地面沉降智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

胡秋生，王小明，盧佳

摘 要：土木工程施工過程如何做到施工界面地面沉降安全監(jiān)控一直都是一大技術(shù)難題，目前已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用的地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)主要還主要采用預(yù)埋沉降傳感器或者水準(zhǔn)測試，但該種監(jiān)控方法還存有不足之處，原因在于該種監(jiān)控方法無法做到定量化監(jiān)控、預(yù)警性監(jiān)控。針對土木工程施工過程中的地面沉降監(jiān)控手段的不足，本文提出利用水杯式智能地面沉降監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，對施工界面地面沉降進(jìn)行定量化監(jiān)控分析，并作出預(yù)警判斷。實(shí)踐表明，該方法可對施工界面地面沉降進(jìn)行定量化監(jiān)控分析，并作出預(yù)警判斷，保障施工安全性、精確性。

關(guān)鍵詞：土木工程施工；地面沉降監(jiān)控；安全預(yù)警系統(tǒng)；精確性

隨著我國經(jīng)濟(jì)以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國大規(guī)模基建項目投入也不斷增加，但是土木工程基建過程中，特別是像道路、橋梁施工過程中如何避免施工界面發(fā)生不均勻沉降，以及對施工界面進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，保證施工過程精確性與安全性，一直是一大技術(shù)難題。目前，我國對地面沉降的實(shí)時監(jiān)控還停留在埋設(shè)沉降感應(yīng)器以及實(shí)時測量校準(zhǔn)的傳統(tǒng)手段，但這些方法只能做到對地面施工狀況的反映，無法起到定量化監(jiān)控以及安全預(yù)警的作用。本文針對上述問題，提出了在道路與鐵道工程等施工過程中定量化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，通過采用杯式地面沉降感應(yīng)器對地面沉降進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，一旦出現(xiàn)地面沉降達(dá)到該種施工界面下安全閥值時，會自動啟動安全預(yù)警系統(tǒng)，保障施工安全以及施工界面的精確性。

本文旨在提出一種地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)，其特征是以施工界面地面沉降為實(shí)時監(jiān)控對象，通過傳感器傳感裝置將地面沉降數(shù)據(jù)及時收集且保存；與此同時，傳感裝置通過無線傳輸裝置將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無線信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)系統(tǒng)；計算機(jī)分析系統(tǒng)在接收到傳感器傳輸來的信息后自動進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并將實(shí)際發(fā)生的地面沉降數(shù)據(jù)與已經(jīng)設(shè)定好的安全閥值作對比，只要地面沉降達(dá)到安全閥值時，計算機(jī)將會自動啟動報警系統(tǒng)，提醒施工進(jìn)行調(diào)整，想地鐵等地下工程施工時，嚴(yán)重情況下還會提醒施工人員撤離。本技術(shù)可以用于地面沉降施工系統(tǒng)的智能監(jiān)控，并且對原有的技術(shù)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，使施工定量化監(jiān)控并且操作更加便捷，及時監(jiān)控施工結(jié)構(gòu)安全性、精確性，有效的降低施工監(jiān)理造價。

1 應(yīng)用前景分析

我國土木工程工程項目較多，特別是像道路工程以及城市軌道工程。在這些工程項目施工過程中，地面沉降一直施工過程中重要控制因素，但是目前的控制技術(shù)未能與無線傳感技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)結(jié)合起來使用。一方面監(jiān)控過程中人力成本投資大，工程造價投資高。另一方面，傳統(tǒng)監(jiān)控方式也無法做到預(yù)警監(jiān)控，定量化監(jiān)控，尚存在很多不足之處，需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)。

三角杯式地面沉降監(jiān)控器可以彌補(bǔ)既存地面沉降監(jiān)控技術(shù)的不足，使用該種地面沉降監(jiān)控技術(shù)，可以做到對地面沉降數(shù)據(jù)的及時采集、處理。進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)定量化監(jiān)控以及預(yù)警性監(jiān)控。當(dāng)?shù)孛娉两禂?shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定好的安全閥值時，會自動啟動警報系統(tǒng)，通知技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整，保證施工質(zhì)量；特別是在地鐵施工過程中，地面沉降還有可能進(jìn)而引起承重結(jié)構(gòu)發(fā)生受力不均勻的結(jié)果，進(jìn)而造成施工安全隱患。

該種頂面沉降監(jiān)控技術(shù)巧妙集傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及計算機(jī)智能程序系統(tǒng)于一身，成功通過實(shí)踐測試。在土木工程施工過程中，有很強(qiáng)的的實(shí)用性以及應(yīng)用前景。

2 技術(shù)原理

2.1 地面沉降實(shí)時監(jiān)控原理

地面沉降傳感系統(tǒng)，采用水杯式地面沉降傳感器。當(dāng)?shù)孛娉两蛋l(fā)生變化時，相應(yīng)水杯中水位發(fā)生變化，水杯內(nèi)側(cè)帖附壓敏感應(yīng)膜，并且從水杯底部到頂部有不同級別的靈敏系數(shù)，這就成功使得地面沉降信號，轉(zhuǎn)化為壓力信號，進(jìn)而通過傳感裝置，將壓力信號傳輸給計算機(jī)分析系統(tǒng)。進(jìn)行地面沉降分析。實(shí)物模擬圖如圖2.1。

圖2.1 杯式地面沉降感應(yīng)器

2.2 計算機(jī)分析處理系統(tǒng)

計算機(jī)處理系統(tǒng)有限元軟件，綜合考慮地鐵施工系統(tǒng)條件，啟用設(shè)定好的計算機(jī)程序，針對杯式感應(yīng)片引入安全系數(shù)，合理設(shè)置預(yù)警閥值。在施工過程中，當(dāng)?shù)孛娉两禂?shù)據(jù)達(dá)到安全閥值時，計算機(jī)系統(tǒng)自動啟動報警開關(guān)。

具體程序開發(fā)基于visual studio C++ 2012版程序開發(fā)平臺，通過對處理系統(tǒng)的要求進(jìn)行分析，基于該平臺，進(jìn)行編程設(shè)計，并順利通過運(yùn)行測試，將該計算機(jī)程序應(yīng)用于計算機(jī)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控，時刻準(zhǔn)備預(yù)警的效果。

本論文涉及的土木工程施工地面沉降監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時監(jiān)測地面沉降數(shù)據(jù)。傳感器模塊包括三個子模塊以及電源結(jié)構(gòu)，三個子系統(tǒng)分別是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)放大子系統(tǒng)以及無線電傳輸子系統(tǒng)；；當(dāng)路面沉降發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及時收集變量數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)放大器對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，并最終通過無線技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機(jī)分析系統(tǒng)；計算機(jī)分析系統(tǒng)對接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并且將接受到的結(jié)果與已經(jīng)設(shè)置好的安全閥值進(jìn)行比對，如果測量值達(dá)到設(shè)定好的安全閥值時，計算機(jī)會自動啟動報警系統(tǒng)。

3 安裝測試與工程應(yīng)用

3.1 安裝測試

杯式地面沉降感應(yīng)系統(tǒng)也可以做到對地面沉降實(shí)時監(jiān)測的功能，實(shí)現(xiàn)地面沉降 水位變化 應(yīng)力變化的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。

傳感系統(tǒng)將采集到的地面沉降實(shí)時數(shù)據(jù)通過無線傳輸傳輸給計算機(jī)分析系統(tǒng)，并于計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)之前設(shè)置好閥值作對比。當(dāng)發(fā)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測值達(dá)到該種該種施工情況下許用沉降極限值時，計算機(jī)會啟動自動預(yù)警系統(tǒng)，及時提醒施工人員調(diào)整施工狀況，緊急情況是通知施工人員撤離，保證施工安全性、精確性。

以上技術(shù)已經(jīng)通過實(shí)踐模擬測試，可以有效測試施工過程中地面沉降的實(shí)時數(shù)值，并成功傳輸給計算機(jī)分析系統(tǒng)，計算機(jī)分析系統(tǒng)通過已經(jīng)設(shè)定程序?qū)鬏攣淼臄?shù)據(jù)處理對比，當(dāng)處理后的數(shù)據(jù)達(dá)到安全閥值時，會自動啟動安全預(yù)警系統(tǒng)，若未達(dá)到安全閥值，則繼續(xù)正常監(jiān)控，不會啟動安全預(yù)警系統(tǒng)。

3.2 工程應(yīng)用

浙江省杭州市某地下工程在施工過程中采用該種地面沉降監(jiān)控儀器，通過將該種智能監(jiān)控設(shè)備應(yīng)用于施工過程后，可以有效監(jiān)控地面實(shí)時沉降變化，并結(jié)合計算機(jī)分析系統(tǒng)將實(shí)時數(shù)據(jù)反饋處理作出預(yù)警處理。實(shí)踐證明，該種地面沉降智能監(jiān)控設(shè)備可以有效監(jiān)控、預(yù)警地面沉降。建議在地下工程施工應(yīng)用過程中繼續(xù)做進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

4 小結(jié)

（1）本技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了在地下結(jié)構(gòu)施工過程中的地面沉降監(jiān)測，可以實(shí)時監(jiān)測并采集承重結(jié)構(gòu)以及地面數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)傳送給計算機(jī)分析系統(tǒng)，并通過計算機(jī)分析系統(tǒng)做出處理分析，有效做到了安全預(yù)警。

（2）本技術(shù)采用了無線傳輸系統(tǒng)，包括無線無感、無線傳輸?shù)龋沟迷摷夹g(shù)的應(yīng)用以及操作更加便捷，與此同時，降低了成本。

（3）本技術(shù)實(shí)現(xiàn)了地面沉降無損動態(tài)監(jiān)測，可以做到有效監(jiān)控施工動態(tài)的同時并且與工程同步推進(jìn)，不會影響工程施工進(jìn)度。是未來地下結(jié)構(gòu)動態(tài)施工監(jiān)測以及安全施工保障的新方向。

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作者簡介

胡秋生（1991-），男，安徽宿州人，工作單位：重慶交通大學(xué)， 主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。

王小明（1991-），男，重慶長壽人，工作單位：重慶交通大學(xué)主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。

盧佳（1991-），男，安徽安慶人，工作單位：重慶交通大學(xué)主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術(shù)方面的研究。