無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵車站深基坑施工中的應(yīng)用

黃衛(wèi)華

(中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司，南寧 530003)

0 引言

在地鐵車站深基坑施工中，鋼支撐正確安裝和應(yīng)力監(jiān)控是動態(tài)反映基坑安全情況的重要指標(biāo)。在以往施工中，鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，存在著勞動強度大、容易出現(xiàn)人為誤差等問題［1－2］。在相鄰深基坑施工中，文獻(xiàn)［3－4］通過PLC控制自適應(yīng)鋼支撐系統(tǒng)解決了基坑變形有苛刻控制要求的難題，但存在著安裝和更換困難，投入成本較高，設(shè)備復(fù)雜，不能自動反饋等問題。隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，WSM(無線傳感器)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軍事和民用等領(lǐng)域，可實現(xiàn)智能抄表、數(shù)據(jù)監(jiān)測回饋等功能［5－8］。在一些施工項目中，鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測采用基于ZIGBEE標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為基礎(chǔ)，通過終端采集結(jié)點、路由器以及主控器組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的方法，但存在著數(shù)據(jù)有效傳輸距離短、容易受干擾等問題［9－10］。

本文詳細(xì)介紹了無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的組成和工作原理，以便監(jiān)測人員及時采取對策，確保工程的施工安全，同時降低工人的勞動強度，避免人為誤差的出現(xiàn)，解決數(shù)據(jù)傳輸距離受限和受干擾的問題，使用的設(shè)備也相對統(tǒng)一、設(shè)備安裝簡單。該系統(tǒng)的運用為深基坑鋼支撐軸力監(jiān)測提供的一種自動監(jiān)測新方法。通過對比分析介紹該系統(tǒng)的優(yōu)缺點，可以看到該系統(tǒng)存在著造價高、數(shù)據(jù)更新繁瑣等缺點。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南寧市大學(xué)—明秀路口綜合交通工程是南寧市軌道交通工程一號線近期工程的第8個站—廣西大學(xué)站。位于大學(xué)東路和明秀西路交叉的十字路口，起訖里程為YDK17+536.8～YDK18+001.8(包括存車線和站臺)，車站總長度465 m。廣西大學(xué)站總平面圖如圖1所示。

廣西大學(xué)站的基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為20.7 m，為地下2層島式車站。頂板覆土厚度大于3 m。基坑開挖深度為16.88～19.23 m，基坑開挖寬度為20.7～26.1 m。廣西大學(xué)站分為車站主體、兩端盾構(gòu)始發(fā)井、出入口、風(fēng)亭和冷卻塔等。

圖1 廣西大學(xué)站平面圖Fig.1 Plan layout of Guangxi University Station

根據(jù)設(shè)計要求，廣西大學(xué)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐+1道換撐的支護(hù)形式。第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，尺寸為800 mm×900 mm，冠梁同時作為第1道鋼筋混凝土支撐的圍檁;第2，3道支撐及換撐使用鋼支撐，直徑為609 mm，壁厚為16 mm，斜撐段采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土腰梁，其余為2×I45C鋼圍檁。基坑中間用2×40C槽鋼和δ12 mm鋼板對焊加工成臨時中立柱，臨時中立柱頂部與第1道鋼筋混凝土支撐連接，第2，3道支撐架設(shè)在縱向橫梁上，在縱向橫梁上焊接限位裝置限制鋼支撐的縱向移動，鋼支撐間距為3 m，每隔3個鋼支撐布設(shè)一個鋼支撐應(yīng)力計。

1.2 工程地質(zhì)

沿線出露地層為第四系上更新統(tǒng)望高組上段(Q3W)，是河流沖積形成的黏土、粉土、礫砂和圓礫等;下伏地層為第三系(E3b)北湖組湖相沉積的泥巖、粉砂巖等;表層為素填土(Qml4)所覆蓋。根據(jù)鉆探揭露的巖土層，按順序自上至下分11層，分別為:素填土、硬塑狀粉質(zhì)黏土、可塑狀粉質(zhì)黏土、可塑粉質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、礫砂、圓礫、泥巖(上段)、泥巖(下段)和粉砂巖。設(shè)計連續(xù)墻入泥巖不少于1 m，車站主體底板位于圓礫層。

2 自組網(wǎng)式結(jié)構(gòu)組成和工作原理

2.1 WSM(無線傳感器)自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)簡介

WSN系統(tǒng)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。它的英文是 Wireless Sensor Network，簡稱WSN。具有無中心、分布式協(xié)作、自組織、多跳無線組網(wǎng)形式，每個節(jié)點都具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，WSN主要面向“物與物、人與物”之間的信息交互，其具有快速部署、自組織、高容錯性等特點。

2.2 無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)的組成

無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控中心服務(wù)器、WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))協(xié)調(diào)器、WSN路由器、WSN采集器以及應(yīng)力傳感器組成。WSN協(xié)調(diào)器、WSN路由器以及WSN采集器構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)信息采集和匯總。由上述組成單元構(gòu)成的鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

2.3 無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

應(yīng)力傳感器負(fù)責(zé)鋼支撐受力檢測與鋼支撐直接相連。WSN采集器由電池供電，負(fù)責(zé)與其連接的應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)采集和上傳，并將應(yīng)力值進(jìn)行量化，負(fù)責(zé)該監(jiān)測點應(yīng)力數(shù)據(jù)分析以及報警狀態(tài)指示。WSN路由器負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)幀路由轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)該系統(tǒng)實際應(yīng)用環(huán)境及范圍，適量的WSN路由器組建WSN基干網(wǎng)，負(fù)責(zé)WSN協(xié)調(diào)器與WSN采集器之間的數(shù)據(jù)交互。由WSN路由器組建的WSN基干網(wǎng)覆蓋該子網(wǎng)中的所有WSN采集器，并提供自維護(hù)、自修復(fù)的通信鏈路，WSN路由器有效采集距離為200 m。WSN協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)其管理范圍內(nèi)的WSN路由器以及WSN采集器的組織和維護(hù)，負(fù)責(zé)應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)匯總，并提供internet或者移動接入(GPRS、3G)接口，將WSN采集器采集到的監(jiān)測點應(yīng)力數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器，WSN協(xié)調(diào)器有效距離為300 m。監(jiān)控中心服務(wù)器由計算機軟硬件組成，完成整個系統(tǒng)中所有設(shè)備信息維護(hù)，為用戶提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析和查詢統(tǒng)計等功能。具有訪問權(quán)限的用戶可以遠(yuǎn)程登錄，查詢不同區(qū)域已經(jīng)接入該系統(tǒng)的所有監(jiān)測點運行以及報警狀況等。

2.4 無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布置情況

現(xiàn)場平面布置如圖4所示，WSN協(xié)調(diào)器放置在基坑中間，WSN路由器對稱布置在基坑兩側(cè)。

圖4 廣西大學(xué)站無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)布置圖Fig.4 Layout of wireless ad-hoc network system in Guangxi University Station

廣西大學(xué)站基坑總長度465 m，鋼支撐間距為3 m，每隔3個鋼支撐布設(shè)1個鋼支撐應(yīng)力計。WSN采集器與鋼支撐應(yīng)力計通過導(dǎo)線連接，安裝在鋼支撐表面上，使用螺釘固定(如圖5所示)，WSN采集器采用電池供電，供電有效時間為2年。WSN路由器有效采集距離為200 m，基坑兩側(cè)對稱布置，2個距離相距150～160 m，并覆蓋整個基坑，WSN路由器安裝在電箱側(cè)，并做好接地和屏蔽(如圖6所示)。WSN協(xié)調(diào)器放置在基坑的中間位置，有效距離半徑300 m，可以覆蓋整個基坑，與監(jiān)控中心服務(wù)器連接，監(jiān)控中心服務(wù)器放置在基坑中間的值班房內(nèi)，WSN協(xié)調(diào)器放置在值班房外側(cè)。

2.5 監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)分析

2.5.1 即時數(shù)據(jù)查看

點擊基坑中的節(jié)點層，彈出該節(jié)點層中所有節(jié)點的編號信息，勾選相應(yīng)的節(jié)點，在右側(cè)頁面中將彈出該節(jié)點今日所有已抄讀到的數(shù)據(jù)，包括鋼支撐壓力信息、鋼支撐溫度信息以及傳感器電池電量信息。對節(jié)點數(shù)據(jù)信息狀態(tài)用紅藍(lán)黑3種顏色標(biāo)示加以區(qū)分，藍(lán)色表示采集數(shù)據(jù)超過預(yù)警值，紅色表示采集數(shù)據(jù)超過報警值，黑色表示采集數(shù)據(jù)正常。最后一欄狀態(tài)欄表示該節(jié)點的壓力值狀態(tài)，如超過報警值將用紅色加粗字體顯示“危險!”，超過預(yù)警值但低于報警值將用藍(lán)色加粗字體顯示“警告”，低于預(yù)警值將用黑色字體顯示“正常”。即時數(shù)據(jù)列表如圖7所示。

2.5.2 歷史數(shù)據(jù)查看

單擊“歷史數(shù)據(jù)”鏈接，將顯示的是該鋼支撐傳感器節(jié)點當(dāng)天的數(shù)據(jù)。選擇日期和時間之后，將顯示從起始時間到結(jié)束時間之內(nèi)該節(jié)點的所有采集數(shù)據(jù)，包括支撐鋼壓力信息、支撐鋼溫度信息以及傳感器電池電量信息。對節(jié)點數(shù)據(jù)信息也是用紅藍(lán)黑3種顏色標(biāo)示加以區(qū)分，顏色表示信息同2.5.1。歷史數(shù)據(jù)列表如圖8所示。

3 無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)與普通系統(tǒng)的比較

3.1 系統(tǒng)對比

見表1。

3.2 系統(tǒng)的優(yōu)點

1)具有全面感知性和智能分析功能。系統(tǒng)采用新興無線傳感網(wǎng)技術(shù)設(shè)計，具備全面感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及智能分析處理等特點，是典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用工程。

2)自組性、覆蓋面廣。系統(tǒng)基于自主設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計，具備自組網(wǎng)、自組織、自維護(hù)功能;支持多種傳輸方式，具有工作頻段靈活，可擴(kuò)展性好，網(wǎng)絡(luò)容量大，覆蓋范圍廣等特點。

3)直觀性。為用戶提供友好的Web界面，直觀顯示無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、基坑地理位置以及鋼支撐三維安裝結(jié)構(gòu)。

表1 無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)與普通系統(tǒng)的比較Table 1 Comparison and contrast between wireless ad-hoc network system and traditional monitoring system

4)實時跟蹤分析功能。系統(tǒng)對基坑施工現(xiàn)場的鋼支撐受力狀況進(jìn)行實時跟蹤分析，原始數(shù)據(jù)采集和處理完全不用人工參與，避免人為因素操作造成錯誤分析。

5)抗干擾。采用分布式采集方式，將數(shù)據(jù)采集單元分散布置在靠近傳感器的地方，完成所轄測點傳感器的激勵、測量、數(shù)據(jù)暫存以及數(shù)據(jù)通訊等功能，減少模擬量的傳輸距離，提高了系統(tǒng)的抗外界干擾能力。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果和評價

1)通過即時數(shù)據(jù)列表和歷史數(shù)據(jù)列表可以輕松實現(xiàn)即時數(shù)據(jù)曲線和歷史數(shù)據(jù)曲線的查詢，即時反映鋼支撐應(yīng)力的變化情況，給施工方提供第一手直觀資料。

2)WSN協(xié)調(diào)器、WSN路由器以及WSN采集器3種設(shè)備是基于具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無線傳感網(wǎng)協(xié)議設(shè)計，具備自組網(wǎng)、自組織、自維護(hù)功能，可以極大地降低工人的勞動強度。

3)無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)同時展示該鋼支撐實時受力大小、溫度值、報警狀態(tài)以及通信質(zhì)量等信息，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控快速實現(xiàn)所有監(jiān)測點實時數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)曲線分析、歷史數(shù)據(jù)查詢和歷史數(shù)據(jù)分析等功能。

5 結(jié)論和討論

南寧市軌道交通1號線廣西大學(xué)站通過使用無線自組網(wǎng)式鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了鋼支撐應(yīng)力信息的實時監(jiān)控，與施工現(xiàn)場結(jié)合緊密，很好地指導(dǎo)了施工，確保了工程的施工安全，同時大大降低了工人的勞動強度。但也存在著造價高、數(shù)據(jù)更新繁瑣等缺點，將在今后的工作中不斷改善和提高。本文為深基坑鋼支撐軸力監(jiān)測提供的一種自動監(jiān)測新方法，在深基坑監(jiān)測中，鋼支撐軸力只是深基坑監(jiān)測內(nèi)容的一部分，深基坑墻體的測斜、沉降、基坑水位等監(jiān)測也是確保深基坑安全的重要指標(biāo)，如何使用無線自組網(wǎng)式監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測深基坑墻體的測斜、沉降、基坑水位等指標(biāo)，如何將各監(jiān)測子系統(tǒng)兼容于一個主系統(tǒng)，是今后科技攻關(guān)的一個主要方向。

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