智能監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵工程中的應用探索

文｜毛志軼

一、引言

在地鐵基坑開挖過程中，周圍土體內部力學狀態(tài)變化復雜，并且隨著開挖深度增加對圍護結構物的土壓力逐漸增大，使得圍護結構物整體位移，或局部變形等。另一方面，深層土體也會隨著圍護結構的變形而產生水平位移，從而引起地面產生不均勻沉降，造成周圍建筑物的沉降、傾斜或開裂等。

地鐵基坑施工過程中，對土體和地下連續(xù)墻深層水平的監(jiān)測通常采用測斜儀，對建筑物的監(jiān)測主要采用工程測量法，在建筑物表面布設測點，利用全站儀、水準儀觀測建筑物的水平位移和沉降。傳統(tǒng)方法人為操作因素影響較大，耗時費力，大都無法實現實時高精度監(jiān)測且效率較低。

隨著信息通訊、智能計算等技術的發(fā)展，實現監(jiān)測系統(tǒng)的自動化，數字化，智能化已經成為可能。本文針對南京地鐵七號線螺塘街站、高廟路站基坑地下連續(xù)墻及周邊建筑物的實時監(jiān)測系統(tǒng)進行研究，以達到系統(tǒng)實時自動監(jiān)測，數據實時分析上傳，遠程控制，提前預警等目標。

二、基本工作模式

智能監(jiān)測系統(tǒng)包括一根全向實時位移管（全向管）和一組建筑物空間姿態(tài)和運動監(jiān)測盒（見圖1）。該系統(tǒng)利用移動物聯網（NBIoT）將監(jiān)測數據發(fā)送到云端后臺，計算結果直接傳送至用戶（見圖2），無需任何附屬設備。

全向管是針對工程中的支擋圍護結構物變形監(jiān)測開發(fā)的可串聯式棒狀傳感器。在基坑工程中主要用于圍護結構物和土體的深層水平位移監(jiān)測。（見圖3）

全向管可以根據結構物高度自由拼接，使用方便靈活，其主要特點包括：

施工簡便成本低。無需測斜管，無需測斜儀操作人員，安裝簡便；

實時連續(xù)。每秒可監(jiān)測50次以上，續(xù)反映被監(jiān)測物體指定方向上的位移量，為施工安全提供量化指標；

圖1 基坑監(jiān)測系統(tǒng)布點示意圖

圖2 基坑監(jiān)測系統(tǒng)數據傳輸

圖3 全向實時位移管

測量精度高。由KALMAN的過濾功能，能即時、自動、演算修正之坐標系的相對正確位置，反映被測物體對大地坐標系中的真實三維位移量（而傳統(tǒng)的測斜設備最大缺點是需預先假設轉動方向，才能確定側斜管的導槽安裝方向）；

安全警告功能。由于裝有3軸加速儀，有些微小的局部變化可以比傳統(tǒng)側斜管在更短得時間內被反應并傳遞到業(yè)主終端。

全向管的核心是STRDAL專利傳感器智能顆粒，專利號CN103850153A（見圖4），智能顆粒能夠實時采集加速度、轉角等數據利用卡爾曼過濾（Kalman）算法，得到全向管所在監(jiān)測段的高精度位移數據。再將實測數據與支撐軸力和墻后土壓力相結合，采用STRDAL專利算法（基于軟硬件實時交互得算法CN 105677983 A）即可計算出地下連續(xù)墻全深度的深層水平位移。

表1 全向管性能參數表

圖4 智能顆粒及便攜接收器

表2 建筑基坑工程儀器監(jiān)測項目表

三、地鐵工程中的預期使用范圍

根據《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》（GB50497-2009）的規(guī)定，基坑監(jiān)測項目如表2所示。目前智能監(jiān)測系統(tǒng)已經能夠實現圍護墻深層水平位移，土體深層水平位移，周圍建筑物變形（豎向位移、傾斜、水平位移）等的智能實時監(jiān)測。

四、圍護結構深層水平位移監(jiān)測總結

在南京地鐵七號線螺塘街站成功搭建地下連續(xù)墻實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋高精度傳感器監(jiān)測技術、物聯網通訊技術、計算機智能運算和人機交互等多個領域，按功能可劃分為5個子系統(tǒng)：數據采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、供能系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)和圖形界面系統(tǒng)。

從系統(tǒng)安裝完成以來始終處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，獲得大量監(jiān)測數據（見圖5）。通過比較全向管和附近測斜管連續(xù)4天（2017年12月4日到2017年12月7日）的監(jiān)測數據，可以看出墻體最大水平位移監(jiān)測數據相差約2-3mm，考慮到兩種方法所監(jiān)測墻體位置的距離，可以認為兩種監(jiān)測手段精度相近。

圖6為連續(xù)10天地下連續(xù)墻最大位移連續(xù)變化圖。從圖中可以看出，在每日接近中午的時段墻體最大水平減小，隨后又增大。首次監(jiān)測出一天時間內墻體水平位移的變化趨勢，并發(fā)現墻體隨時間的變化規(guī)律充分體現出全向管實時監(jiān)測的優(yōu)勢。

圖5 監(jiān)測位移和相鄰側斜管比較

圖6 地下連續(xù)墻最大位移連續(xù)10天變化圖

目前該系統(tǒng)已實現全向高精度監(jiān)測，監(jiān)測平面不限于墻體的垂面與平行面；實時自動監(jiān)測，無需人工操作；突變預警，通過加速度監(jiān)測對突發(fā)大位移提前預警，幫助及時調整施工方案；無線數據傳輸，監(jiān)測數據智能化處理，使相關人員隨時隨地獲取簡潔明了的監(jiān)測數據。解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方法中存在的不實時、效率低等問題。

五、地鐵基坑周邊建筑物變形監(jiān)測總結

在南京地鐵七號線高廟路站基坑開挖過程中，對基坑附近建筑物南京外國語中學報告廳進行監(jiān)測。如圖1所示，在報告廳樓頂的四角分別安裝了建筑物運動與姿態(tài)監(jiān)測盒，采集大量數據。如表3所示，為2018年7月10日到2018年7月15日平均值。從表中可以看出，在基坑開挖過程中建筑物只產生微小的位移和傾斜，位移均在1mm以內，傾角不超過0.02rad，均在規(guī)范要求范圍內。

六、未來的研發(fā)方向

未來的監(jiān)測系統(tǒng)，將更加自動化、智能化。能夠自動采集數據，自動分析，自動判斷，預測預警。并且未來智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測項目將更加豐富，隨著理論的進步系統(tǒng)中除包含現行規(guī)范要求監(jiān)測項目外，還將出現更多新的監(jiān)測內容，提高監(jiān)測精度。

計算機軟件、智能算法的研發(fā)是真正實現智能監(jiān)測的核心。隨著人工智能技術的發(fā)展，未來的監(jiān)測系統(tǒng)將不僅是對工程數據的采集、傳輸系統(tǒng)，而且是能夠對工程安全、工程進度進行預測和判斷的系統(tǒng)。目前已經實現將原始監(jiān)測數據轉化為工程監(jiān)測指標，對指標數值的分析、判斷和預測將進一步研究。

表3 建筑物姿態(tài)監(jiān)測

七、結語

目前該監(jiān)測系統(tǒng)初步投入實際工程應用，成本包括前期的研發(fā)成本，試驗成本，生產成本等，因此總體成本偏高。但隨著該系統(tǒng)逐步大規(guī)模推廣應用，技術不斷升級優(yōu)化，成本將逐步下降。另一方面，隨著經濟的發(fā)展人工成本越來越高，傳統(tǒng)人工監(jiān)測的成本逐年增加，因此從長遠看智能監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的經濟效益。

智能監(jiān)測技術大大提高了監(jiān)測精度，保證結構物及周邊建筑物的安全。而且提高施工監(jiān)測效率，降低安全監(jiān)測對施工進度的影響。同時，推動土木工程技術的自動化、智能化、信息化發(fā)展，與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比明顯具有更優(yōu)的社會效益。