軌道交通地下工程周圍建（構(gòu)）筑物自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

王劍明

（中鐵二十四局集團(tuán)有限公司，上海 200071）

1 引言

改革開放40年來，城市軌道交通發(fā)展突飛猛進(jìn)。軌道交通是城市公共交通中的骨干力量，是城市的生命線工程。根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的2018年中國內(nèi)地城軌交通線路概況快報(bào)，截至2018-12-31，中國內(nèi)地累計(jì)有35個(gè)城市建成投運(yùn)城軌交通線路5 766.6 km。但在城市中心、建筑密集區(qū)建設(shè)軌道交通工程又是高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，必須保證自身建設(shè)及周圍環(huán)境的安全。

其中，城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)工作非常重要，應(yīng)做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、成果可靠，才能保證工程結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全。城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)應(yīng)編制合理的監(jiān)測(cè)方案，精心組織和實(shí)施監(jiān)測(cè)，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工和安全運(yùn)營及時(shí)提供準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)成果[1]。

不夸張地說，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成果是現(xiàn)場(chǎng)施工工程技術(shù)人員判斷工程是否安全的依據(jù)，為工程決策機(jī)構(gòu)的“眼睛”。如何結(jié)合工程實(shí)際，按照《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013）、《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）等規(guī)范要求，克服常規(guī)監(jiān)控量測(cè)存在的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目多、測(cè)量慢、數(shù)據(jù)多、工作量大等問題，研究快速、高效、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)新技術(shù)并應(yīng)用，尤為重要。

自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)主要是以智能型測(cè)量?jī)x器、監(jiān)測(cè)元件為載體，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)傳輸方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)物形變測(cè)量的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)變形數(shù)據(jù)分析處理，以達(dá)到取代人工監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的[2]。

2 工程概況

貴陽市軌道交通延安路站為1、2號(hào)線地下?lián)Q乘站，基坑支護(hù)采用全套管咬合圍護(hù)樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)。周圍有多棟高層建筑，其中，景天城（31F+2）、龍泉大廈（26F+1）、達(dá)亨大廈（21F）等，容易受基坑開挖影響而發(fā)生沉降傾斜或變形開裂。地質(zhì)條件復(fù)雜，位于向斜核心，有一條張扭性斷層，巖層產(chǎn)狀變化較大。

三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組灰色中厚層白云巖，局部含泥質(zhì)，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育；巖溶強(qiáng)發(fā)育；地下水、周圍地表水（生活污水）較豐富，覆蓋土層含水。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有建筑物的沉降和傾斜，圍護(hù)樁墻水平位移、墻頂水平/豎向位移、支撐內(nèi)力、地下水位等，重點(diǎn)為地面高層建筑物在車站基坑開挖或隧道穿越時(shí)沉降、傾斜監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備保護(hù)、維護(hù)工作等。

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)思路

監(jiān)測(cè)是采用儀器量測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)巡查或遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等手段和方法，長期、連續(xù)地采集和收集反映工程施工、運(yùn)營線路結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境對(duì)象的安全狀態(tài)、變化特征及其發(fā)展趨勢(shì)的信息，并進(jìn)行分析、反饋的活動(dòng)[1]。變形監(jiān)測(cè)與常規(guī)測(cè)量與相比，有共同之處，又有自己的特點(diǎn)：周期性重復(fù)觀測(cè)、精度要求高、多種技術(shù)的綜合應(yīng)用、監(jiān)測(cè)網(wǎng)著重于研究點(diǎn)位的相對(duì)變化。

由于部分項(xiàng)目位于市主城區(qū)繁華地段，人口稠密、建筑林立，且以高層房屋、居民樓為主。在高巖溶高富水地質(zhì)不良環(huán)境下施工，為了確保工程質(zhì)量，保障周邊居民生活和建筑結(jié)構(gòu)的安全，不可繼續(xù)采用常規(guī)監(jiān)測(cè)方法，即精密水準(zhǔn)、全站儀、GPS觀測(cè)等，需要尋找先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如采用多元信息遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，為優(yōu)化施工防護(hù)措施方案提供有力保障。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是變形監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)，優(yōu)點(diǎn)是工效高、勞動(dòng)強(qiáng)度小，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)控，有利于提高測(cè)量精度。多元信息遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是隧道、基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的新產(chǎn)品，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集，并在數(shù)據(jù)服務(wù)器平臺(tái)發(fā)布，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端查詢。從使用傳統(tǒng)的光學(xué)類儀器發(fā)展為現(xiàn)代的電子儀器，從單一的、范圍受限及工作量大的作業(yè)手段發(fā)展成范圍廣大、自動(dòng)化程度高、使用方法多樣的新技術(shù)，使獲得的數(shù)據(jù)更加可靠，分析能力更強(qiáng)、更及時(shí)。

4 監(jiān)測(cè)實(shí)施

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器

本著經(jīng)濟(jì)、合理、有效的原則，遵守工程施工規(guī)律，合理設(shè)置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目并選擇可靠的監(jiān)測(cè)方法。對(duì)于高層和超高層建筑，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有沉降和傾斜觀測(cè)。沉降觀測(cè)應(yīng)測(cè)定建筑的沉降量、沉降差及沉降速率，并應(yīng)根據(jù)需要計(jì)算基礎(chǔ)傾斜、局部?jī)A斜、相對(duì)彎曲及構(gòu)件傾斜[3]。建筑物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器如表1所示。

表1 建筑物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及儀器（以景天城為例）

主要的監(jiān)測(cè)儀器有2種：①靜力水準(zhǔn)儀（HX-DG-0320系列）為電感調(diào)頻式，內(nèi)置電子標(biāo)簽，可自設(shè)編號(hào)，直接輸出物理量；靜力水準(zhǔn)測(cè)量具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、穩(wěn)定性好、無須通視等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化沉降測(cè)量[2]。根據(jù)觀測(cè)精度要求和預(yù)估沉降量，選取相應(yīng)精度和量程的靜力水準(zhǔn)傳感器。②固定式電子測(cè)斜傳感器（HX-ZL-0103系列），為重力加速度計(jì)，測(cè)量地球引力在測(cè)量方向上的分量。可同時(shí)測(cè)量X/Y兩個(gè)方向傾斜變化，從而通過計(jì)算可以得出該點(diǎn)的傾斜方向與傾斜角度，測(cè)量精度較高、測(cè)量穩(wěn)定。兩者均能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。

4.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集及傳輸

數(shù)據(jù)采集采用自動(dòng)采集箱（HX-ZD-01型），可控制傳感器在指定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果保存在傳感器內(nèi)。需要提取觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可將電腦與自動(dòng)采集箱相連，一次性讀出傳感器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。選用太陽能或接220 V電源。

利用無線傳輸模塊（HX-ZD-02型），自動(dòng)采集發(fā)射箱通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將傳感器數(shù)據(jù)信息傳輸至云端服務(wù)器，然后經(jīng)服務(wù)器計(jì)算中心分析計(jì)算后，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)布至WEB監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)終端可通過Internet網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)客戶端（APP）查看數(shù)據(jù)。具體步驟如下：①將采集儀安放在現(xiàn)場(chǎng)易于保護(hù)的位置，將主電纜連接無線數(shù)據(jù)采集儀，打開電源；②每處測(cè)點(diǎn)埋設(shè)好，先將數(shù)據(jù)調(diào)零，對(duì)傳感器進(jìn)行指令測(cè)量，設(shè)置采樣時(shí)間間隔，通過二次儀表采集數(shù)據(jù)后發(fā)送到監(jiān)控中心；③軟件自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，直接輸出監(jiān)測(cè)量；④利用GPRS或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

4.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集軟件（HX-RJ-01）將各種方式采集到的數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫，形成Excel文件，可進(jìn)行進(jìn)一步的顯示、處理、分析。同時(shí)，采集軟件可通過域名解析軟件對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，達(dá)到自動(dòng)化測(cè)量。軟件可對(duì)有效采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和分析，實(shí)用、自動(dòng)生成多種曲線圖；操作界面簡(jiǎn)單、直觀、易用。

該軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)操作、反饋分析、數(shù)據(jù)報(bào)警和可視化輸出的模塊[4]。集成智能軟件功能模塊如圖1所示。

圖1 集成智能軟件功能模塊

4.4 監(jiān)測(cè)頻率及預(yù)警、報(bào)警

監(jiān)測(cè)頻率和觀測(cè)周期應(yīng)根據(jù)建筑的工程安全等級(jí)、變形類型、變形特征、變形量、變形速率、施工進(jìn)度計(jì)劃以及外累因素等情況確定。本項(xiàng)目，一般情況下每30～120 min測(cè)量1次，如果遇到施工進(jìn)度加快、監(jiān)測(cè)值異常、出現(xiàn)預(yù)警、有危險(xiǎn)事故征兆時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)警分為監(jiān)測(cè)預(yù)警、巡視預(yù)警和綜合預(yù)警三類。設(shè)為四級(jí)：正常綠色（四級(jí)）、黃色預(yù)警（三級(jí)）、橙色預(yù)警（二級(jí)）和紅色預(yù)警（一級(jí)）。控制標(biāo)準(zhǔn)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)取值：沉降差7 mm，房屋整體傾斜0.001；預(yù)警值控制標(biāo)準(zhǔn)的70%.

傾斜度計(jì)算公式為：

式（1）中：sA和sB為傾斜方向上A和B兩點(diǎn)的沉降，mm；L為A與B兩點(diǎn)的距離，mm。

4.5 監(jiān)測(cè)報(bào)表

每日以電子郵件或其他形式提交監(jiān)測(cè)報(bào)表，圖表說明對(duì)應(yīng)施工工況，利于綜合分析，采取相應(yīng)技術(shù)措施，調(diào)整施工方案，做到信息化施工，確保周邊環(huán)境安全。工程結(jié)束后，提交監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告。

在實(shí)施中嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定要求，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過變化速率和累計(jì)變化量時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警，通知各相關(guān)單位和部門。本項(xiàng)目根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建筑物沉降監(jiān)測(cè)具體為：累計(jì)變化最大點(diǎn)為J5-1，累計(jì)變化量為-2.33 mm，變化速率平均為-0.002 mm/d。值得注意的是，負(fù)值為下沉，正值為反彈，變形量未超控制值。建筑物沉降-累計(jì)變化量最大點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

建筑物沉降-累計(jì)變化量最大點(diǎn)曲線如圖2所示。

表2 建筑物沉降-累計(jì)變化量最大點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

圖2 建筑物沉降-累計(jì)變化量最大點(diǎn)曲線圖（J5-1）

監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)形成成果數(shù)據(jù)觀測(cè)、計(jì)算、分析數(shù)據(jù)庫，并可采用回歸分析方法建立變形量與變形因子關(guān)系數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行變形趨勢(shì)預(yù)報(bào)，用于后續(xù)分析預(yù)報(bào)確定建筑物是否安全。監(jiān)測(cè)報(bào)告分為監(jiān)測(cè)預(yù)警報(bào)告、定期報(bào)告與總結(jié)報(bào)告[3]。對(duì)監(jiān)測(cè)成果宜采用抽樣核查方式進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。

4.6 監(jiān)測(cè)思考

從應(yīng)用的深層次考慮，周圍建（構(gòu)）筑物監(jiān)測(cè)還需從以外觀形變監(jiān)測(cè)為主導(dǎo)向內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)延伸，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外觀形變協(xié)同一體化自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；進(jìn)一步提升監(jiān)測(cè)作用，不僅能綜合反映建（構(gòu)）筑物的外觀、內(nèi)部形態(tài)特征，還能反映軌道交通地下工程施工方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)控制施工質(zhì)量，驗(yàn)證設(shè)計(jì)假設(shè)和結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)估。

5 結(jié)論

在城市軌道交通地下工程（車站、隧道區(qū)間等）特殊地質(zhì)環(huán)境下，緊鄰周邊高層建筑物施工時(shí)，安全風(fēng)險(xiǎn)極高，為了保障工程自身施工及周圍建（構(gòu)）筑物的安全，國內(nèi)外開展了許多相關(guān)研究，監(jiān)測(cè)技術(shù)及手段不斷應(yīng)用，技術(shù)水平發(fā)展迅速，本文只是介紹了其中一種——多元信息遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，希望對(duì)類似工作有所借鑒。

多元信息自動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、傳輸、保存、查詢、分析、預(yù)警等功能于一體，已成功應(yīng)用于軌道交通地下工程施工周圍建（構(gòu)）筑物監(jiān)測(cè)。當(dāng)然，除了靜力水準(zhǔn)、電子測(cè)斜傳感器外，還有振弦式傳感器、爆破振動(dòng)傳感器、激光掃描測(cè)量、近景攝影測(cè)量等技術(shù)手段和結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等處理方法正在不斷提高。