陳修戰(zhàn)

(中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引 言

自新奧法提出以來，隨著巖土地下工程理論及監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，以信息化帶動工業(yè)化發(fā)展思路的不斷深入，利用信息技術來提升地下工程建設安全管理水平的研究也越來越受到重視。信息化設計、施工是指通過在地下工程施工過程中安裝傳感器或者監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集施工過程中支護體系內力、地層變位、土體壓力、地下水位變化等各類工程信息，并對這些工程信息實時分析并及時反饋，用以指導設計方案變更以及施工方案調整等過程，從而做到動態(tài)控制[1]。針對地下工程的不確定特性，通過信息化設計、施工，可以有效地降低風險，建立報警系統(tǒng)，從而實現(xiàn)施工安全控制，完成經(jīng)濟目標。

近些年，我國地下工程監(jiān)測技術有了比較快速的發(fā)展，更多地向自動化方向發(fā)展，同時數(shù)據(jù)后期的管理也逐漸得到重視。但是由于自動化成本較高、數(shù)據(jù)管理難度較大，同時技術人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)的重視不夠等種種原因，限制了監(jiān)測技術在我國的發(fā)展[2]。目前，監(jiān)測相對應施工與設計還未形成完全意義上的融合，呈現(xiàn)出自動化程度低、可視化程度弱、缺少數(shù)據(jù)的自動分析及預測功能、預報警分析技術不完善等特點[3]。結合深基坑施工控制,提出采用自動化監(jiān)測設備及管理方法，對深基坑自動化監(jiān)測系統(tǒng)應用的可能性進行研究。

2 工程概況及特點

杭州富陽區(qū)秦望通道工程江北明挖段隧道主體及圍護結構區(qū)間基坑深度最大達22.4 m，寬度范圍為21.6～48.5 m；沿線管線錯綜復雜，其中秦望路北側雨污管東西方向與基坑平行距離基坑最小距離僅為2 m；現(xiàn)朝陽弄自建別墅區(qū)和18#雨水泵房距離基坑小于基坑開挖深度，且地基基礎較淺。

項目位于中心城區(qū)，施工場地狹窄，周邊房屋距離基坑較近，只能實現(xiàn)單側出土便道。基坑較深，橫向寬度大、尺寸不均勻，標準段寬度22 m，暗埋共建段最大寬度48.446 m，橫向倒運距離長?；觾蠕撝蚊?，縱向最小間距1.2 m，豎向最小間距2.2 m。

基于項目緊鄰住宅及工業(yè)建筑且其基礎較淺特點，提出在基坑開挖過程中應用軸力伺服系統(tǒng)提高支撐軸力的及時性及準確性。同時，在人工監(jiān)測的基礎上提出引進其他自動化監(jiān)測設備如壓差式變形測量傳感器、遠程視頻測量系統(tǒng)等，并將自動化監(jiān)測智能集成，形成整套深基坑施工自動化監(jiān)控系統(tǒng)，綜合運用自動化監(jiān)測新設備、新技術，確?；娱_挖及支護的安全。

3 自動化監(jiān)測原理及優(yōu)勢

自動化監(jiān)測可將傳統(tǒng)測項等工程相關信息實現(xiàn)全天候、連續(xù)化、高頻率的自動監(jiān)測，各個傳感器所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線(或無線)傳輸方式進入自動采集模塊，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)群的自動采集。集中采集的數(shù)據(jù)采用Zigbee等無線傳輸協(xié)議，通過數(shù)據(jù)發(fā)射模塊發(fā)送給工程現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集接收終端，最后通過網(wǎng)絡傳輸至網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

監(jiān)測數(shù)據(jù)可以根據(jù)現(xiàn)場需求隨時提供，并且數(shù)據(jù)采集的頻率可以依據(jù)現(xiàn)場需求進行優(yōu)化調整；數(shù)據(jù)的采集可以根據(jù)工程需求，自行設定時間間隔多次連續(xù)采集，具有數(shù)據(jù)采集全天候的優(yōu)勢；實際工程中可根據(jù)工程需求選用不同精度和工作環(huán)境的傳感器，來保證數(shù)據(jù)采集的準確性；數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)絡平臺而實現(xiàn)授權開放式查閱，數(shù)據(jù)覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳遞效率高。

例如圍護結構深層水平位移的傳統(tǒng)監(jiān)測方法為人工手動提拉測斜儀線纜進行監(jiān)測，對于布設了幾十個測斜孔的基坑在施工實施時需消耗大量的人力和時間，很難保證實時、快速地提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。光纖光柵傳感技術使得基坑監(jiān)測實現(xiàn)自動化、集成化和遠程控制成為一種可能。基于光纖光柵原理的新型智能化測斜，可以提高工作效率，實時反映施工現(xiàn)場風險狀態(tài)[4]。

4 自動化監(jiān)測設備

4.1 軸力伺服系統(tǒng)

軸力伺服系統(tǒng)可主動控制基坑支護結構的變形，目前對變形要求較高的深基坑支護形式屬于先進技術。在基坑施工過程中，每日關注監(jiān)測的圍護側斜變形情況，當單日側斜變形超過2 mm或累計變形達到報警值80%時，確定增加油壓力，加力值根據(jù)變形數(shù)據(jù)分檔逐級增加。加力后密切關注變形情況，如變形仍較大則再繼續(xù)增加軸力，如出現(xiàn)圍護結構向基坑外側傾斜，支撐受拉等現(xiàn)象，應適當降低軸力控制值。

伺服系統(tǒng)從組成部件上來劃分，主要分為三級關鍵設備：中央控制中心、油壓泵站、總成箱裝置(含千斤頂)。假設當千斤頂因為土方開挖或地面堆載等因素，導致局部主動土壓力變大，進而軸力增大時，此時油壓力通過反饋到總控箱，由系統(tǒng)判定軸力大于設定軸力值后，需進行調整。首先，總控箱將調整指令傳至控制此千斤頂?shù)谋谜?，泵站適時通過回油的方式減小此點位的油壓力，進而達到調整軸壓力至設定值的目的。液壓動力泵站也可用手操箱直接控制動作，設備內部安裝有安全溢流閥以及液壓鎖，保障系統(tǒng)自身安全的防控功能。千斤頂液壓鎖和總成箱雙機械鎖不僅提高了系統(tǒng)安全性，更為設備更換提供力系轉換條件。

4.2 壓差式變形測量傳感器

基于壓差傳感技術的坑底隆起(回彈)實時自動化監(jiān)測系統(tǒng)對提高監(jiān)測頻率和精度具有重要的工程現(xiàn)實意義。因為壓強只與系統(tǒng)內液體密度、重力加速度和液位高有關，可以認為壓差系統(tǒng)的液體密度和重力加速度不變，則壓強和液位高可以表示為一個簡單的對應關系。壓差沉降監(jiān)測系統(tǒng)是利用壓力傳感器捕捉到的相對液位差的變化，來反算傳感器即建筑物的豎向位移。

壓差沉降監(jiān)測系統(tǒng)由壓力傳感器、通液管、通氣管和水箱組成，系統(tǒng)集成度較高。壓差傳感器系統(tǒng)高精度穩(wěn)定性影響因素為振動和溫度兩個主因，兩者的影響機理有所不同。振動屬于外界干擾源，直接影響壓力波，通過嚴格的施工工藝和安裝方式可以規(guī)避和減小。溫度的影響有兩個路徑——氣泡(水管或者傳感器內部)和密度，其中前者有一定的間接性，通過較嚴格的施工方式和傳感器改型能夠實現(xiàn)盡可能排干氣泡；后者的觸發(fā)影響有一定的條件，比如需要有一定的水路差，且水路差溫度場不一致時，上行管使壓強數(shù)據(jù)和溫度呈正相關，下行管呈負相關，通過限制上下行管的允許高度予以減小和規(guī)避。振動造成的數(shù)據(jù)波動可以通過后期的數(shù)據(jù)處理解決，溫度對壓差沉降系統(tǒng)的影響可使設備保持在同一環(huán)境下。

4.3 遠程視頻測量系統(tǒng)

智能遠程視頻監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)具備遠程控制、設備自動定位、預置位自動監(jiān)測(由監(jiān)管人員預選定的位置，自動進行定時巡航監(jiān)測、采集數(shù)據(jù)、拍照截圖)、自動拍攝整體監(jiān)控面并進行自動全景圖拼接、掃描數(shù)據(jù)自動存儲、智能分析處理、檢索等功能，可對目標物任意點的空間坐標進行測定，可對目標物位移變化量進行監(jiān)測，可計算出目標物的尺寸。利用系統(tǒng)實時監(jiān)控及自動定位測量功能，可以自動形成施工項目實體施工全過程的影像日志，質量安全管理人員可隨時回溯查看歷史上某一天的項目實體現(xiàn)場大全景和任意節(jié)點施工情況，同時也可回溯查看某地理位置的節(jié)點的形成歷史及情況，便于事中事后監(jiān)督管理。

智能遠程視頻監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)由三部分組成：前端施工現(xiàn)場監(jiān)控監(jiān)測終端、傳輸網(wǎng)絡、中心管理云平臺。工地前端監(jiān)控監(jiān)測終端系統(tǒng)：由智能測距攝像機(視頻監(jiān)控測量儀)和智能服務器組成。該系統(tǒng)是基于新一代物聯(lián)網(wǎng)信息技術，利用高精密云臺、圖像傳感器、激光距離傳感器、光柵角度傳感器等信息傳感設備和網(wǎng)絡化自動控制技術，對目標物體的數(shù)據(jù)信息進行采集，通過融合視頻圖像和三維空間集成算法，進行信息交換和通信，按約定的協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)對監(jiān)控目標的遠程智能化監(jiān)測和管理[5]。

5 自動化監(jiān)測智能集成

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，利用無處不在的網(wǎng)絡將獨立、分散的智能設備和各類傳感器進行聯(lián)網(wǎng)，通過與行業(yè)特點相結合實現(xiàn)實時多角度地對基坑施工的質量安全進行綜合監(jiān)測監(jiān)控，是近年來基坑施工管理的發(fā)展趨勢。

基坑施工階段自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括主要儀器設備、工地現(xiàn)場的自動監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢與分析系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)反分析預測系統(tǒng)。項目現(xiàn)場的系統(tǒng)集成主要是指測點點位選取、傳感器、采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)等布設。數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)由于基坑施工現(xiàn)場工況復雜，現(xiàn)有有線傳輸模式無法保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，因此采用分布式云智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(無線跳傳功能)是必然的趨勢。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)邏輯框架主要分為基礎設施層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層和用戶層4個方面。用戶層各級會分配不同的權限，用戶可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)登錄，查詢權限內的結構安全信息。根據(jù)基坑及周邊建(構)筑物監(jiān)測項目、測試手段、測點優(yōu)化、信號傳輸?shù)确矫娣治鲅芯?，物理結構可分3層。第一層，由各個基坑前端傳感系統(tǒng)構成；第二層，由監(jiān)測外場數(shù)據(jù)采集站與通信系統(tǒng)構成；第三層，是監(jiān)測平臺中心指揮調度系統(tǒng)。這種物理架構方式可以將不同參數(shù)的采集系統(tǒng)優(yōu)化組合，以盡量縮短測量元件到采集外場站的距離，提高平臺的抗干擾能力，降低平臺成本。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以完成傳統(tǒng)人工監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、分析和整理等功能，還具有增大釆集頻率、數(shù)據(jù)歸檔和監(jiān)測數(shù)據(jù)可視化等一體化管理的功能，不僅提高了數(shù)據(jù)的質量，還提高了運用數(shù)據(jù)的效率。自動化監(jiān)測系統(tǒng)得出實時、連續(xù)、準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可分析性強,建設單位、施工單位和監(jiān)管單位等責任部門只要安裝了APP的PC終端或移動終端，就能查看并下載實時數(shù)據(jù)。系統(tǒng)后臺自動推送報表，減小了監(jiān)測人員的安全風險,多重預警機制，高層管理者、技術人員會收到不同的報警級別，真正做到為基坑建設保駕護航。

6 結 論

基于現(xiàn)場不利施工條件提出采用自動化監(jiān)測方法，并對用來實現(xiàn)監(jiān)測圍護結構深層水平位移、支撐軸力、土體回彈、水平及豎向變形等測項的自動化監(jiān)測設備進行管理分析，得出如下結論。

(1)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集實時性強、連續(xù)性好、誤差率低、數(shù)據(jù)可見范圍廣，有利于運營過程中的安全監(jiān)測。

(2)針對深基坑等地下工程監(jiān)測行業(yè)集數(shù)據(jù)釆集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、預警服務和實時可視化的遠程自動化實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，是信息化管理的集大成者，極大地提高了監(jiān)測效率，不僅能為基坑施工和周邊建筑物環(huán)境的安全保駕護航，而且還能利用大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)化的分析、預測，對信息化動態(tài)施工具有工程應用價值。