段景川， 石昆鵬， 李 圍

(1.中電建南方建設(shè)投資有限公司, 廣東 深圳 518000; 2.浙江華東測繪地理信息有限公司, 杭州 311122；3.上海應(yīng)用技術(shù)大學 軌道交通學院，上海 201418)

由于地鐵工程多在大城市市區(qū)修建，其所處的工程環(huán)境條件十分復(fù)雜[1-3]，需要室內(nèi)相似模型試驗[4]或數(shù)值模擬分析[5]結(jié)果作為結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的依據(jù)。然而，復(fù)雜的工程環(huán)境條件下地鐵施工出現(xiàn)了大量的工程事故，造成了不可避免的人員傷亡和財產(chǎn)損失。為控制施工事故的發(fā)生，施工安全風險評估[6]以及施工全過程監(jiān)控量測[7]成為了有效手段，特別是實時獲取地鐵工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形量值等判斷其安全性并采取相應(yīng)的工程安全措施就顯得尤為重要。

目前我國地鐵建設(shè)中，常用全站儀、高精度水準儀、鋼尺水位計、測斜管和軸力計等儀器進行人工監(jiān)測。當遇到地鐵下穿即有地鐵或高鐵等施工時，多采用全站儀進行自動化監(jiān)測采集數(shù)據(jù)，然后無線傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理[8-9]。同時，在常規(guī)地鐵施工中的安全監(jiān)測也進行了靜力水準自動化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)[10]，但該系統(tǒng)更多地應(yīng)用在地鐵運營中的安全保護監(jiān)測中[11]。

由于人工監(jiān)測不能實時獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，而基于全站儀和靜力水準的自動化監(jiān)測費用較高，則廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、生醫(yī)生化、航空航天、環(huán)保和國防等領(lǐng)域的光纖光柵傳感技術(shù)被引進到建筑工程監(jiān)測中，很大程度上提高了工程建設(shè)自動化監(jiān)測的技術(shù)水平。特別是在壩體工程中應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)比較普遍，如黎峰等[12]應(yīng)用常規(guī)與光纖滲流測量技術(shù)進行了石牛水庫大壩滲流監(jiān)測方案設(shè)計，并進行了現(xiàn)場監(jiān)測對比分析。光纖光柵傳感技術(shù)在地鐵中僅有零星的應(yīng)用，如黃廣龍等[13]在深基坑支撐應(yīng)變監(jiān)測中進行了應(yīng)用。

本文依托深圳地鐵10號線涼帽山車輛基地基坑工程，研究光纖光柵傳感技術(shù)在地鐵工程施工自動化監(jiān)測中的應(yīng)用，并開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)，為我國地鐵工程施工安全監(jiān)測的自動化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況

深圳地鐵10號線涼帽山車輛基地位于龍崗區(qū)秀峰路東側(cè)、水官高速以北和甘李2號路以南的涼帽山山區(qū)內(nèi)，長×寬約為 1 200 m×500 m?；匚鞲邧|低，自西向東基本呈3個臺地地形，高程分別約為130，110，70～90 m，地塊內(nèi)相對高差約為 10～70 m。場地東南端為廢棄的竹坑水庫，水面高程約 65 m；場地西側(cè)邊坡需開挖降低高程，最高高差約為50 m，如圖1所示。地塊南側(cè)、水官高速北側(cè)埋設(shè)了2條高壓燃氣管道及一條中石油高壓管道。

明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)部分位于車輛基地西側(cè)，設(shè)計起始里程左LDK1+378.869、右RDK1+068.840，設(shè)計終點里程左LDK1+861.200、右RDK1+552.727，長約482.3 m，寬約23.6～66.95 m，開挖深度8.5～21.2 m。明挖區(qū)間地下結(jié)構(gòu)包含：①出入段線左、右正線明挖部分；②1號牽出線明挖部分；③通往下層列檢庫聯(lián)絡(luò)線1號隧道明挖部分；④通往下層列檢庫聯(lián)絡(luò)線2號隧道明挖部分；⑤連接試車線的聯(lián)絡(luò)線明挖部分。

深圳地鐵10號線涼帽山車輛基地的工程概貌如圖1所示，包括高邊坡和明挖基坑部分。自動化監(jiān)測的主要指標為：①邊坡位移；②地表沉降；③基坑圍護深層水平位移；④基坑坑外水位；⑤基坑支撐軸力。

圖1 涼帽山車輛基地

圖2 激光位移計組成圖

2 監(jiān)測傳感器及儀器選擇

2.1 沉降與位移

地表和基坑圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降與邊坡坡面位移采用激光位移計監(jiān)測，包括激光發(fā)射器和二維圖像傳感器，將激光器發(fā)射的光斑投射到二維圖像傳感器的成像面上，從而識別出激光光斑在成像面上的位置，測出激光發(fā)射器和二維位移傳感器之間的相對位移，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器進行數(shù)據(jù)處理。

選用JPLD-1000激光位移計傳感器，如圖2所示。該產(chǎn)品帶有2個安裝底座，用于安裝激光發(fā)射器和二維圖像傳感器。通過調(diào)節(jié)安裝底座的位置，從而使激光光斑成像于二維圖像傳感器上，二維圖像傳感器采用RS485 作為通訊協(xié)議，產(chǎn)品提供軟件編程指導，便于系統(tǒng)集成。產(chǎn)品可用于任何測量2點之間有相對位移的場合，配合一定的光路保護措施，可以實現(xiàn)高精度測量。

JPLD-1000激光位移計傳感器的技術(shù)指標：量程50 mm；無空氣影響下分辨率為0.1 mm，30 m范圍內(nèi)有空氣影響下測量精度為<1 mm；接口方式為RS-485；使用溫度為-40～85 ℃；電壓為200 V/AC；激光發(fā)射器外形尺寸為直徑?120 mm、高 50 mm；二維圖像傳感器尺寸為直徑?150 mm、高 100 mm。

圖3 光纖智能測斜管

2.2 基坑圍護深層水平位移

基坑圍護(地層)深層水平位移采用光纖智能測斜管進行監(jiān)測，如圖3所示。用光纖光柵解調(diào)儀對事先安裝在測斜管壁的光柵進行監(jiān)測，測斜管變形后光柵的中心波長會發(fā)生偏移，根據(jù)光纖光柵應(yīng)變測量原理計算出各測點的應(yīng)變，根據(jù)位移與應(yīng)變的關(guān)系式，就可得到測斜管的變形量。采用全波長便攜式光纖解調(diào)儀和光纖解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機進行數(shù)據(jù)處理、采集及傳輸(自動化集成)，綜合測試精度為 0.1 nm/m。

2.3 支撐內(nèi)力

基坑支撐內(nèi)力監(jiān)測采用光纖光柵表面應(yīng)變計，如圖4所示。光纖光柵表面應(yīng)變計的精度為±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波長便攜式光纖光柵解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)，光纖光柵解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機處理和傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度≤1/100(F·S)。

圖4 光纖光柵表面應(yīng)變計

圖5 光纖光柵水位計

2.4 水位

基坑坑外水位采用光纖光柵水位計進行監(jiān)測，如圖5所示。光纖光柵水位計傳感器的技術(shù)指標：量程為1 MPa；精度0.3%(F·S)；靈敏度0.1%(F·S)；選用C波段，范圍為 1 525～1 565 nm，尺寸?3 mm×120 mm；連接電纜的直徑為?3 mm、?8 mm；安裝方式為埋入；工作溫度-30～80 ℃；外殼防護等級為IP68。

2.5 光纖解調(diào)設(shè)備

便攜式光纖解調(diào)儀,如圖6(a)所示。其技術(shù)參數(shù)：1個通道數(shù)；波長范圍 1 525～1 565 nm；精度 ±5 pm；分辨率1 pm；動態(tài)范圍>50 dB；掃描頻率2 Hz；光學接口FC/APC；通信接口USB；采用點陣式液晶屏進行顯示,屏幕大小為240 mm×128 mm;電源100～240 V/AC、50～60 Hz；工耗5～10 W；工作溫度 -10～50 ℃，濕度0～80%；存儲溫度 -20～60 ℃，濕度0%～95%；外型尺寸278 mm×228 mm×98 mm；質(zhì)量2 kg。

圖6 光纖光柵解調(diào)設(shè)備

圖7 自動化監(jiān)控系統(tǒng)

多通道光纖解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機技術(shù)參數(shù)，如圖6(b)所示：通道數(shù)1～16；每通道最大測點數(shù)20；波長范圍 1 525～1 565 nm；分辨率1 pm；動態(tài)范圍>50 dB；掃描頻率1～5 Hz(低速)，5 kHz(單通道)；對所有通道并行掃描；全光譜；光學接口FC/APC；采用100 MB以太網(wǎng)，通信模塊GPRS；電源交流220 V/50 Hz；功耗<40 W；電池使用時間12 h；工作溫度 -10～50 ℃，濕度0%～80%，無凝結(jié)；存儲溫度 -20～60 ℃，濕度0%～95%，無凝結(jié)；質(zhì)量3 kg；外形尺寸(長×寬×高)為482 mm×340 mm×89 mm。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、圖表輸出、預(yù)報警及應(yīng)急處置等部分組成，如圖7所示。數(shù)據(jù)自動采集平臺由客戶端與服務(wù)端組成。

(1)將客戶端程序安裝在現(xiàn)場的計算機上。先用電纜線連接監(jiān)測儀器與計算機，然后安裝自動采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)的客戶端及數(shù)據(jù)讀取程序，通過讀取程序讀取儀器中自動生成的數(shù)據(jù)文件，再通過自動采集數(shù)據(jù)平臺客戶端讀入數(shù)據(jù)文件，并進行初步處理后保存至自動采集數(shù)據(jù)平臺的本地數(shù)據(jù)庫中，完成各儀器的數(shù)據(jù)自動化讀入，最后通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)端查詢分析。

(2)服務(wù)端安裝在建設(shè)管理單位的服務(wù)器上。將服務(wù)器連接到Internet，并通過IP地址將服務(wù)器與服務(wù)端連接來傳輸數(shù)據(jù)。服務(wù)端具備多客戶端同時連接使用的功能，實現(xiàn)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)的同時上傳與處理。服務(wù)端程序接收客戶端的數(shù)據(jù)后，先檢查數(shù)據(jù)的正確性，然后保存到中央服務(wù)器中，還隨時可為各客戶端提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

可提供有線或無線的方式通信自動采集數(shù)據(jù)平臺客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在現(xiàn)場計算機里和中央服務(wù)器上。

系統(tǒng)的特點：①能夠?qū)崿F(xiàn)基坑維護結(jié)構(gòu)和高邊坡的變形自動化監(jiān)測，無需人員進行監(jiān)控，采集方式可以設(shè)定時間采集，特殊事件采集等；②系統(tǒng)實現(xiàn)無線傳輸，無需長距離布設(shè)線纜、光纜，有效保證系統(tǒng)整體的長期穩(wěn)定、可靠運營，能長期、實時、同步、連續(xù)地采集數(shù)據(jù)；③系統(tǒng)具有強大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠程共享能力，具有自檢、校準、控制功能；④實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)信息化管理，能夠根據(jù)評價系統(tǒng)的指令，為其提供指定格式、內(nèi)容的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，并調(diào)整數(shù)據(jù)采集與處理工況參數(shù)，相關(guān)人員可通過不同權(quán)限登入系統(tǒng)或利用手機取得現(xiàn)場結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)及安全評估信息；⑤系統(tǒng)具有良好的可兼容性和更新升級能力；⑥當結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常信息時，系統(tǒng)自動進行預(yù)報警，在監(jiān)控中心以聲音和警示燈進行報警，并通過短信方式將信息及時轉(zhuǎn)達給相關(guān)管理人員。

4 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

4.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

光電式解調(diào)儀通過內(nèi)部通道控制每個傳感器。光纖光柵32通道解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機通過內(nèi)部光開關(guān)控制每個通道的數(shù)據(jù)采集，待采集完一個通道的數(shù)據(jù)，光開關(guān)自動關(guān)閉該通道并開啟下一個通道，以此完成每個通道的數(shù)據(jù)自動采集。通過在工地現(xiàn)場安裝自動監(jiān)測儀器(光纖光柵解調(diào)儀和光電成像解調(diào)儀)，實現(xiàn)全天候、連續(xù)、網(wǎng)絡(luò)化的自動監(jiān)測各監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)變化情況。通過監(jiān)測現(xiàn)場的自動監(jiān)測平臺進行數(shù)據(jù)采集與傳輸。

4.2 數(shù)據(jù)處理、分析與圖表輸出

監(jiān)測數(shù)據(jù)必須及時處理，故要求自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠進行初始條件自動修正(如氣象條件、儀器常數(shù)等)、測網(wǎng)平差、報表填寫、監(jiān)測點各期坐標值及變形趨勢圖輸出等，做到監(jiān)測的外業(yè)結(jié)束時內(nèi)業(yè)亦同步結(jié)束。

從施工現(xiàn)場采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)被自動導入數(shù)據(jù)庫進行處理分析后，系統(tǒng)將自動判斷施工現(xiàn)場當前所處的狀態(tài)(安全或預(yù)警、報警，根據(jù)設(shè)計單位給出的監(jiān)測指標控制值，并將其提前錄入系統(tǒng))，最后將用醒目的、具有人性化的界面向用戶顯示分析結(jié)果，例如在沉降和測斜監(jiān)測結(jié)果中用綠顏色表示安全、黃顏色表示預(yù)警、而紅顏色表示報警。

系統(tǒng)提供各參建單位的根據(jù)各自紙質(zhì)報告格式不同編輯形成各自單位的紙質(zhì)報告模板，在系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)庫從工點現(xiàn)場的自動化采集平臺采集完成到當天的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)按照模板樣式自動生成監(jiān)測報告并附典型特征監(jiān)測項目的過程線和分布線。

5 結(jié) 語

依托深圳地鐵10號線涼帽山車輛基地工程，開發(fā)了邊坡和基坑工程自動化監(jiān)測系統(tǒng)：①采用激光位移計監(jiān)測地表和基坑圍護結(jié)構(gòu)頂部沉降與邊坡坡面位移；②采用光纖智能測斜管監(jiān)測基坑圍護深層水平位移；③采用光纖光柵表面應(yīng)變計監(jiān)測基坑支撐內(nèi)力；④采用光纖光柵水位計監(jiān)測基坑坑外水位；⑤自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、圖表輸出、預(yù)報警及應(yīng)急處置等部分組成，數(shù)據(jù)自動采集平臺由客戶端與服務(wù)端組成。該系統(tǒng)減少監(jiān)測人員、降低勞動強度、提高監(jiān)測精度、節(jié)約成本等方面優(yōu)勢明顯，值得推廣應(yīng)用。