新加坡明挖隧道監(jiān)控量測(cè)及自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的應(yīng)用

劉輝 LIU Hui；于連杰 YU Lian-jie

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

0 引言

明挖隧道施工過程中，由于土方開挖及重型機(jī)械的影響，土體應(yīng)力發(fā)生明顯變化，地下水穩(wěn)定系統(tǒng)破壞嚴(yán)重，從而導(dǎo)致隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力變形，進(jìn)而引起隧道基坑坍塌等嚴(yán)重安全事故，因此監(jiān)控量測(cè)在明挖隧道施工中起著至關(guān)重要的預(yù)警作用。新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)第三跑道明挖隧道項(xiàng)目臨近運(yùn)營跑道、消防站等構(gòu)筑物，需在施工過程中，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息，確保機(jī)場(chǎng)跑道的正常運(yùn)營，避免發(fā)生安全事故及經(jīng)濟(jì)損失，避免造成不良的社會(huì)影響。

1 項(xiàng)目介紹

新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)第三跑道項(xiàng)目位于新加坡東部，毗鄰樟宜機(jī)場(chǎng)第一跑道、第二跑道和第二航站樓，是新加坡樟宜機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目第五航站樓的重要組成部分。ARC 先導(dǎo)明挖隧道全長469m，平均寬度36m，開挖深度為10～15m，采用鋼板樁加工字鋼、滿堂地基加固及鋼支撐組合圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。樟宜機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目地質(zhì)較為單一，大部分區(qū)域由上世紀(jì)90年代填海造陸而成。其中地質(zhì)結(jié)構(gòu)由上而下主要分為回填層（Fill）、加冷地層（Kallang Foundation）及原有沖積層（Old Alluvium）。其中加冷地層為新加坡特有地層分類，主要包含海相粘土層（M）、粘土層（E）、沖積粘土層（F1）及沖積沙層（F2）。因此，本項(xiàng)目監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容較多，數(shù)據(jù)收集及分析工作較為復(fù)雜。

2 監(jiān)控量測(cè)種類及數(shù)量

第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)根據(jù)業(yè)主委托編制監(jiān)控量測(cè)方案，并報(bào)業(yè)主審批。ARC 先導(dǎo)明挖隧道在開挖土方之前設(shè)置：地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（72 個(gè)）；圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（23 個(gè)）；地下水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（18 個(gè)）；水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)（10 個(gè)）；支撐應(yīng)變計(jì)（76 對(duì)）；支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)（15 個(gè)）。

3 監(jiān)控量測(cè)設(shè)備安裝

3.1 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)安裝較為簡(jiǎn)單。根據(jù)平面布置圖，用全站儀放樣出具體位置。以中心點(diǎn)為圓心，采用Φ500mm鉆頭鉆取300mm 深孔道，再用Φ200mm 鉆頭繼續(xù)鉆取700mm 深孔道。將Φ25mm 實(shí)心鍍鋅鋼管至少插入地表以下1300mm，并灌注細(xì)石混凝土填充。此外，沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)在施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)的布設(shè)遵循分級(jí)布設(shè)、逐級(jí)控制的基本原則。首先根據(jù)周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布情況布設(shè)三個(gè)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)選置后應(yīng)與樟宜機(jī)場(chǎng)水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)；其次，根據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的具體情況布設(shè)工作基點(diǎn)，工作基點(diǎn)根據(jù)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和通視條件進(jìn)行選定。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測(cè)由數(shù)顯測(cè)斜儀測(cè)定。測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)孔道埋設(shè)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)50cm 外的土體中，測(cè)斜管的長度為開挖基坑深度的2 倍，且大于圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼板樁長度。測(cè)斜管布點(diǎn)間隔為30m，并在風(fēng)暴水箱陽角等特殊位置增設(shè)安裝。測(cè)斜管安裝流程為：定位-鉆孔-插入護(hù)壁套管-貫入水泥漿-插入測(cè)斜套管-拔除護(hù)壁套管-封頂固定。

測(cè)斜儀是由雙軸探頭，電纜卷軸和配備數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)的電子顯示屏組成，并與多個(gè)傾角傳感器和控制器連接。將傾角傳感器按照固定間距連接在金屬桿上并放入測(cè)斜管中，同時(shí)檢查是否與控制器連接完成。通過控制器讀取傳感器的數(shù)值來獲取不同高程的水平位移情況。例如，傳感器A 處與其下方的傳感器B 處的距離為L，則第i 個(gè)傳感器的測(cè)得的水平位移值Li=Ki·sinαi。將Li累加，可以得到n 個(gè)傳感器串聯(lián)的累計(jì)水平位移:

式中：Ln為測(cè)斜儀累計(jì)水平位移數(shù)值；

K 為兩個(gè)傳感器間的固定距離；

α 為金屬桿的傾斜角度；

n 為傳感器數(shù)量。

3.3 地下水壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

采用VWP 振弦式滲壓計(jì)，測(cè)定地下滲透水壓力。VWP 振弦式滲壓計(jì)是一種利用彈性膜板變形，帶動(dòng)振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的震動(dòng)頻率，進(jìn)而測(cè)定滲透水壓力的感應(yīng)裝置?；緟?shù)為：測(cè)量范圍為-50kPa 至4000kPa；測(cè)溫范圍為-40℃至+80℃等。VWP 振弦式滲壓計(jì)埋設(shè)深度5～10m，埋設(shè)過程中反復(fù)監(jiān)測(cè)測(cè)壓頭讀數(shù)，確保測(cè)壓頭正常工作。測(cè)壓頭插入底部后，在套管周圍填充干凈的細(xì)沙，長度約為1m，作為進(jìn)氣過濾層。沙層上端填充膨潤土碎屑，長度約為1m，作為密封層。循環(huán)以上步驟安裝第二個(gè)測(cè)壓頭，然后用水泥漿填充剩余孔道，直到鉆孔頂部達(dá)到地面水平位置，并放置水泥塞進(jìn)行保護(hù)。

3.4 水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在明挖隧道內(nèi)部和外部埋設(shè)深度為10m 至15m，直徑為2 寸PVC 管道，用作地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)。具體安裝方法為：鉆孔至設(shè)計(jì)深度，采用覆蓋土工織物的2 寸開槽PVC管插入底部，用細(xì)沙回填至頂部。等待PVC 管道牢固后，收回所有鉆孔套管，用水泥塞密封頂部開孔，并加以保護(hù)。

采用電子地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)隧道周圍的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電子地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備為目前新型研發(fā)設(shè)備，一般包括水壓探頭、無線發(fā)射裝置、數(shù)據(jù)處理軟件等，電子地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備具有數(shù)據(jù)可靠，數(shù)據(jù)記錄與自動(dòng)化處理功能等優(yōu)點(diǎn)。

3.5 鋼支撐應(yīng)變計(jì)

當(dāng)受到土壓力作用或施加應(yīng)力及荷載時(shí)，鋼支撐會(huì)發(fā)生拉伸或壓縮現(xiàn)象，從而產(chǎn)生相應(yīng)的變形。鋼支撐應(yīng)變計(jì)（Strain Gauge）的作用就是精確的監(jiān)測(cè)鋼支撐的應(yīng)變，即監(jiān)測(cè)其在應(yīng)力作用下發(fā)生的變形量。安裝時(shí)，在鋼支撐約為1/3 處選定并放樣出應(yīng)變計(jì)安裝位置，打磨以去除表面氧化層。將應(yīng)變計(jì)固定槽順軸線方向安裝在鋼支撐表面，并點(diǎn)焊固定。將應(yīng)變計(jì)傳感器用不銹鋼固定帶固定至卡槽內(nèi)，并進(jìn)行焊接處理。

3.6 支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

支撐軸力監(jiān)測(cè)是在鋼支撐中間位置加設(shè)一個(gè)軸力監(jiān)測(cè)傳感器（Load Cell），可以精確地測(cè)量鋼支撐軸線上的受力情況。安裝前，檢查鋼支撐預(yù)留空間，預(yù)留約240mm 至250mm。空隙內(nèi)兩側(cè)焊接托舉支架后，將軸力檢測(cè)傳感器放置托舉支架上，最終兩側(cè)插入薄金屬墊片填充剩余空間，調(diào)整軸力傳感器至鋼支撐中心位置。

4 初始讀數(shù)及監(jiān)測(cè)頻率

具體見表1。

表1 各監(jiān)控量測(cè)初始數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)頻率表

5 自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的應(yīng)用

新加坡機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目采用Mission OS 系統(tǒng)作為監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)收集及數(shù)據(jù)分析集合平臺(tái)。這個(gè)系統(tǒng)是通過提高監(jiān)測(cè)過程的自動(dòng)化程度和透明度，來降低人為因素造成的施工風(fēng)險(xiǎn)，并在勞動(dòng)密集型的施工產(chǎn)業(yè)中解放勞動(dòng)力，大大提升了施工生產(chǎn)效率。

Mission OS 系統(tǒng)的宗旨：將監(jiān)測(cè)工程師從繁重的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理工作中解脫出來，為他們提供一個(gè)可以快速、便捷地處理、審計(jì)和分析大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平臺(tái)。

5.1 自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的特點(diǎn)

①項(xiàng)目上所有數(shù)據(jù)均可在此平臺(tái)上體現(xiàn)，為大數(shù)據(jù)集合通用平臺(tái)。

②此平臺(tái)是一個(gè)交叉引用、驗(yàn)證和審核數(shù)據(jù)的綜合性數(shù)據(jù)處理中心，將正確信息實(shí)時(shí)傳輸，錯(cuò)誤信息進(jìn)行校對(duì)考證。

③此平臺(tái)輸入結(jié)構(gòu)模塊化，輸入界面簡(jiǎn)潔明確。具有較高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸通道，簡(jiǎn)單易操作。

④此平臺(tái)可作為項(xiàng)目數(shù)據(jù)儲(chǔ)存庫，從平臺(tái)中可查詢自開工以來所保存的全部數(shù)據(jù)。并且預(yù)留多個(gè)開口端，可對(duì)接業(yè)主、設(shè)計(jì)及施工單位自有數(shù)據(jù)平臺(tái)。

5.2 自動(dòng)化數(shù)據(jù)分析平臺(tái)功能

5.2.1 平面布置圖

Mission OS 系統(tǒng)提供以高分地圖為載體，將整個(gè)工程項(xiàng)目地理位置及地形地貌以平面布置圖和三維地形圖的形式展現(xiàn)出來。平面布置圖中，將施工現(xiàn)場(chǎng)按照實(shí)際施工區(qū)域進(jìn)行劃分，可單獨(dú)查看一定影響區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，且每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都能在平面布置圖中精確定位。此系統(tǒng)可在三個(gè)模式下自由切換查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)有狀態(tài)：類型模式、報(bào)警模式和高程模式。類型模式下可以根據(jù)需求對(duì)僅所需類型的監(jiān)測(cè)1 點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)查看；報(bào)警模式為僅顯示已報(bào)警監(jiān)測(cè)點(diǎn)；高程模式是以高程為劃分點(diǎn)，將不同高程的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分顯示。

5.2.2 數(shù)據(jù)分類查詢功能

平臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)配置數(shù)據(jù)篩分系統(tǒng)，對(duì)不同種類的數(shù)據(jù)單獨(dú)儲(chǔ)存，并配有總結(jié)式下拉菜單。使用者可以按照自己的需求快捷、方便地完成查找工作。查找過程中，系統(tǒng)將自動(dòng)提示用戶數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確和完整。此外，可同時(shí)選中多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以方便用戶有針對(duì)性的分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程隱患（如圖1）。

圖1 分類查找系統(tǒng)圖

5.2.3 輔助圖表分析功能

所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以根據(jù)時(shí)間軸的劃分一鍵生成分析圖表，所生成的圖表都是相互獨(dú)立的。用戶可以根據(jù)此功能分析任何時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，更直觀的呈現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化速率和變化程度。所生成的圖表可以進(jìn)行局部的縮放，以展現(xiàn)更為清晰的數(shù)據(jù)走勢(shì)，并可在圖中，顯示單獨(dú)一次的監(jiān)測(cè)具體數(shù)據(jù)。在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析比較過程中，不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)折線圖采用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，并且，可以單獨(dú)隱藏一個(gè)或幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)折線圖，使單獨(dú)分析兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)關(guān)系時(shí)，所表達(dá)的圖表更為簡(jiǎn)潔（如圖2）。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)圖

5.2.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理功能

系統(tǒng)上所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是直接在用于數(shù)據(jù)處理的本地服務(wù)器內(nèi)加載儲(chǔ)存，并上傳至云端平臺(tái)。服務(wù)器內(nèi)的多重算法，可以使任何數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)管理變得簡(jiǎn)單高效。收集的原始數(shù)據(jù)和整個(gè)數(shù)據(jù)的處理過程都可在系統(tǒng)中調(diào)取、查看。除了處理數(shù)據(jù)功能外，Mission OS 系統(tǒng)在導(dǎo)入一系列數(shù)據(jù)后，可以單純用作數(shù)據(jù)可視化工具。

數(shù)據(jù)管理功能還包括數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)審核和數(shù)據(jù)校正功能。數(shù)據(jù)過濾：系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化幅度和持續(xù)變化的峰值，設(shè)置自動(dòng)過濾系統(tǒng)。即系統(tǒng)將原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行篩選，將與事實(shí)偏差較大的數(shù)據(jù)單獨(dú)處理。數(shù)據(jù)隔離：通過數(shù)據(jù)過濾篩選出來的無效數(shù)據(jù)將被自動(dòng)屏蔽隔離，不會(huì)引起系統(tǒng)報(bào)警提示。為確保篩選數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，自動(dòng)屏蔽的數(shù)據(jù)會(huì)單獨(dú)形成一份數(shù)據(jù)報(bào)告，并在后續(xù)的人工篩查中進(jìn)行校核。數(shù)據(jù)審核：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過篩分后，會(huì)經(jīng)過兩級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行處理。第一級(jí)是由數(shù)學(xué)算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；第二級(jí)為管理員級(jí)別，將所有數(shù)據(jù)，包含被隔離數(shù)據(jù)重新審核和校對(duì)，并將合理數(shù)據(jù)代入系統(tǒng)算法中，防止正確數(shù)據(jù)被遺漏。數(shù)據(jù)校正：發(fā)現(xiàn)不正確或存在偏差的數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)中進(jìn)行校正。多重校核系統(tǒng)中，包含各類影響因素:溫度、氣壓、潮汐、風(fēng)速風(fēng)壓和測(cè)量偏差等。系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行相互查證，自動(dòng)校正偏差數(shù)據(jù)。

5.2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警功能

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，將確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)警值和停工值。系統(tǒng)將根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境及工程特點(diǎn)，適當(dāng)修正預(yù)警值。當(dāng)沉降、偏移或壓力達(dá)到預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)將通過短息和郵件將報(bào)警信息實(shí)時(shí)發(fā)送給項(xiàng)目管理人員，以便項(xiàng)目管理人員采取相應(yīng)的措施，防止事態(tài)的進(jìn)一步惡化。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到停工值時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將上傳至新加坡建屋局（BCA），政府部門將強(qiáng)制停止此區(qū)域施工，經(jīng)專家論證，并采取相應(yīng)措施后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)至預(yù)警值以內(nèi)，方可復(fù)工。

5.2.6 自定義報(bào)告生成功能

平臺(tái)可以跟據(jù)用戶的自身喜好，將平面位置圖、地形圖、監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面圖、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析圖、數(shù)據(jù)表格和純文字描述等自由搭配，生成自定義報(bào)告。

6 總結(jié)

新加坡明挖隧道深基坑監(jiān)測(cè)采用全過程信息化管理，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理及管理平臺(tái)，對(duì)項(xiàng)目的整體信息全面掌控，在準(zhǔn)確性、時(shí)效性和前瞻性等幾個(gè)方面有著突出優(yōu)勢(shì)。①將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分，分層、分級(jí)、合理處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。②有效地掌控了基坑開挖變形的實(shí)時(shí)狀態(tài)，將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)通過移動(dòng)端進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，讓項(xiàng)目管理人員能及時(shí)掌握基坑變化情況。③根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)信息，深入分析數(shù)據(jù)走向，掌握變化趨勢(shì)，提前做好預(yù)防措施。新加坡明挖隧道基坑監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)及全過程信息化的應(yīng)用，使得基坑變形初期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)、變形趨勢(shì)能夠及時(shí)預(yù)測(cè)，為基坑安全施工提供寶貴的應(yīng)急時(shí)間，為項(xiàng)目的順利實(shí)施保駕護(hù)航。