單側(cè)出土便道?；虞^深，橫向?qū)挾却?、尺寸不均勻，?biāo)準(zhǔn)段寬度22 m，暗埋共建段最大寬度48.446 m，橫向倒運(yùn)距離長?；觾?nèi)鋼支撐密，縱向最小間距1.2 m，豎向最小間距2.2 m。

基于項(xiàng)目緊鄰住宅及工業(yè)建筑且其基礎(chǔ)較淺特點(diǎn)，提出在基坑開挖過程中應(yīng)用軸力伺服系統(tǒng)提高支撐軸力的及時(shí)性及準(zhǔn)確性。同時(shí)，在人工監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上提出引進(jìn)其他自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備如壓差式變形測(cè)量傳感器、遠(yuǎn)程視頻測(cè)量系統(tǒng)等，并將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)智能集成，形成整套深基坑施工自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，綜合運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)新設(shè)備、新技術(shù)，確?；娱_挖及支護(hù)的安全。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)原理及優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可將傳統(tǒng)測(cè)項(xiàng)等工程相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)化、高頻率的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，各個(gè)傳感器所采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過有線(或無線)傳輸方式進(jìn)入自動(dòng)采集模塊，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)群的自動(dòng)采集。集中采集的數(shù)據(jù)采用Zigbee等無線傳輸協(xié)議，通過數(shù)據(jù)發(fā)射模塊發(fā)送給工程現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集接收終端，最后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求隨時(shí)提供，并且數(shù)據(jù)采集的頻率可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；數(shù)據(jù)的采集可以根據(jù)工程需求，自行設(shè)定時(shí)間間隔多次連續(xù)采集，具有數(shù)據(jù)采集全天候的優(yōu)勢(shì)；實(shí)際工程中可根據(jù)工程需求選用不同精度和工作環(huán)境的傳感器，來保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性；數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)而實(shí)現(xiàn)授權(quán)開放式查閱，數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳遞效率高。

例如圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法為人工手動(dòng)提拉測(cè)斜儀線纜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于布設(shè)了幾十個(gè)測(cè)斜孔的基坑在施工實(shí)施時(shí)需消耗大量的人力和時(shí)間，很難保證實(shí)時(shí)、快速地提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。光纖光柵傳感技術(shù)使得基坑監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、集成化和遠(yuǎn)程控制成為一種可能?；诠饫w光柵原理的新型智能化測(cè)斜，可以提高工作效率，實(shí)時(shí)反映施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)[4]。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備

4.1 軸力伺服系統(tǒng)

軸力伺服系統(tǒng)可主動(dòng)控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，目前對(duì)變形要求較高的深基坑支護(hù)形式屬于先進(jìn)技術(shù)。在基坑施工過程中，每日關(guān)注監(jiān)測(cè)的圍護(hù)側(cè)斜變形情況，當(dāng)單日側(cè)斜變形超過2 mm或累計(jì)變形達(dá)到報(bào)警值80%時(shí)，確定增加油壓力，加力值根據(jù)變形數(shù)據(jù)分檔逐級(jí)增加。加力后密切關(guān)注變形情況，如變形仍較大則再繼續(xù)增加軸力，如出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑外側(cè)傾斜，支撐受拉等現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)降低軸力控制值。

伺服系統(tǒng)從組成部件上來劃分，主要分為三級(jí)關(guān)鍵設(shè)備：中央控制中心、油壓泵站、總成箱裝置(含千斤頂)。假設(shè)當(dāng)千斤頂因?yàn)橥练介_挖或地面堆載等因素，導(dǎo)致局部主動(dòng)土壓力變大，進(jìn)而軸力增大時(shí)，此時(shí)油壓力通過反饋到總控箱，由系統(tǒng)判定軸力大于設(shè)定軸力值后，需進(jìn)行調(diào)整。首先，總控箱將調(diào)整指令傳至控制此千斤頂?shù)谋谜?，泵站適時(shí)通過回油的方式減小此點(diǎn)位的油壓力，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整軸壓力至設(shè)定值的目的。液壓動(dòng)力泵站也可用手操箱直接控制動(dòng)作，設(shè)備內(nèi)部安裝有安全溢流閥以及液壓鎖，保障系統(tǒng)自身安全的防控功能。千斤頂液壓鎖和總成箱雙機(jī)械鎖不僅提高了系統(tǒng)安全性，更為設(shè)備更換提供力系轉(zhuǎn)換條件。

4.2 壓差式變形測(cè)量傳感器

基于壓差傳感技術(shù)的坑底隆起(回彈)實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)提高監(jiān)測(cè)頻率和精度具有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)閴簭?qiáng)只與系統(tǒng)內(nèi)液體密度、重力加速度和液位高有關(guān)，可以認(rèn)為壓差系統(tǒng)的液體密度和重力加速度不變，則壓強(qiáng)和液位高可以表示為一個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓差沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用壓力傳感器捕捉到的相對(duì)液位差的變化，來反算傳感器即建筑物的豎向位移。

壓差沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由壓力傳感器、通液管、通氣管和水箱組成，系統(tǒng)集成度較高。壓差傳感器系統(tǒng)高精度穩(wěn)定性影響因素為振動(dòng)和溫度兩個(gè)主因，兩者的影響機(jī)理有所不同。振動(dòng)屬于外界干擾源，直接影響壓力波，通過嚴(yán)格的施工工藝和安裝方式可以規(guī)避和減小。溫度的影響有兩個(gè)路徑——?dú)馀?水管或者傳感器內(nèi)部)和密度，其中前者有一定的間接性，通過較嚴(yán)格的施工方式和傳感器改型能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能排干氣泡；后者的觸發(fā)影響有一定的條件，比如需要有一定的水路差，且水路差溫度場(chǎng)不一致時(shí)，上行管使壓強(qiáng)數(shù)據(jù)和溫度呈正相關(guān)，下行管呈負(fù)相關(guān)，通過限制上下行管的允許高度予以減小和規(guī)避。振動(dòng)造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)可以通過后期的數(shù)據(jù)處理解決，溫度對(duì)壓差沉降系統(tǒng)的影響可使設(shè)備保持在同一環(huán)境下。

4.3 遠(yuǎn)程視頻測(cè)量系統(tǒng)

智能遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制、設(shè)備自動(dòng)定位、預(yù)置位自動(dòng)監(jiān)測(cè)(由監(jiān)管人員預(yù)選定的位置，自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)巡航監(jiān)測(cè)、采集數(shù)據(jù)、拍照截圖)、自動(dòng)拍攝整體監(jiān)控面并進(jìn)行自動(dòng)全景圖拼接、掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、智能分析處理、檢索等功能，可對(duì)目標(biāo)物任意點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，可對(duì)目標(biāo)物位移變化量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可計(jì)算出目標(biāo)物的尺寸。利用系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控及自動(dòng)定位測(cè)量功能，可以自動(dòng)形成施工項(xiàng)目實(shí)體施工全過程的影像日志，質(zhì)量安全管理人員可隨時(shí)回溯查看歷史上某一天的項(xiàng)目實(shí)體現(xiàn)場(chǎng)大全景和任意節(jié)點(diǎn)施工情況，同時(shí)也可回溯查看某地理位置的節(jié)點(diǎn)的形成歷史及情況，便于事中事后監(jiān)督管理。

智能遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成：前端施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中心管理云平臺(tái)。工地前端監(jiān)控監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)：由智能測(cè)距攝像機(jī)(視頻監(jiān)控測(cè)量?jī)x)和智能服務(wù)器組成。該系統(tǒng)是基于新一代物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)，利用高精密云臺(tái)、圖像傳感器、激光距離傳感器、光柵角度傳感器等信息傳感設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)目標(biāo)物體的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，通過融合視頻圖像和三維空間集成算法，進(jìn)行信息交換和通信，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測(cè)和管理[5]。

5 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)智能集成

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用無處不在的網(wǎng)絡(luò)將獨(dú)立、分散的智能設(shè)備和各類傳感器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過與行業(yè)特點(diǎn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多角度地對(duì)基坑施工的質(zhì)量安全進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控，是近年來基坑施工管理的發(fā)展趨勢(shì)。

基坑施工階段自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括主要儀器設(shè)備、工地現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢與分析系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)。項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)集成主要是指測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位選取、傳感器、采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)等布設(shè)。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)由于基坑施工現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，現(xiàn)有有線傳輸模式無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，因此采用分布式云智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(無線跳傳功能)是必然的趨勢(shì)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)邏輯框架主要分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層和用戶層4個(gè)方面。用戶層各級(jí)會(huì)分配不同的權(quán)限，用戶可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)登錄，查詢權(quán)限內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全信息。根據(jù)基坑及周邊建(構(gòu))筑物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)試手段、測(cè)點(diǎn)優(yōu)化、信號(hào)傳輸?shù)确矫娣治鲅芯?，物理結(jié)構(gòu)可分3層。第一層，由各個(gè)基坑前端傳感系統(tǒng)構(gòu)成；第二層，由監(jiān)測(cè)外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集站與通信系統(tǒng)構(gòu)成；第三層，是監(jiān)測(cè)平臺(tái)中心指揮調(diào)度系統(tǒng)。這種物理架構(gòu)方式可以將不同參數(shù)的采集系統(tǒng)優(yōu)化組合，以盡量縮短測(cè)量元件到采集外場(chǎng)站的距離，提高平臺(tái)的抗干擾能力，降低平臺(tái)成本。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以完成傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集、分析和整理等功能，還具有增大釆集頻率、數(shù)據(jù)歸檔和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化等一體化管理的功能，不僅提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還提高了運(yùn)用數(shù)據(jù)的效率。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可分析性強(qiáng),建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)管單位等責(zé)任部門只要安裝了APP的PC終端或移動(dòng)終端，就能查看并下載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)后臺(tái)自動(dòng)推送報(bào)表，減小了監(jiān)測(cè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn),多重預(yù)警機(jī)制，高層管理者、技術(shù)人員會(huì)收到不同的報(bào)警級(jí)別，真正做到為基坑建設(shè)保駕護(hù)航。

6 結(jié) 論

基于現(xiàn)場(chǎng)不利施工條件提出采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法，并對(duì)用來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、支撐軸力、土體回彈、水平及豎向變形等測(cè)項(xiàng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行管理分析，得出如下結(jié)論。

(1)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性強(qiáng)、連續(xù)性好、誤差率低、數(shù)據(jù)可見范圍廣，有利于運(yùn)營過程中的安全監(jiān)測(cè)。

(2)針對(duì)深基坑等地下工程監(jiān)測(cè)行業(yè)集數(shù)據(jù)釆集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、預(yù)警服務(wù)和實(shí)時(shí)可視化的遠(yuǎn)程自動(dòng)化實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是信息化管理的集大成者，極大地提高了監(jiān)測(cè)效率，不僅能為基坑施工和周邊建筑物環(huán)境的安全保駕護(hù)航，而且還能利用大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化的分析、預(yù)測(cè)，對(duì)信息化動(dòng)態(tài)施工具有工程應(yīng)用價(jià)值。