自動(dòng)化監(jiān)測(cè)在地鐵基坑工程中的應(yīng)用研究

【摘要】文中基于智慧建造背景下地鐵基坑工程面臨的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在其中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。闡述了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用流程，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、處理以及成果的反饋。重點(diǎn)介紹了地鐵基坑工程中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，包括建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、合理設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)基坑墻頂位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地下水位與支撐軸力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】智能建造；地鐵基坑工程；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU17 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2025）02-0007-03

0 引言

在我國(guó)工程建造持續(xù)發(fā)展的過(guò)程中，數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用使得相關(guān)工作出現(xiàn)了數(shù)字化發(fā)展傾向。在大力推進(jìn)智能建造的背景下，將自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用地鐵基坑工程中，在采集數(shù)據(jù)、提高工程施工安全性方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在現(xiàn)代科技持續(xù)發(fā)展的影響下，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)以及設(shè)備類(lèi)型變得越發(fā)多樣，需要相關(guān)單位在地鐵基坑工程建設(shè)期間根據(jù)質(zhì)量、成本、工期、安全性等方面，科學(xué)選擇相應(yīng)技術(shù)以及設(shè)備。文章通過(guò)分析智能建造背景下的地鐵基坑工程中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，為其施工中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作調(diào)整以及優(yōu)化提供參考。

1 地鐵基坑工程建設(shè)中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用流程

1.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集以及處理

在地鐵工程施工建設(shè)過(guò)程中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)能全面、實(shí)時(shí)收集以及處理相關(guān)數(shù)據(jù)，包括水平、豎向位移、支撐軸力、深層水平位移以及地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。而在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和處理期間，必須使用智能化、專(zhuān)業(yè)化的軟件以及平臺(tái)借助模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將最終獲得的結(jié)果進(jìn)行初步判定，對(duì)超出閾值要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警界定與標(biāo)注，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)成果的直觀(guān)可視化。

1.2 監(jiān)測(cè)成果及時(shí)反饋

地鐵基坑工程施工規(guī)模大，深度深，周邊環(huán)境復(fù)雜，社會(huì)影響大，因而建設(shè)期間監(jiān)測(cè)工作尤為重要。需要及時(shí)為各參建單位提供工程建設(shè)的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，根據(jù)數(shù)據(jù)異常變化及時(shí)采取相關(guān)處理措施，及時(shí)預(yù)測(cè)各種潛在安全隱患以及事件，在控制各種質(zhì)量、安全事故發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，提高整體的工程建設(shè)的安全性及效率[1]?？傮w來(lái)看，在地鐵基坑工程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)期間，為全面提高監(jiān)測(cè)工作的信息化程度，需要建立較為完善且順暢的信息傳遞渠道，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。一般而言，監(jiān)測(cè)信息需要以日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)的形式進(jìn)行上報(bào)，并且需要符合目前的管理體系以及各管理方的要求。如果監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)和信息結(jié)果超過(guò)閾值要求，系統(tǒng)能夠自動(dòng)判斷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，并將預(yù)警信息實(shí)時(shí)反饋給相關(guān)人員，具體的內(nèi)容以及方式必須符合工程管理方的具體要求。

2 地鐵基坑工程中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 建立完善的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在地鐵基坑工程建設(shè)期間，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)內(nèi)部的硬件系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集設(shè)備、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心和現(xiàn)場(chǎng)控制箱作為主要組成部分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成如圖1所示。

在地鐵基坑工程施工建設(shè)期間，監(jiān)測(cè)單位需要利用固定式測(cè)斜儀、鋼筋計(jì)、水壓力計(jì)、高精度測(cè)量機(jī)器人等自動(dòng)化、智能化傳感器來(lái)采集工程建設(shè)期間的各種數(shù)據(jù)。

此外，在基坑施工期間，需要在不受施工影響的區(qū)域內(nèi)完成現(xiàn)場(chǎng)控制箱的布局施工，內(nèi)部設(shè)置的傳感器數(shù)據(jù)采集儀器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、工控機(jī)等部件都具備明顯的智能化、自動(dòng)化特點(diǎn)，可以針對(duì)工程建設(shè)期間的數(shù)據(jù)自行收集、上傳。同時(shí)為了全面提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，測(cè)量機(jī)器人與工控機(jī)也需要在自動(dòng)化工作期間建立聯(lián)系，一般使用有線(xiàn)連接方式。各種現(xiàn)代化、智能化傳感器也需要與數(shù)據(jù)采集儀利用有線(xiàn)方法進(jìn)行連接，且連接位置位于端口。硬件系統(tǒng)中的智能傳感器數(shù)據(jù)采集儀、工控機(jī)能夠與數(shù)據(jù)傳輸模塊有效對(duì)接，可以利用無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心及時(shí)上傳各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)后臺(tái)上傳的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行處理、分類(lèi)儲(chǔ)存，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果自行處理常見(jiàn)的基礎(chǔ)問(wèn)題。

在軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)期間，需要與知名的軟件開(kāi)發(fā)企業(yè)合作，保障系統(tǒng)能夠同時(shí)擁有三維坐標(biāo)、深層水平位移、支撐軸力以及地下水位監(jiān)測(cè)等多方面的功能，在自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的同時(shí)，數(shù)據(jù)要做到分類(lèi)儲(chǔ)存以及管理[2]。還要具備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、預(yù)警等功能。

2.2 基準(zhǔn)點(diǎn)的合理設(shè)置

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需要在地鐵基坑工程的施工現(xiàn)場(chǎng)合理地設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)。從平面控制網(wǎng)的設(shè)置來(lái)看，地基基礎(chǔ)和場(chǎng)地的位移數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需要利用2個(gè)層次的控制網(wǎng)布置模式，由控制點(diǎn)組成的控制網(wǎng)需要具有一定的拓展空間，控制網(wǎng)可使用測(cè)角網(wǎng)、測(cè)邊網(wǎng)以及邊角網(wǎng)交會(huì)方法進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于一級(jí)、二級(jí)或存在實(shí)際需求的三級(jí)控制點(diǎn)需要設(shè)置觀(guān)測(cè)墩，且觀(guān)測(cè)墩需要具備強(qiáng)制對(duì)中裝置，對(duì)中誤差不得超過(guò)0.1 mm[3]?？刂泣c(diǎn)需要能夠在長(zhǎng)期保存的同時(shí)具有一定的擴(kuò)展空間，并且相鄰的控制點(diǎn)需要具備良好的通視效果，避免受到外界光線(xiàn)的影響。在平面控制網(wǎng)設(shè)計(jì)期間，相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)變形測(cè)量的具體要求，針對(duì)工作基點(diǎn)、聯(lián)系點(diǎn)、定向點(diǎn)等合理布局，每個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)的數(shù)量分別不得少于4個(gè)。

從高程控制網(wǎng)絡(luò)布設(shè)工作來(lái)看，相關(guān)人員需要在遠(yuǎn)離基坑深度5倍、地層性質(zhì)穩(wěn)固且不容易破壞的地方設(shè)置高程基準(zhǔn)點(diǎn)，在條件允許的情況下設(shè)置基巖標(biāo)，做到在提高數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)精度的前提下，有效控制觀(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。如果目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)物數(shù)量相對(duì)較少，則需要基于單一層次的標(biāo)準(zhǔn)合理設(shè)置控制點(diǎn)、觀(guān)測(cè)點(diǎn)。如果監(jiān)測(cè)區(qū)域的建筑物數(shù)量較多，則需要以2個(gè)層次的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)設(shè)置控制點(diǎn)和工作基點(diǎn)，在形成完善控制網(wǎng)的前提下，預(yù)留出一定的擴(kuò)展空間，每個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)數(shù)量不得少于3個(gè)[4]。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置

為了全面提高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)工作的效率以及觀(guān)測(cè)精度，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)工作中，相關(guān)人員需要以基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和變形點(diǎn)3級(jí)層次為基礎(chǔ)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。選擇順著基坑邊緣設(shè)置墻頂位移觀(guān)測(cè)點(diǎn)，在通視位置上合理確定觀(guān)測(cè)點(diǎn)位置，且觀(guān)測(cè)點(diǎn)和安全欄的距離不得小于300 mm。

地下水位監(jiān)測(cè)孔布設(shè)過(guò)程中，利用鉆進(jìn)成孔施工方法。施工人員需要在規(guī)定的觀(guān)測(cè)地段嚴(yán)格遵照施工方案要求進(jìn)行鉆孔，水位管的安裝也應(yīng)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范及方案要求，監(jiān)測(cè)孔的上部應(yīng)封孔處理。在現(xiàn)場(chǎng)打好的水位孔中放置自動(dòng)化水位監(jiān)測(cè)元件，并在水位孔的上部放置采集模塊，監(jiān)測(cè)孔孔口設(shè)置保護(hù)裝置。水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備可采用蓄電池供電或插線(xiàn)頭供電2種方式，適合不同的工地環(huán)境。

在預(yù)埋圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移測(cè)孔時(shí)，施工人員應(yīng)嚴(yán)格按照施工方案要求在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)預(yù)埋測(cè)斜管，并采取相關(guān)措施保證測(cè)斜孔的成活率及有效深度。測(cè)斜管通常在基坑迎土面設(shè)置，并且必須有一個(gè)內(nèi)凹槽方向與基坑方向保持垂直關(guān)系。冠梁施工完成后在測(cè)斜孔內(nèi)安裝自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)安裝管口承重裝置，監(jiān)測(cè)設(shè)備保護(hù)裝置及電線(xiàn)電纜的設(shè)置應(yīng)適用于施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境。

支撐軸力監(jiān)測(cè)也是地鐵基坑工程的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，會(huì)使用到多種現(xiàn)代化自動(dòng)化的傳感器以及監(jiān)測(cè)設(shè)備。在監(jiān)測(cè)期間，需要監(jiān)測(cè)方根據(jù)具體工程科學(xué)確定軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量及其布局。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在支撐內(nèi)力較大且受力簡(jiǎn)單、在整個(gè)支撐系統(tǒng)中起控制作用的桿件上，監(jiān)測(cè)截面選擇在2個(gè)支點(diǎn)間的1/3部位，避開(kāi)節(jié)點(diǎn)位置。混凝土支撐施工時(shí)，在鋼筋綁扎完成后，在監(jiān)測(cè)截面4個(gè)角點(diǎn)或者4個(gè)中點(diǎn)的主鋼筋上分別布設(shè)1個(gè)傳感器，在安裝結(jié)束之后，需要對(duì)智能化傳感器進(jìn)行測(cè)量，保障其能夠處于正常狀態(tài)。

2.4 基坑墻頂?shù)乃脚c豎向位移監(jiān)測(cè)

在設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)之后，監(jiān)測(cè)單位便可以針對(duì)基坑墻頂?shù)乃揭约柏Q向位移數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在該環(huán)節(jié)可以引進(jìn)自動(dòng)化測(cè)量機(jī)器人，其具備自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別、找準(zhǔn)、目標(biāo)跟蹤及自動(dòng)測(cè)角、測(cè)距、記錄等功能，可以在地鐵基坑工程建設(shè)期間借助邊角測(cè)量對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維方向進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

利用測(cè)量機(jī)器人和圓棱鏡采集以及分析數(shù)據(jù)，圓棱鏡的方向應(yīng)與觀(guān)測(cè)站的方向基本保持一致。同時(shí)，測(cè)量機(jī)器人要設(shè)置在觀(guān)測(cè)墩上，利用相關(guān)方法與計(jì)算機(jī)后臺(tái)建立關(guān)系，同時(shí)相關(guān)人員需要進(jìn)行性能調(diào)試。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行有效收集三維位移數(shù)據(jù)，相關(guān)人員能夠在科學(xué)設(shè)置檢測(cè)站坐標(biāo)的前提下進(jìn)行定向處理，測(cè)量機(jī)器人能夠針對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集的各種數(shù)據(jù)全方位進(jìn)行記錄。根據(jù)外界環(huán)境的變化調(diào)整對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)，確保不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的日常監(jiān)測(cè)工作的有效落實(shí)。相關(guān)人員在針對(duì)系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置數(shù)據(jù)收集頻率及工作周期之后，可以在工控機(jī)中逐漸導(dǎo)入信息配置文件，由相關(guān)設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)指令自主進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝、調(diào)試工作結(jié)束之后，工控機(jī)與測(cè)量機(jī)器人之間需要建立密切的聯(lián)系，且測(cè)量服務(wù)也需要在工控機(jī)內(nèi)部發(fā)布，但其占用的資源需要合理進(jìn)行管控。在測(cè)量機(jī)器人讀取測(cè)量信息配置文件之后，可以遵照之前設(shè)定的流程以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)方面的要求獲取其三維坐標(biāo)，并就初始和監(jiān)測(cè)數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比，以此為基礎(chǔ)計(jì)算具有墻頂水平以及豎向方向的位移數(shù)值，同步繪制相應(yīng)的變化曲線(xiàn)。

2.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)人員做到每間隔2 m在測(cè)斜管內(nèi)安裝固定式測(cè)斜儀，同時(shí)這些儀器需要利用固定連桿建立連接關(guān)系，這些設(shè)備在完成安裝之后便可自動(dòng)收集各種數(shù)據(jù)，隨后從測(cè)斜管口逐漸引出通信線(xiàn)纜，通過(guò)儀器的逐一測(cè)試，保障傳感器能夠穩(wěn)定獲取數(shù)據(jù)，為管理決策提供數(shù)據(jù)支持。

固定式測(cè)斜儀在完成安裝工作之后，相關(guān)人員應(yīng)及時(shí)記錄初始讀數(shù)。如果出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的問(wèn)題，測(cè)斜管會(huì)產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，以此自動(dòng)記錄表數(shù)據(jù)的變化，儀器姿態(tài)也會(huì)產(chǎn)生變化，從而針對(duì)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在與初始數(shù)值進(jìn)行對(duì)比的前提下，可以得到不同傳感器的傾角變化量，結(jié)合測(cè)斜儀的固定長(zhǎng)度可以得出對(duì)應(yīng)的水平位移數(shù)值，系統(tǒng)后臺(tái)可以自動(dòng)繪制位移變化曲線(xiàn)。

2.6 地下水位監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)單位可以使用振弦式水壓力計(jì)采集各種水位數(shù)據(jù)，設(shè)備可以在自動(dòng)化采集相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用電腦將其傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)，以此為基礎(chǔ)測(cè)量對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的水壓力。相關(guān)人員需要利用鉆孔的方法設(shè)置水位管，并針對(duì)管口和水面的深度進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用1 mm直徑的鋼絲懸掛式壓力機(jī)將其逐漸下放到管內(nèi)水面4～5 m的位置上。在水壓力計(jì)安裝工作完成之后，利用傳統(tǒng)水位計(jì)對(duì)于管內(nèi)的水位值進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)初始讀數(shù)以及采集讀數(shù)二者之間的對(duì)比能夠得到水壓力數(shù)值，最終計(jì)算得出水深。

2.7 支撐軸力監(jiān)測(cè)

在基坑施工期間，對(duì)支撐軸力實(shí)時(shí)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)模塊將采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至數(shù)據(jù)平臺(tái)，云平臺(tái)設(shè)置好后端公式可直接得出軸力值，并繪制對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。相關(guān)人員能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化及時(shí)采取措施，提出針對(duì)性解決方案。

3 結(jié)語(yǔ)

為提高自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用效果，需要相關(guān)單位在建立完善自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前提下，針對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)合理布局，并在調(diào)試之后開(kāi)展基坑墻頂水平、豎向位移監(jiān)測(cè)和深層水平位移監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)工作，采集對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并針對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，提高地鐵基坑工程的施工質(zhì)量以及安全性?？偠灾谖覈?guó)推進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展的背景下，地鐵基坑工程的建設(shè)工作需要對(duì)其基坑及周邊環(huán)境安全進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以在收集不同環(huán)節(jié)大量數(shù)據(jù)的前提下及時(shí)進(jìn)行收集以及成果反饋，為地鐵建設(shè)保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡增輝，胡斌，王嘉偉，等.地鐵基坑工程安全風(fēng)險(xiǎn)管控平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2024（2）：1-5.

[2] 徐岱，方涵青.蘇州地鐵深基坑自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析[J].江蘇建筑，2023（1）：103-105.

[3] 陳慶華，李鋒，趙磊，等.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在地鐵基坑工程監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析[J].新型工業(yè)化，2021，11（8）：112-113.

[4] 李金昌.地鐵既有線(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（9）：114-115.

[作者簡(jiǎn)介]劉杰（1991—），男，安徽六安人，本科，工程師，研究方向：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。