呂 波

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)

本系統(tǒng)利用布置在現(xiàn)場(chǎng)的全站儀、軸力計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、深基坑施工過(guò)程中支撐內(nèi)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)斜、頂端位移、坑底沉降、基坑內(nèi)外水位等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

1.1 確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型及位置

針對(duì)隧道、基坑建設(shè)中車站基坑施工實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，編制監(jiān)測(cè)方案，確定施工現(xiàn)場(chǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍房屋及構(gòu)筑物、既有管線等重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)類型及位置。

1.2 確保數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性、可靠性

針對(duì)隧道與深基坑施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)施監(jiān)測(cè)，具有測(cè)量范圍大，距離遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)眾多等特點(diǎn)，對(duì)外場(chǎng)設(shè)備供電、監(jiān)測(cè)信息傳輸?shù)确矫嫣岢隽烁叩囊?。系統(tǒng)應(yīng)用傳感器感知技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、通過(guò)應(yīng)用平臺(tái)智能處理確保數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性、可靠性。

1.3 安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)化預(yù)警

由于涉及到變形類、應(yīng)變類、應(yīng)力類等多種傳感器，利用多源信息融合技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，動(dòng)態(tài)判斷工程風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)化預(yù)警。

2 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性和可行性分析

2.1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析

隧道及深基坑施工結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)、預(yù)警技術(shù)等方面發(fā)展日趨完善，系統(tǒng)可以采用DCI架構(gòu)開(kāi)發(fā)，以HTML5和ReactNative構(gòu)建GUI，使用WEBSERVICES作為功能接口，利用ORM進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)交互，另外還可融入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理。將傳感器敏感元件、微納器件和智能系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合研發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的高性能、小型化和智能化，可以有效解決土體的一些位移、裂縫等變形且不易被肉眼察覺(jué)等問(wèn)題。在施工階段，在位移或裂縫發(fā)生的初期進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，能夠更早地對(duì)變形采取應(yīng)對(duì)措施，防止變形的進(jìn)一步發(fā)展而導(dǎo)致塌方等事故的發(fā)生。通過(guò)更換不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、全方位、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)感知。將接收到的物理量或者化學(xué)量轉(zhuǎn)換為適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾娦盘?hào)，為信息傳輸做準(zhǔn)備。

在多傳感信息融合方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)此領(lǐng)域的研究也發(fā)展迅猛。信息融合(information fusion)起初被稱為數(shù)據(jù)融合(data fusion，起源于1973年美國(guó)國(guó)防部資助研發(fā)的聲納信號(hào)處理系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，更加廣義概念的“信息融合”被提出。1988年，美國(guó)將C3I系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)列為國(guó)防部重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的二十項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。在英國(guó)，陸軍開(kāi)發(fā)了炮兵智能信息融合系統(tǒng)(AIDD)和機(jī)動(dòng)與控制系統(tǒng)(WAVELL)。歐洲五國(guó)還制定了聯(lián)合開(kāi)展多傳感器信號(hào)與知識(shí)綜合系統(tǒng)(SKIDS)的研究計(jì)劃。軍事領(lǐng)域是信息融合的誕生地，也是信息融合技術(shù)應(yīng)用最為成功的地方。

3 技術(shù)應(yīng)用及指標(biāo)

無(wú)線自動(dòng)化在線監(jiān)控測(cè)量技術(shù)可以作為隧道及深基坑施工的重要組成部分，也是監(jiān)控施工過(guò)程中巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段。本系統(tǒng)構(gòu)建一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道及深基坑施工過(guò)程位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于隧道及深基坑施工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周圍土體以及基坑周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，防范位移及變形過(guò)大引發(fā)的工程事故，確保施工過(guò)程中工程結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全，提升了隧道及深基坑施工過(guò)程的智能化、信息化水平。

利用布置在現(xiàn)場(chǎng)的全站儀、軸力計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道、深基坑施工過(guò)程中支撐內(nèi)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)斜、頂端位移、坑底沉降、基坑內(nèi)外水位等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

沉降監(jiān)測(cè)：影響沉降的因素有很多，例如開(kāi)挖過(guò)程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)未及時(shí)加固，引起地面沉降或者由于支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擠土效應(yīng)導(dǎo)致地面隆起；基坑的非對(duì)稱性開(kāi)挖導(dǎo)致土體產(chǎn)生不平衡力，軟土層發(fā)生蠕變導(dǎo)致土體位移產(chǎn)生地表沉降；過(guò)量抽取地下水，而未采取回灌措施，導(dǎo)致鄰近建筑物及地下管線開(kāi)裂變形等等。沉降監(jiān)測(cè)采用電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)。

支撐軸力在線監(jiān)測(cè)：支護(hù)體系外側(cè)的側(cè)向土壓力由圍護(hù)樁及支撐體系所承擔(dān)，當(dāng)實(shí)際支撐軸力與支撐在平衡狀態(tài)下應(yīng)能承擔(dān)的軸力(設(shè)計(jì)值)不一致時(shí)，將可能引起支護(hù)體系失穩(wěn)。為了監(jiān)控隧道、基坑施工期間支撐的內(nèi)力狀態(tài)，需設(shè)置支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐體系根據(jù)支撐構(gòu)件材料的不同可分為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩大類。這兩類支撐在進(jìn)行支撐軸力監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)各自的受力特點(diǎn)和構(gòu)件的構(gòu)造情況，選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)試變量，埋設(shè)與測(cè)試變量相應(yīng)的振弦式傳感器進(jìn)行變量測(cè)試。混凝土支撐構(gòu)件一般選擇鋼筋計(jì)進(jìn)行測(cè)試，鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)通過(guò)軸力計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

地下水位在線監(jiān)測(cè)：隧道、基坑降水將導(dǎo)致周邊地下水位的下降，地下水位的下降將導(dǎo)致土體的固結(jié)變形。土體沉降變形過(guò)大將導(dǎo)致周邊建(構(gòu))筑物、道路、管線的沉降和不均勻沉降，通過(guò)對(duì)地下水位變化的監(jiān)測(cè)，分析和預(yù)測(cè)土體變形、水土壓力的變化和基坑的穩(wěn)定，指導(dǎo)施工。地下水位在線監(jiān)測(cè)選擇振弦式滲壓計(jì)又叫孔隙水壓力計(jì)，主要用于基坑、邊坡、堤壩、尾礦庫(kù)等結(jié)構(gòu)物內(nèi)孔隙水壓力或浸潤(rùn)線的長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

4 社會(huì)效益分析

本項(xiàng)目研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道、深基坑施工結(jié)構(gòu)安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)施工過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，能夠監(jiān)控及預(yù)防隧道、基坑開(kāi)挖過(guò)程中的過(guò)大位移和變形，保護(hù)基坑施工影響范圍內(nèi)建筑物、既有管線以及行車路面的結(jié)構(gòu)安全。從技術(shù)上對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)事故做到防患于未然，在保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、預(yù)防事故災(zāi)害等方面具有巨大的社會(huì)效益。

本項(xiàng)目的研發(fā)是以我省高新技術(shù)企業(yè)為主體，借助國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)高校的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及我省高速公路及城市軌道交通建設(shè)單位提供的應(yīng)用平臺(tái)，在隧道、深基坑建設(shè)安全管理這一全新領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)突破并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展方面能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通過(guò)多種傳感器感知現(xiàn)場(chǎng)信息、構(gòu)建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用平臺(tái)智能處理，判斷工程風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。解決了監(jiān)測(cè)實(shí)效性低、環(huán)境影響因素大、人為誤差大等問(wèn)題；利用多源信息融合技術(shù)對(duì)多種傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，為工程實(shí)施提供及時(shí)的參考數(shù)據(jù)；系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之間相互印證、補(bǔ)充、校驗(yàn)，確保監(jiān)測(cè)資料的可靠、連續(xù)，以利于數(shù)值計(jì)算、故障分析和狀態(tài)研究；最終可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周圍土體以及基坑周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，防范位移及變形過(guò)大引發(fā)的工程事故，確保施工過(guò)程中工程結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全，提升了隧道及深基坑施工過(guò)程的信息化水平。