陳長智 梁仕賢 杭建國 施行之

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司 北京市 100176）

1 引言

綜合管廊，是建于城市地下，用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。

云南昭通管廊項目位于昭陽北部新區(qū)的核心組團(tuán)、菁門組團(tuán)片區(qū)，貫穿北部新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的商務(wù)中心、行政文化中心、產(chǎn)業(yè)中心。本項目建設(shè)是對新區(qū)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)要求的主動適應(yīng)，將完善新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施，加快北部新區(qū)建設(shè)步伐，節(jié)約新區(qū)土地資源，減少新區(qū)路面二次開挖，降低建設(shè)維護(hù)費用，減少地下管線建設(shè)及維護(hù)對新區(qū)交通的影響，促進(jìn)新區(qū)地下空間的集約化開發(fā)與利用。

項目一期工程主要包括敦煌路綜合管廊和控制中心。敦煌路綜合管廊實施范圍為K0+026.5至K4+940，長度4913.5m，矩形三艙（燃?xì)馀?、水艙、訊電艙）結(jié)構(gòu)，燃?xì)馀摷{入天然氣管，水艙納入給水管、預(yù)留再生水管管位，訊電艙納入10kV、110kV 電力電纜及市政通信線纜?？刂浦行奈挥诮?jīng)八路與水富路之間，南側(cè)距離經(jīng)八路口120m，地上三層、地下局部負(fù)一層，總用地面積3000m2，地上總建筑面積2509m2。敦煌路綜合管廊在永善路、經(jīng)八路和國學(xué)路，預(yù)留三處與規(guī)劃綜合管廊相交的交叉節(jié)點。

2 管廊深基坑情況分析

本項目三處交叉節(jié)點采用上下層形式設(shè)置，如圖1所示，主要地質(zhì)情況如下：

圖1：交叉節(jié)點設(shè)計圖

（1）基坑深度在10～12 米之間，屬于深基坑范疇；

（2）基坑處地質(zhì)總體穩(wěn)定，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要是基坑邊坡，特殊性土主要為雜填土、飽和砂土、軟土及膨脹土，砂土有輕微液化；

（3）地下水初見水位3.2～8.4 米之間，穩(wěn)定水位埋深在地面下1.8～3.3 米之間，基坑疏水量中等，為承壓水，含水層以圓礫、卵石、粉砂、礫砂、粉土為主。隔水層為黏土；

（4）基坑毗鄰學(xué)校、酒店和交通道路，結(jié)構(gòu)風(fēng)險較大。

綜合考慮綜合管廊基坑周邊環(huán)境以及地質(zhì)條件復(fù)雜程度、基坑深度等因素，本項目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過大變形對基坑周邊環(huán)境或管廊主體結(jié)構(gòu)施工安全的影響非常嚴(yán)重，按基坑破壞后果的嚴(yán)重程度劃分設(shè)計等，其安全等級為一級。

如圖2所示，鑒于對管廊深基坑的安全性要求，有必要設(shè)計一套在線式基坑監(jiān)測系統(tǒng)，對基坑在管廊施工過程中存在的重大安全風(fēng)險點進(jìn)行實時自動化安全監(jiān)測，實時上傳數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實時了解基坑的健康狀態(tài)，幫助檢測人員快速定位基坑主要危險源，及時對基坑安全性作出準(zhǔn)確評估，預(yù)防事故發(fā)生，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失。

圖2：現(xiàn)場施工圖片

3 在線式基坑監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 監(jiān)測目的和主要監(jiān)測參數(shù)

通過對綜合管廊基坑應(yīng)用場景的深入分析，在線式基坑監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測目的為：

（1）對基坑及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，預(yù)警并防范過大位移、變形與工程事故的發(fā)生，并通過監(jiān)測實現(xiàn)基坑工程信息化施工。

（2）通過監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中的周邊環(huán)境變化發(fā)展趨勢，及時反饋信息，從而有效控制基坑施工對周邊環(huán)境的影響。

（3）及時反映基坑施工過程中由于基坑開挖造成的坑外土體的動態(tài)變化，明確各施工階段對坑外土層的影響，及時分析可能出現(xiàn)的事故隱患。

（4）通過監(jiān)測及時調(diào)整支護(hù)系統(tǒng)的受力均衡問題，使整個基坑在開挖過程中始終處于安全、可控的范圍內(nèi)。

（5）及時掌握立柱樁的差異沉降狀況，保障基坑施工過程中支撐體系的受力穩(wěn)定。

（6）了解降水過程中，坑內(nèi)外水位的變化情況。通過監(jiān)測及早發(fā)現(xiàn)已存在或可能存在的基坑止水帷幕滲漏問題，分析可能出現(xiàn)滲漏的原因，并提請施工單位采取及時、有效的補救措施，防止施工過程中出現(xiàn)大面積涌砂現(xiàn)象。

（7）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值的對比，判斷上一施工工藝和施工參數(shù)是否符合或達(dá)到預(yù)期要求，及時調(diào)整工藝及參數(shù)，確保順利實現(xiàn)下一施工進(jìn)度控制，從而切實實現(xiàn)信息化施工。

（8）及時將現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果反饋給設(shè)計單位，使設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場工況發(fā)展進(jìn)一步優(yōu)化方案，保障優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工快捷目標(biāo)的實現(xiàn)。

（9）通過周密的監(jiān)測控制，及時發(fā)現(xiàn)基坑側(cè)向不同部位出現(xiàn)較大變形，或變形速率明顯增大等異常情況，為第一時間采取應(yīng)急措施提供支持，避免或減輕破壞的后果，更好地保證基坑支護(hù)的安全。

（10）為理論驗證提供對比數(shù)據(jù)，為優(yōu)化施工方案提供依據(jù)。

（11）積累區(qū)域性設(shè)計、施工、監(jiān)測經(jīng)驗。

根據(jù)以上監(jiān)測目的，設(shè)計系統(tǒng)的主要監(jiān)測參數(shù)如表1所示。

表1：主要監(jiān)測參數(shù)表

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)和監(jiān)測參數(shù)，采用云計算技術(shù)、無線通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、上傳與數(shù)據(jù)處理，多方位了解基坑的健康狀態(tài)。

系統(tǒng)分為三層，分別為采集層、邊緣層和中心層：

（1）采集層包括靜力水準(zhǔn)儀、智能傾角計、固定式測斜儀、軸力計、投入式水位計、應(yīng)變計等，實現(xiàn)圍護(hù)墻頂部位移、支撐軸力、深度水平位移、錨索錨桿應(yīng)力、地下水位、周邊建筑物沉降及傾斜、周邊地表沉降、土壓力監(jiān)測和降雨量監(jiān)測等信息的采集，采集的數(shù)據(jù)通過RS485 線或者模擬量電纜傳輸給采集網(wǎng)關(guān)。

（2）邊緣層為現(xiàn)場采集網(wǎng)關(guān)，是系統(tǒng)的現(xiàn)場核心單元，實現(xiàn)各采集儀表數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和上傳。網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)給智慧工地平臺，主要通信方式為無線運營商網(wǎng)絡(luò)。

（3）中心層為智慧工地軟硬件平臺，為云端部署，實現(xiàn)多個基坑數(shù)據(jù)的匯集、處理、分析、集中監(jiān)控和報警，當(dāng)發(fā)生事故報警和預(yù)警時，可通過郵件、短信通知相關(guān)人員。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)架構(gòu)

3.3 基坑數(shù)據(jù)采集

主要采集的基坑數(shù)據(jù)包括沉降監(jiān)測、支撐軸力、深度水平位移、錨索錨桿應(yīng)力、地下水位、周邊建筑物沉降及傾斜、周邊地表沉降、土壓力監(jiān)測和降雨量監(jiān)測等。

3.3.1 沉降監(jiān)測

采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降測量。靜力水準(zhǔn)儀通過一根透明PU管串聯(lián)并與一個儲液罐連接，相比于管線的容量，儲液罐容量足夠大，能夠有效減少管線容量由于溫度變化引發(fā)細(xì)微變化所帶來的影響?，F(xiàn)場不用儲液罐做基準(zhǔn)，一般選擇一個傳感器作為基準(zhǔn)點。傳感器作為基準(zhǔn)點可以消除液體揮發(fā)、儀器系統(tǒng)誤差等影響因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。通過測量基準(zhǔn)點的高程，可以計算測點的高程。為消除大氣壓的影響，所有的傳感器共用一根通氣管，最后連接到儲液罐，形成了一個封閉的氣壓自平衡系統(tǒng)。

設(shè)備綜合精度＜0.05%F.S（單臺精度），分辨率0.01mm，防護(hù)等級IP65，數(shù)據(jù)接口為RS485，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議。

3.3.2 傾斜度測量

采用智能傾角計進(jìn)行傾斜度測量。智能傾角計采用電容微型擺錘原理，利用地球重力，當(dāng)傾角單元傾斜時，地球重力在相應(yīng)的擺錘上會產(chǎn)生重力的分量，相應(yīng)的電容量會變化，通過對電容量處量放大、濾波、轉(zhuǎn)換之后得出傾角。

設(shè)備實現(xiàn)X 軸、Y 軸兩個方向測量，量程±10°，分辨率0.001°，防護(hù)等級IP65，數(shù)據(jù)接口為RS485，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議。

3.3.3 深層水平位移測量

采用固定式測斜儀進(jìn)行基坑水平或垂直位移、垂直沉降及滑坡測量。該儀器配合測斜管可反復(fù)使用，并可便捷地實現(xiàn)傾斜測量的自動化。測斜儀是通過測量測斜管軸線與鉛垂線之間夾角變化量（r），計算水平位移的工程監(jiān)測儀器。通常情況下，由多支固定式測斜儀串聯(lián)裝在測斜管內(nèi)，通過裝在每個高程上的傾斜傳感器，測量出被測結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，以此將結(jié)構(gòu)物的變形曲線描述出來。

設(shè)備測量行程雙軸±10，綜合精度＜0.1 %F·S，分辨率0.001，防護(hù)等級IP65，數(shù)據(jù)接口為RS485，通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議。

3.3.4 支撐軸力測量

采用軸力計進(jìn)行支撐軸力測量。軸力計又稱反力計或荷載計，是一種振弦式載重傳感器。主要對結(jié)構(gòu)加載、試樁加載測量和控制，能長期測量基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的反力，自平衡樁基礎(chǔ)加載測量和控制，橋梁荷載試驗測量以及地下工程、隧道、深基坑等支撐軸力測量。利用鋼弦的振動頻率將物理量變?yōu)殡娏?，再通過二次測量儀表（頻率計）將頻率的變化反映出來。當(dāng)鋼弦在外力作用下產(chǎn)生變形時，其振動頻率即發(fā)生變化。在傳感器內(nèi)有一塊電磁鐵，當(dāng)激振發(fā)生器向線圈內(nèi)通入脈沖電流時鋼弦振動。鋼弦的振動又在電磁線圈內(nèi)產(chǎn)生交變電動勢。利用頻率計就可測得此交變電動勢即鋼弦的振動頻率。

設(shè)備綜合精度≤0.1%F·S，分辨率≤0.06%F·S，防護(hù)等級IP65，數(shù)據(jù)接口為振弦式。

3.3.5 水位測量

采用投入式水位計進(jìn)行水位測量。投入式水位傳感器是基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號（如4 ～20mA 等）。

設(shè)備量程0-100m可定制，精度0.5% F.S，輸出信號為4～20mA。

3.3.6 應(yīng)變測量

采用振弦式應(yīng)變計進(jìn)行應(yīng)變測量。當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化時，應(yīng)變計同步感受變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)變量。

設(shè)備測量范圍拉1000ε、壓1500ε，分辨率≤0.015 F.S，綜合誤差≤1.5 F.S，數(shù)據(jù)接口為振弦式。

3.3.7 荷載和預(yù)應(yīng)力測量

采用錨索測力計進(jìn)行荷載和預(yù)應(yīng)力測量。錨索測力計在測力鋼筒上均布著數(shù)支振弦式應(yīng)變計，當(dāng)荷載使鋼筒產(chǎn)生軸向變形時，應(yīng)變計與鋼筒產(chǎn)生同步變形，變形使應(yīng)變計的振弦產(chǎn)生應(yīng)力變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出引起受力鋼筒變形的應(yīng)變量，代入標(biāo)定系數(shù)可算出錨索測力計所感受到的荷載值。

設(shè)備綜合誤差≤1.0%F·S，分辨率≤0.08%F·S，數(shù)據(jù)接口為振弦式。

3.3.8 鋼筋應(yīng)力測量

采用振弦式鋼筋計進(jìn)行鋼筋應(yīng)力測量。振弦式鋼筋計安裝于鋼筋上，鋼筋受力產(chǎn)生的變形將引起焊接于鋼筋上的儀器內(nèi)鋼弦變形，使鋼弦發(fā)生應(yīng)力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。測量時利用電磁線圈激撥鋼弦并量測其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至頻率讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到鋼筋的應(yīng)力變化量。

設(shè)備綜合誤差≤1.5%F·S，分辨率受壓時：≤0.12%F·S 受拉時：≤0.05%F·S，數(shù)據(jù)接口為振弦式。

3.3.9 土體壓應(yīng)力測量

采用土壓力計進(jìn)行土體壓應(yīng)力測量。土壓力計受力產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)鋼弦變形，使鋼弦發(fā)生應(yīng)力變化，從而改變鋼弦的振動頻率。測量時利用電磁線圈激撥鋼弦并量測其振動頻率，頻率信號經(jīng)電纜傳輸至頻率讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到土壓力的應(yīng)力值。

設(shè)備綜合誤差≤1.5%F·S，分辨率≤0.08%F·S，數(shù)據(jù)接口為振弦式。

3.4 邊緣計算采集網(wǎng)關(guān)應(yīng)用

設(shè)計基于NB-IoT、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的邊緣計算采集網(wǎng)關(guān)，滿足各種信號類型的傳感器的數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)關(guān)將測量、傳輸、供電等功能集成于一體，具有集成度高、安裝便捷、運用靈活、性價比高和現(xiàn)場生存力強等特點，適用于傳感器分布較為分散、現(xiàn)場無供電、需無線組網(wǎng)、遠(yuǎn)程上傳等惡劣環(huán)境使用。

硬件上由防水機殼、主控板、電源及供電防護(hù)模塊、通訊擴(kuò)展模塊等組成。采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)3U 機柜式板卡設(shè)計。方便現(xiàn)場擴(kuò)展、級聯(lián)模塊，組成更大的系統(tǒng)控制器。供電可選擇太陽能板或AC220V 供電方案套件，且內(nèi)置大容量鎳鋰芯電池。壽命更長、適用更更廣。

設(shè)備功能上支持振弦式、數(shù)字式（RS485）、電壓式、電流式、電阻式、差阻式傳感器等多種傳感器接入，支持手機（藍(lán)牙）配置儀器參數(shù)及查看數(shù)據(jù)，支持在線模式、省電模式、休眠模式，支持遠(yuǎn)程反向控制、參數(shù)配置，支持遠(yuǎn)程診斷，支持有線/無線數(shù)據(jù)上傳。

3.5 智慧工地云平臺應(yīng)用

在云端部署智慧工地平臺，平臺可以實現(xiàn)多個基坑數(shù)據(jù)的綜合展示、手機端數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)趨勢分析、數(shù)據(jù)圖標(biāo)展示、檢測設(shè)備在GIS 地圖上標(biāo)識、設(shè)備故障報警、數(shù)據(jù)預(yù)警分析、報警移動端推送。還可通過專有的遠(yuǎn)程配置軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)采集時間間隔設(shè)置等。智慧工地云平臺監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4：智慧工地云平臺監(jiān)控界面

4 結(jié)語

在線式基坑監(jiān)測系統(tǒng)在云南昭通管廊項目應(yīng)用效果良好，實現(xiàn)了高精度基坑健康實時數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控,保證了基坑及周邊基礎(chǔ)設(shè)施的安全，幫助檢測人員快速定位基坑主要危險源，及時對基坑安全性作出準(zhǔn)確評估，預(yù)防事故的發(fā)生，避免人員傷亡，減輕經(jīng)濟(jì)損失。