巖土與地下空間綜合測試技術及其在智慧城市建設中的應用

毛永江，黃思遠，魏金山

（中煤礦山建設集團三十工程處）

1 巖土與地下空間綜合測試技術的背景

2013年，上海市成立“上海巖土與地下空間綜合測試工程技術研究中心”，該中心在自主創新與集成創新相結合的基礎上，實現了地下連續墻和盾構法隧道等地下空間結構隱患測試與變形監控技術，搭建了“準確、高效、無損、智能”的巖土與地下空間綜合測試平臺。2017年9月23日，該中心依托上海巖土工程勘察設計研究院有限公司開展了科技月活動，活動就巖土工程領域中存在的信息傳遞不暢和BIM技術的應用等問題進行了討論，明確指出巖土工程對開放化信息交流平臺的需求。這些機構與研究會議的開展表明，巖土工程信息化已成為智慧城市建設的必然趨勢，巖土與地下空間綜合測試技術的應用與研究也將越來越深入。

作為創新領域之一，巖土與地下空間綜合測試技術融合了多種學科與專業，它研究的對象不僅包括地下結構與周邊巖土體，還包括各類型的建筑主體結構。巖土與地下空間綜合測試技術中運用的大量先進測試技術、檢測技術與信息技術，不僅可以有效獲取地下結構與巖土體特性的相關參數與二者的相互作用規律，還能及時發現地下空間存在的風險隱患。相比傳統檢測技術，巖土與地下空間綜合測試技術的測試效率與分析能力更高，提供的數據也更為可靠。就現階段而言，基坑遠程自動化監測和監控技術、地鐵盾構隧道三維激光掃描檢測技術、巖土工程建筑信息建模技術以及地下結構運營安全管理平臺等均與智慧城市中的地下空間建設緊密相關。

2 巖土與地下空間綜合測試技術介紹及其在智慧城市中的應用

2.1 基坑遠程自動化監測和監控技術

城市發展對地下空間的需求量不斷擴大，深基坑工程項目也越來越常見。盡管大多數深基坑屬于臨時性工程，但其自身的復雜性及施工過程中大量的不可預見因素使基坑在開挖時極易發生安全事故。因此，加強對基坑工程自身及周邊環境的監測是基坑項目施工的重要環節，如何提高基坑監測技術成為巖土工程中一項值得深究的問題。通過大量傳感器捕捉基坑內外的異常信息并借助互聯網平臺進行共享是目前應用較為廣泛的自動化監測與監控技術。在數據采集和自動處理環節，該自動化監測系統可利用傳感器設備將圍護結構的變形、地下水位變化、側向位移和支撐軸力等數據實時傳輸至采集儀，常見的傳感器設備有固定式測斜儀、水位計、測量機器人和支撐軸力計等。為確保數據的可靠性，系統還設有可自動辨偽的數據自動處理程序。基坑遠程自動化監測系統還具有報表打印、安全預報警以及風險分析、成果質量審核等輔助功能。

目前，在GIS、視頻監控以及街景等高新技術的支持下，我國不少建筑企業已建立起基于網頁和手機APP的基坑監測作業監控管理平臺，如在上海軌道交通工程和天津于家堡樞紐工程等基坑監測項目中投入應用并取得明顯成效的“天安監測”系統。

2.2 地鐵盾構隧道三維激光掃描檢測技術

2.2.1 三維激光掃描檢測技術及其算法改進

在各種復雜因素的影響下，地鐵盾構隧道會在長期運行后出現隧道變形、管片破損以及軌道位移等情況，嚴重威脅地鐵盾構隧道的安全。在此背景下，三維激光掃描檢測技術可以快速獲得掃描云點數據并有效實現三維建模，因此，這種技術在地鐵盾構隧道變形監測中的應用越來越廣泛。在監測地鐵盾構隧道變形時，傳統算法極易因各種因素的影響而無法開展遠程監測，進而無法提高變形監測的準確性。針對傳統算法的局限性，國內學者提出了一種基于三維激光掃描技術的地鐵盾構隧道三維建模優化算法，該算法不僅可擇優選擇掃描參數，還可合理安置標靶，并在此基礎上建立盾構隧道的三維優化模型。優化算法所得激光掃描數據后，即可得到盾構隧道的三維坐標與矩陣關系式，進而實現對地鐵盾構隧道的變形監測。2.2.2 驗證試驗與實際應用

在參考文獻［1］中，桂芳茹以杭州市江干區天成路盾構隧道為實驗樣本，對上述改進算法的效果進行了驗證。經高精確性的三維盾構隧道激光掃描數據集合，最終得到的檢測結果與全站儀的變形檢測結果接近，檢測結果令人滿意。三維激光掃描技術的應用為城市地鐵變形監測及病害檢測工作的開展提供了全新的思路，提高了技術人員的工作效率與檢測精度，目前，該技術已在上海軌道交通6號、7號、12號和13號線中應用，并取得了良好的效果。

2.3 巖土工程建筑信息模型建模技術

建筑信息模型技術就是數字信息與計算機技術相結合的BIM技術，該技術是在工程項目信息的數據基礎上利用數字信息構建三維建筑仿真模型，進而為建筑提供工程化管理、工程設備管理與工程監理等作用。鑒于BIM技術的應用現狀，其在巖土與地下空間開發領域的應用頻率與水平均不高。對此，可從基坑圍護設計、地下管線工程物探以及巖土工程勘察等領域的BIM技術應用著手，嘗試建立統一的巖土工程信息模型，實現建筑結構與BIM模型的信息協同與共享。

2.4 軌道交通運營地下結構安全仿真管理平臺

除上述數據采集、分析以及建模等高新技術，要實現智慧城市對建筑的要求，還需將多源信息與三維模型協同共享于統一平臺上。以軌道交通工程為例，借助GIS與BIM技術的信息共享與集成功能開發建立軌道交通運營地下結構的安全仿真管理平臺，借助該平臺可快速獲取或分享地質環境信息、軌道交通地下結構信息、長期監護測量信息及結構病害信息，同時還可獲得周邊工程監測信息與相鄰影響監測信息。為對城市軌道交通地下結構運營生命周期內的安全狀態進行有效評估，還需充分利用巖土與地下結構專業分析技術，在安全仿真管理平臺的基礎上建立適應時代需要的專家分析平臺[2]。

3 結語

近年來，我國社會經濟水平不斷提高，城市化進程加快，城市人口密度越來越高。在此背景下，有限的土地資源制約著城市的進一步發展，開發城市地下空間已成為智慧城市建設中的重要步驟與必然趨勢。就目前我國城市地下空間的開發情況，其在規劃、設計、施工、運行與維護等環節都存在諸多問題，嚴重影響了智慧城市的發展。如何將巖土測試技術與地下空間結構進行有機融合并加以分析應用，是未來智慧城市建設和發展的重點研究領域。