城市地下工程施工監測新技術

王立新，雷升祥，汪珂，李儲軍

(1.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，西安 710043； 3.中國鐵建股份有限公司，北京 100855)

引言

城市地下空間的探索已經邁入一個全新的階段，在此背景下，出現了各種超深基坑、大斷面隧道和超近接的地下結構[1]。在許多發達的大都市中，地下空間基本形成了一個網絡。隨之而來的問題是在如此復雜的地下條件下，新建結構可能對非常鄰近的周圍環境產生不利影響[2]。如果新結構遭到破壞，不僅會對自身造成影響，還會對鄰近結構和地面現有建筑物造成破壞[3]。

為了避免上述潛在的嚴重事故，目前的主流預防措施是在可能發生事故的區域(如鄰近位置和地裂縫區)采取增加設計安全系數的方法，一般包括加厚襯砌、加密加固等[4-6]。誠然，這些措施確實明顯提高了結構安全的概率。但同時它也會造成不必要的材料、能源和勞動力浪費。與之相比，更好的思路是準確了解基礎設施在整個施工期間的受力狀態，以針對性地采取防護措施。傳感技術的革新為徹底改變基礎設施的狀態評估和監測方法提供了有趣的可能性。實際上，在土木工程領域，尤其是在地下工程中，監測和測量一直是施工的一個組成部分。其可以提供及時的反饋，指導施工參數的修改，完成動態設計的目標[7]。然而，土木工程行業常常不是前沿傳感技術的早期采用者。令人難以置信的是，盡管有許多成功的自動化監測案例，人工監測仍然在許多地下大型項目中發揮著主要作用。由于其監測值不準確，風險可能被高估，造成材料和勞動力的浪費，或被低估，導致工程災害。另外，人工監控對結構狀態的反饋不夠及時，存在隱患。

面向未來，傳感系統應該是高度精確、自動化和智能的[8]。幸運的是，人工智能和互聯網時代的到來，給人們帶來了一場快速而猛烈的革命。因此，本文重點介紹了各種新興傳感元件的研究和應用，這些傳感元件可以達到“高精度、高自動化”的目的。這些案例代表了城市地下工程乃至土木工程監測的發展方向。為了更好地應用于各種工程，上述先進的傳感系統需要盡快推廣。

1 需要監測的內容

目前，先進的傳感技術正蓬勃發展，如無人機、機器人傳感器、無線傳感器等，雖然這些技術都是最尖端的，但顯然并不是所有的技術都能用于地下工程測量，同時也沒有必要。因此，首先要明確地下工程測量的特點，了解需要測量的內容，然后有選擇地介紹相應的適用技術。地下工程施工空間小，施工環境復雜，在這種條件下，許多技術難以實施如無人機技術。

毫無疑問，在地下工程乃至整個土木工程中，力和變形是施工監測的兩個最基本的組成部分[9]。通常測力包括土壓力、結構應力等，而變形測量包括地下結構變形、地表沉降、結構應變等，在測量中，變形測量比力測量更直接、更容易。此外，根據應力—應變曲線理論，變形與土和結構的內力有對應關系，即變形測量等于測力。在地下工程測量中，由于上述原因，變形占據了主要部分。同時，目前的先進技術幾乎集中在變形傳感領域，包括光纖傳感、攝影測量、自動化監控系統等。因此選取這3項尖端技術進行介紹。

2 新興的先進傳感技術

2.1 光纖傳感

近十年來，光纖傳感是土木工程監測領域的一項絕對前沿技術[10]。由于其造價昂貴，布局復雜，難以推廣，尤其是在地下工程復雜的施工過程中。然而，光纖傳感具有自動化、準確度高、空間分辨率高等優點。長期來看，光纖傳感將是未來城市地下工程監測技術發展的主要方向，對監測精度要求較高。

為了更好地利用光纖傳感技術在工程中的應用，不僅要關注各種光纖傳感的原理，還要對適合地下工程建設的光纖傳感技術進行比較分析。本節總結了各種光纖傳感的特點及其精度，對特殊需要的工程(如高精度要求)具有重要的參考意義[11-14]。

早期，工程師們已經開始測試基于光纖布拉格光柵(FBG)的傳感器。光纖光柵傳感器具有多路復用和準分布式功能，與以往的光纖傳感技術相比具有獨特的優勢。其原理如圖1所示。從2000年左右開始，FBG在土木工程中出現了許多常見的應用，包括監測歷史建筑中關鍵部件的變形、監測橋梁中關鍵點的應變以及觀察混凝土凝固過程中的行為。這些應用中的大多數都使用各種干涉儀傳感器，其中大部分不能重復使用[15-16]。

圖1 FBG傳感器的測量原理

賴金星等[17]將FBG引入黃土隧道鋼框架應變測量中。通過對光纖光柵傳感器的標定，線性擬合后溫度與應變的相關系數可達0.999。環境溫度的變化引起布拉格波長的漂移，會直接影響應變監測結果的準確性。隨著溫度的降低，波長變化相應減小，而波長變化隨溫度的升高而逐漸增大，因此需進行必要的溫度補償。結果顯示，基于應變現場監測的FBG傳感器在黃土隧道中具有良好的環境適應性和性能穩定性。

FBG誠然比一般的傳感器具有更加連續測量的特性，然而其只能算作準分布式測量。如今，分布式測量在縱向結構上(例如隧道、深大基坑)顯示著越來越重要的作用，因為其可以顯示出結構在縱向上的連續變形分布，以反映結構的整體變形特性。2000年初，另一種光纖傳感技術分布式光纖傳感技術應運而生，并在土木工程領域顯示出巨大的潛力。這些技術主要用于測量整個光纖的應變或溫度，并有助于改進各種施工工藝。與只關心某些關鍵點的應變計、熱電偶和液位傳感器不同，分布式光纖傳感器可以在關鍵點之間提供更多信息，從而幫助工程師實現對整個應變范圍、溫度分布和其他參數的精確測量。散射和FBG使用不同的解調技術。散射技術通過對自然產生的拉曼、布里淵或瑞利后向散射信號進行解調，獲得有用的數據。圖2展示了分布式光纖傳感的原理。

圖2 分布式光纖傳感器原理

拉曼、布里淵和瑞利散射都是分布式光纖的散射技術，它們可以覆蓋數公里并提供完整的分布式信息。與FBG所采用的波分復用技術不同，散射技術是完全分布式的，這意味著它們可以獲得整個光纖的數據，而不僅僅是幾個關鍵點。一個完整的分布式光纖傳感系統如圖3所示。為了讓現場測試人員快速清晰地了解拉曼、布里淵和瑞利這3種散射技術的特點，以便在實際工程中可以針對性地選取適宜的散射技術，將分布光纖中常用散射類型的優點、缺點及其運用領域進行總結，見表1[18-20]。

圖3 光纖傳感電纜和分析儀

表1 分布式光纖傳感技術的特點

從表1可以看出，拉曼散射不適用于施工監測，因為它只能用于測量溫度，而在施工監測中更重要的是應變數據的獲取。對于瑞利散射，目前OTDR技術在光通信領域的應用已經非常成熟。然而，由于檢測光脈沖寬度的限制，其空間分辨率和動態范圍受到限制。動態范圍大、空間分辨率高的應用領域難以滿足，不適合高精度測量領域。OFDR技術彌補了上述不足，其具有超高的空間分辨率，非常適合高精度、高分辨率的測量。該技術可應用于溫度和應變傳感領域。在分布式溫度應變測量中，空間分辨率可達1 mm，傳感精度可達±1.0 με。然而，OFDR技術的測量距離較短，不能應用于大面積的地下空間。相比之下，布里淵散射具有高精度和長測量距離(因此許多先進的項目都是由BOTDR/BOTDA測量的)。盡管其系統復雜、測試時間長，但這是未來發展的方向。

在城市地下結構施工過程中，地面沉降的控制尤為重要。隧道開挖引起的地表位移的確定與監測是隧道設計與施工中的關鍵環節。A Klar等[21]通過對隧道上方水平鋪設光纖的信息進行適當的優化和信號分析，介紹了分布式光纖技術如何應用于監測和定義地面位移模型。基于TBM隧道(直徑3 m，深度18 m)和頂管水洞(直徑1 m，深度6 m)，采用BOTDA和瑞利背散射波長干涉法獲得應變。圖4顯示了由BOTDA(使用Omnisens-DITEST STA-R)和背散射瑞利(使用LUNA-OBR 4600)獲得的纖維應變及其最佳擬合模型曲線。水平位移剖面是從整體應變以及擬合的高斯和修正的高斯模型中獲得，如圖5所示。光纖監測結果為經驗沉降模型提供了更多的修正。同時，在本研究中，Omnisens的STA-R-BOTDA系統的理想精度為5 με，而背散射瑞利的理想精度為<1 με，其空間分辨率分別約為1 m和1 cm。有關該項目的更多詳情見文獻[21]。

圖4 光纖技術所測應變及其最佳擬合模型

圖5 OBR和BOTDA的綜合應變和水平位移的最佳擬合模型

樁、地下連續墻和隧道襯砌是地下結構的重要組成部分。樁荷載試驗對于了解樁的實際現場行為和確定相關巖土參數至關重要。沿著樁深獲取信息的能力為研究真實的樁-土相互作用行為提供了更多的機會。圖6(a)為一個位于道格斯島處樁自平衡測試法的案例，該試驗用分布式光纖傳感器、應變計、位移傳感器和伸長計進行了大量測試。圖6(b)顯示了分布光纖傳感裝置在倫敦黏土地下連續墻的示例。由纖維光學數據導出的橫隔壁撓度與常規測斜方法和有限元計算結果吻合。圖6(c)詳細展示了光纜與隧道襯砌段的連接，該案例位于新加坡軌道交通環線3號線，在其施工期間通過BOTDR進行測試。這些案例的更多細節可以參考文獻[22-23]。

圖6 光纖在典型地下結構中的應用(單位：mm)

2.2 攝影測量法

在以往的土木工程監測中，施工現場的地表移動測量是用水準儀或全站儀進行常規測量的。最近，越來越多的工程采用先進的全球定位系統完成地形測量[24]。上述方法要求直接進入被測點，不允許在特定時間間隔內同時測量多個點，并要求經過培訓人員收集測量結果并解釋結果。在某些情況下，不可能進入被測點或停止施工過程以獲取測量值，以記錄特定的時間間隔或地面移動事件。遙感技術的巨大優勢在于，在數據采集過程中不需要訪問特定的點，在被監測區域內的整個表面都可以進行三維重建，并且利用冗余的觀測數據進行重建，從而可以對被監測區域內的數據進行評估他的整體精準度。然而，使用激光掃描儀器采集數據仍然需要較高的初始成本，由于數據采集的掃描性質，即完成掃描所需的時間，因此無法對動態變形進行監測。作為地面激光掃描的替代方案，測距相機是一種主動成像系統，可用于變形監測[25-27]。

目前，在土木工程領域，攝影測量主要被分為無人機空中測量和近景測量兩種方式。考慮地下空間的施工環境性，無人機在地下空間中很難運用。近景攝影測量主要與DIC(Digital Image Correlation)技術相關，其利用像素坐標計算目標位移十分簡單。首先，進行全局坐標和相機中心坐標的轉換：當已知外部(相機和目標的位置和方向)和內部(傳感器和鏡頭的特性，如焦距)參數時，將圖像中相機中心坐標轉換為三維全局坐標。這項工作涉及矩陣變換的計算，詳細的公式在相關文獻中進行了說明。然后計算目標點的像素坐標差，如圖7所示。它通過比較兩幅數字圖像并將這兩幅圖像中的大量小區域定位到高亞像素精度來計算增量位移場。盡管已有研究提出了雙相機或多相機的攝影測量系統，但每臺相機的內部算法原理仍然相同[28-30]。

圖7 攝影測量坐標轉換原理

在攝影測量中，測量目標點的跟蹤識別才是最重要的步驟。只有對目標點有精準的識別，才能保證測量的準確。在地下工程中，經常需要對很多測點進行測量，這要求攝影測量系統在識別過程中能夠準確地區分各點，而不產生混淆。為了達到此目的，通常采用圖形場域分區的方法。由于地下工程乃至整個土木工程中的結構變形通常都十分微小，所以很容易保證在施工全周期，同一目標點始終處于同一個分區之中。因此，首先對攝影區域平面進行分區，保證每個分區內的目標點盡可能的少，能達到一個分區內僅一個目標點為最佳。在目標匹配中，在每個分區中分別進行像素搜索。傳統的匹配方法是基于灰度值的相似度，這種方法雖然很成熟，但只能識別出相對簡單的圖形，對圖形的分辨率要求很高。如今，神經網絡技術帶來了完全不同的識別模式。在正式識別之前，可以對大量子樣本進行深入學習，以獲得可靠的識別精度，這也是隧道變形攝影測量的一種可能實現的技術[31-32]。

2.3 自動監控系統

監控系統主要包含3個子系統和1個平臺，即數據采集子系統、數據傳輸子系統、數據分析子系統和監控云平臺。3個子系統各自承擔采集、傳輸、分析處理的任務，而監控云平臺主要進行結果展示、應急預案發布和數據聯網，系統結構見圖8。

圖8 自動化監控系統結構

2.3.1 數據采集系統

數據采集系統的主要部件是各種類型的高精度自動傳感器。目前這些傳感器是構成自動監控系統的重要部分，它們能實現多種測試項目的傳感采集，并且具有高精度、高集成度和無線智能傳感等多項功能，使得地下傳感網絡逐漸實現自動化和智能化[33-35]。圖9為智能監控系統中所使用的部分高精度傳感器。

圖9 高精度自動化傳感器

數據采集的內容包括：位移、應力、應變等；監測對象主要有拱頂沉降、周邊收斂、掌子面變形和鋼拱架應力。可見，與傳統的監測方法相比，這種新型監控系統的數據采集內容、對象并沒有太大差別。然而，由于采用了自動傳感器，使得監測效率大大提高，多源海量數據可以同時進行采集。

由于傳統的方法較為耗時，不可能進行大量的數據采集，使得最后的變形曲線或應力曲線只能是散點圖。而自動傳感器可以進行實時數據采集，當數據量密集到一定程度的時候，將產生質變效應，形成基于大數據繪制的變形圖和應力圖。這將彌補散點圖的諸多缺點，如圖10所示。

圖10 散點數據的缺陷

2.3.2 數據傳輸系統

不同于地面結構，監測數據在地下傳輸時，信號極差、空間狹小、環境復雜、受施工干擾大，因此數據傳輸的難度較大。

為保證地下結構大量監測數據的傳輸，該新型智能監控系統采用有線與無線傳輸相結合的方式，如圖11所示。暗挖隧道中施工干擾大、空間狹小，采用無線傳輸的方式，以保證線路簡潔。為解決地下信號差的問題，在隧道入口建立通信基站，同時在隧道中和通風豎井口架設無線中繼器。

圖11 地下結構監測數據傳輸示意

2.3.3 數據分析系統

數據分析系統主要由大型存儲器和高性能處理器組成，以完成對海量數據的存儲和運算。

數據分析為該智能監控系統的重點，基于采集系統形成的大數據群，可以采用不同于傳統方式的數據分析方法。分析的步驟如下。

(1)數據的預處理：數據降噪、異常數據剔除、缺失數據補全、監測數據對位標定，形成規范化、標準化數據。

(2)特征值分析：從大量數據中提取關鍵的特征值。

(3)狀態識別：將監測數據和各狀態閾值進行對比，精準識別結構所處的狀態。其中，進行狀態識別時，采用多級閾值對各因素進行識別，并采用相應的應急預案處理，如圖12所示。

圖12 狀態識別與應急預案示意

3 結論與展望

近十年來，在城市地下建筑中，由于連續結構變形控制需要非常嚴格。因此，首先應在城市地下建筑中應用更精確、更智能的技術，具體而言，一般包括兩種地下開挖和露天開挖。本文介紹了3種傳感技術：光纖、攝影和先進的自動監控系統。許多案例研究表明，這些傳感技術不僅先進、自動，而且與地下工程的施工特點和監測目標相一致。

光纖傳感最顯著的優點是分布式測量：由于其高空間分辨率(cm級)，光纖測量相當于沿光纖的數百種傳統應變計。它非常適用于基坑側壁和隧道橫截面的測量，可以獲得連續變形，更好地了解結構的應力特性。光纖傳感的另一個優點是數據的自動采集和傳輸，因此人們不需要進入施工現場來獲得結構的實時應變。這也使得光纖可以用作建筑后結構健康測量的永久性輔助設施。布里淵散射是地下施工中的主要應變測量方法。目前，施工期光纖技術推廣最需解決的問題是現場的安裝和鋪設，否則會導致較大的誤差，且對施工現場的干擾極其敏感。同時，光纖傳感不僅在施工階段進行監測，還在結構全壽命周期進行結構健康監測，這也是未來智慧工程的重要部分。

攝影測量很好地滿足了人們對變形測量的要求。同時，它具有高精度和自動化、布設方便、經濟可靠的特點。然而，攝影方法需要良好的拍攝環境，例如當光線強烈且對比度高時，如地面沉降監測，坡度監測，其準確性高。相比之下，在低照度隧道中，照片較暗，對比度較低，不利于后續處理。目前，在其他行業已經有了大量的深度學習和機器學習算法可以用來進行目標特征識別與匹配。為了在地下工程中普及攝影測量技術，未來有必要進行算法優化的研究和改善地下工程施工環境，使其具有較高的亮度和監測目標特征。

對于自動監控系統，其核心技術是自動傳感器和無線傳感網絡，前者已經發展到了較高的水平，在精度、能耗和數據傳輸方面都完全滿足地下工程建設的需要。在無線傳感網絡方面，新興的技術不斷興起，而地下工程以及整個土木工程往往遠遠落后于前沿技術。因此，在自動監控技術方面，未來需盡快進行全新的傳感網絡適配研究。