城市地下空間支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

1、城市地下空間支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測1前言地下空間作為城市的重要資源，在發(fā)達(dá)國家得到了多方面的應(yīng)用，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)受到廣泛重視，城市地下工程的興建已經(jīng)成為一種趨勢。就地下鐵路來看，我國從1965年開始修建地下鐵道，至今已有北京、天津、上海、廣州、深圳、南京等大城市建成部分地鐵，目前地鐵建設(shè)已步人快速發(fā)展階段。然而，在地鐵施工及運(yùn)營過程中由于地層沉降等原因引起的人員傷亡、財產(chǎn)損失及環(huán)境破壞的問題也在頻頻發(fā)生。如2008年杭州地鐵一號線坍塌事故造成21人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1.5億元人民幣；2007年北京市海淀南路的地鐵10號線工程蘇州街車站東南出入口發(fā)生塌方事故導(dǎo)致6名

2、施工者被埋等。我國各地區(qū)地質(zhì)條件多樣且十分復(fù)雜，修建地下空間除了需要詳細(xì)而又準(zhǔn)確的地質(zhì)勘察和精密的設(shè)計之外，在施工過程中還要能及時處理遇到的各種難點問題和突發(fā)事件。信息科技的迅速發(fā)展，使得工程與信息技術(shù)相合，通過采用合理的監(jiān)測措施可以使施工及運(yùn)營期間工程出現(xiàn)事故的風(fēng)險降至最低。監(jiān)測手段適用于城市地下空間的監(jiān)測手段可概分為直接幾何方法、間接幾何方法和物理方法，見表1。其中間接法中的巴賽特收斂系統(tǒng)(BassettConvergenceSystem)早期使用于礦山采礦坑道掘進(jìn)的安全監(jiān)測，由于一些地鐵開挖與采礦坑道掘進(jìn)類似，巴賽特收斂系統(tǒng)被延用于地鐵隧道的安全監(jiān)測中。巴賽特收斂系統(tǒng)由三大部分組成：數(shù)據(jù)

3、量測部分，包括若干組長、短桿件互相連接的電介質(zhì)(EL)傾角傳感器；數(shù)據(jù)采集部分，包括數(shù)據(jù)采集控制器和計算機(jī)；數(shù)據(jù)處理部分，包括采集控制、標(biāo)定、計算分析與可視化軟件等。巴賽特收斂系統(tǒng)的一個突出優(yōu)點是可在現(xiàn)場無人值守的情況下長期自動工作，另一特點是防潮防濕、抗電氣干擾，此外，它能在煙霧條件下工作，對環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力。該系統(tǒng)用于測量隧道的收斂變形，要確定隧道的實際位移向量，必須與控制點資料相結(jié)合。由于傳感器的制造及采集系統(tǒng)的開發(fā)等技術(shù)已經(jīng)比較成熟，該類監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于國內(nèi)的各工程實踐中，本次所介紹的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也源于對巴賽特收斂系統(tǒng)的借鑒。表1監(jiān)測手段概覽監(jiān)測方法分類監(jiān)測技術(shù)方法

4、儀器設(shè)備主要監(jiān)測目標(biāo)國內(nèi)應(yīng)用工程實例電水平尺和數(shù)據(jù)自動采上海東方路地鐵樞電水平尺系統(tǒng)（EL-BEAM）精密沉降集器紐站直接幾何法自動化實時三維監(jiān)測系統(tǒng)全站儀、遙控終端、無地鐵隧道變形與形變廣州地鐵一號線倉邊路段線GSM調(diào)制解調(diào)器全站儀、數(shù)據(jù)自動采集全站儀收斂變形系統(tǒng)地下空間變形與形變上海地鐵一號線傳感器、數(shù)據(jù)自動采集地下隧道變形與上海人民廣場地鐵巴賽特收斂系統(tǒng)間接幾何法器及數(shù)據(jù)處理器形變樞紐站數(shù)字化攝影測量技術(shù)立體坐標(biāo)量測系統(tǒng)地下空間變形與形變廣東某隧道工程地震反射探測超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)施工超前異體探測石牙山隧道物理方法地質(zhì)雷達(dá)探測地質(zhì)雷達(dá)施工超前異體探測晴隆隧道工程安全監(jiān)測項目種類很多，具體到

5、每個工程根據(jù)其工程類型、場地地質(zhì)和施工情況監(jiān)測項目有所不同。按監(jiān)測物理量的類型一般可以分為變形監(jiān)測（包括水平位移、豎直位移、撓度變形等）、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、滲流監(jiān)測、溫度監(jiān)測和動態(tài)監(jiān)測等。按監(jiān)測變量分為原因量和效應(yīng)量監(jiān)測。原因量即環(huán)境參量，由于它們的變化引起建筑物性態(tài)的變化；效應(yīng)量是構(gòu)筑物對原因量變化而產(chǎn)生的響應(yīng)。表2列舉了一些常規(guī)情況下的監(jiān)測項目。針對具體工程可以通過數(shù)值模擬等方式選擇結(jié)構(gòu)中的危險點進(jìn)行監(jiān)測。實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及流程3.1系統(tǒng)構(gòu)成在工程的安全監(jiān)測中，及時收集和分析現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)是非常重要的。為了實現(xiàn)在任何時間甚至任何地點都可以對監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)分析的要求決定是否預(yù)警，

6、組建遠(yuǎn)程實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)建立是切實可行的措施，根據(jù)其運(yùn)行特點可以將它分為以下幾部分組成，如圖1所示。表2常規(guī)監(jiān)測項目監(jiān)測因子監(jiān)測類型監(jiān)測項目監(jiān)測目的采用儀器備注溫度、氣壓、降環(huán)境因素大氣條件氣壓計、雨量計原因量水監(jiān)測爆破了解爆破對圍巖和速度計、加速度計支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響圍巖內(nèi)部位移（水多點位移計，鉆孔圍巖內(nèi)部位移地下/地表和變形監(jiān)測平和軸向）和松動測斜儀，滑動測微區(qū)范圍計，測量機(jī)器人等含收斂計測得圍巖表面位移（收收斂計，全站儀，的相對位移、全效應(yīng)量監(jiān)測地下/地表表面位移斂，拱頂下沉，仰水準(zhǔn)儀，近景攝影站儀測得的三拱隆起）測量維絕對位移巖體應(yīng)力、支護(hù)結(jié)應(yīng)變計、錨桿應(yīng)力地下/地表應(yīng)力應(yīng)變構(gòu)應(yīng)力計，錨索

7、測力計地下滲流、地下水滲壓、地下水位滲壓計、水位計地下/地表荷載圍巖與支護(hù)間接觸壓力計，錨桿（索）地下地下地表壓力，錨桿（索）拉力測力計等接觸縫、裂縫、結(jié)裂縫構(gòu)面地鐵隧道、基坑、垂直位移大壩、沉降監(jiān)測周邊環(huán)境地表沉降、建筑物變形裂縫計，收斂計靜力水準(zhǔn)儀（1D）全站儀，水準(zhǔn)儀，地表和建筑物經(jīng)緯儀圖1實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖具體介紹如下：傳感系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用各種傳感器，將被測量（應(yīng)變、傾斜度等）轉(zhuǎn)變成便于記錄及再處理的電壓或電流等信號。由于從傳感器輸出的電信號一般很弱，通常各種傳感器都有與之匹配的信號放大器。其功能是將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換。傳感系統(tǒng)包括加速度計、應(yīng)變計、位移計、鋼筋計、土壓力盒

8、、測斜儀、信號放大器等。數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)該系統(tǒng)的功能是將傳感器變換、放大器放大后的信號，直接以模擬量的方式記錄下來或者經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量的方式進(jìn)行記錄。另外，為了達(dá)到遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的目的，還要將這些數(shù)據(jù)通過合理的傳輸方式傳送到監(jiān)控室，設(shè)備包括采集器、發(fā)送主機(jī)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲和處理設(shè)備。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后或在終端上顯示，然后直接進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。該子系統(tǒng)的目的是根據(jù)各監(jiān)測項目的特點，使各不同類型的數(shù)據(jù)通過恰當(dāng)?shù)慕M織，被有效的存儲起來，在保證必要信息存儲的前提下，盡量減少數(shù)據(jù)的冗余度。設(shè)備包括高性能計算機(jī)及分析軟件，必要時進(jìn)行實時分析和處理5。預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警系統(tǒng)也可稱為評估

9、系統(tǒng)，是對測量的結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行判斷、分析評估，對異常測試值進(jìn)行報警的系統(tǒng)，為施工策略的變動提供參考，確保工程安全。遠(yuǎn)程控制在數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸方面，通過有線連接或無線微波遠(yuǎn)程模擬信號發(fā)送及接收系統(tǒng)，也可以采用在商業(yè)上已經(jīng)取得了巨大成功的客戶機(jī)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)方便和真正的遠(yuǎn)程監(jiān)測。3.2系統(tǒng)實現(xiàn)流程實現(xiàn)該系統(tǒng)運(yùn)行的簡易流程如圖2所示。首先通過遠(yuǎn)程控制向現(xiàn)場的采集器發(fā)送采集命令，采集器以發(fā)送激振電壓等方式控制傳感器反饋傳感信息，采集器將反饋信息量化成頻率等數(shù)值，最后通過一定的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控室的終端，由終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后在決定是否預(yù)警。該流程中有兩處地方值得注意，首先是數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸這個

10、環(huán)節(jié)，它可以有多種選擇方式，不同選擇將會帶來較大的差異，但一般都要根據(jù)具體的工程選擇合適的傳輸方式。各種傳輸方式的特點如下。有線傳輸該連接方式可以直接使用電纜線將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集器與室內(nèi)的電腦相連接，其優(yōu)點是省去了發(fā)送或者接收主機(jī)及其通信的費(fèi)用，成本相對較低，而且數(shù)據(jù)傳輸方便及時；缺點就是連接距離有限，特別是長距離的監(jiān)測，購置電纜線的成本會增大，而要實現(xiàn)跨地區(qū)采集數(shù)據(jù)幾乎不可能，另外就是施工過程中容易發(fā)生連接線被壓斷或者碾碎等。所以此種方式一般適合工程量較小，監(jiān)測距離小于1000m的項目。無線微波傳輸系統(tǒng)該連接方式同時需要發(fā)送主機(jī)和接收主機(jī)，數(shù)據(jù)由專用的軟件接收，其優(yōu)點是不使用連接線，不耗費(fèi)網(wǎng)絡(luò)

11、流量，即電腦是否聯(lián)網(wǎng)并不影響監(jiān)測的正常進(jìn)行，數(shù)據(jù)采集后將由發(fā)送主機(jī)以微波的形式發(fā)送出去，接收主機(jī)則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)信號可以實現(xiàn)在任何時間跨地區(qū)監(jiān)測；缺點是可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集或者接收延時，因為控制現(xiàn)場采集和接收數(shù)據(jù)都以微波信號傳輸?shù)姆绞?，而一旦信號服?wù)遇到高峰期則很容易出現(xiàn)延時情況，另外就是通信花費(fèi)較高。此種傳輸方式適合在無網(wǎng)絡(luò)地區(qū)對工程進(jìn)行實時監(jiān)測?？蛻魴C(jī)/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)該連接方式需要發(fā)送主機(jī)，數(shù)據(jù)將由這個發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，室內(nèi)電腦通過域名訪問的方式接收數(shù)據(jù)。其優(yōu)點是利用了當(dāng)今流行的Internet網(wǎng)絡(luò)，容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，監(jiān)測量大時使數(shù)據(jù)庫的開發(fā)也變得比較方便，而且數(shù)據(jù)的傳輸也較為及時，另外流量

12、費(fèi)相對也較低，缺點就是最先接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器一旦癱瘓或者發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障都將導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法及時得到分析和處理，網(wǎng)速也可能會成為制約數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)囊蛩兀S著信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)這些事故的概率非常小，所以此種傳輸方式廣泛適用，尤其是工程量大、遠(yuǎn)距離監(jiān)測的項目。另一處值得注意的地方就是預(yù)警的環(huán)節(jié)，預(yù)警的前提是數(shù)據(jù)要得到初步處理和判斷，由此可以有兩個地方選擇發(fā)送預(yù)警信息。首先是數(shù)據(jù)采集器，因為目前的數(shù)據(jù)采集中都具有一個以單片機(jī)為主的核心處理器及內(nèi)存儲器等，數(shù)據(jù)完全可以在這里得到處理并決定是否預(yù)警，但是目前采用此類方式預(yù)警的事例非常少，并不是因為采集器硬件跟不上，主要原因在于軟件，而嵌入式開發(fā)投入較大，且

13、精通此類技術(shù)的人并不多，相關(guān)技術(shù)并不成熟。但是如果在這里可以實現(xiàn)預(yù)警，則它的優(yōu)點是巨大的，可以完全忽略數(shù)據(jù)傳輸所出現(xiàn)的各種問題。所以目前廣泛采用的還是將預(yù)警的地方放在監(jiān)控室內(nèi)的接收端電腦上，畢竟電腦已經(jīng)得到廣泛使用，在此基礎(chǔ)上開發(fā)各種數(shù)據(jù)接收和處理程序也相對容易的多，軟件修改和更新也比較方便，但是數(shù)據(jù)傳輸過程中遇到的各種問題也必將影響到預(yù)警，因為數(shù)據(jù)是在傳輸之后才判斷是否預(yù)警。圖2實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)簡易流程圖關(guān)鍵技術(shù)討論4.1監(jiān)測點的布置布置問題是建立一套成功有效的實時監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。需要豐富的工程經(jīng)驗與扎實的理論知識配合。在具體的工程中，理論研究者可以通過數(shù)值模擬或簡單解析法等找出潛在的危

14、險點，并與施工方商討制定布點方案。一般在隧道拱頂和結(jié)構(gòu)的連接部位應(yīng)力較為集中，可以優(yōu)先考慮布置監(jiān)測點。4.2監(jiān)測精度與頻率的確定一般要求精度較高，但是過高則使監(jiān)測工作變得復(fù)雜，增加監(jiān)測費(fèi)用，但過低又會造成數(shù)據(jù)分析的精確度。實際操作過程中可以根據(jù)理論計算出的數(shù)值選擇合適量程和精度的監(jiān)測儀器。同時也要求軟件的浮點運(yùn)算精度合適。監(jiān)測的頻率對監(jiān)測成果有很大的影響，一些規(guī)范中也明確給出了監(jiān)測的頻率但在監(jiān)測工作實施的過程中，需要根據(jù)工程進(jìn)度、監(jiān)測對象穩(wěn)定性分析結(jié)果等因素對頻率進(jìn)行調(diào)整。尤其當(dāng)掌子面距離監(jiān)測點越來越近時需要加大監(jiān)測頻率。4.3預(yù)警系統(tǒng)與警戒值從現(xiàn)有文獻(xiàn)來看，城市地下空間安全預(yù)警系統(tǒng)的研究分為

15、變形預(yù)測模型、預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系、預(yù)警指標(biāo)警戒值、預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)等方面。不少學(xué)者提出了相應(yīng)的預(yù)測模型，如李宏義提出了一個概念，即利用建立的變形灰色預(yù)測GM(1,1)模型、變形速率灰色預(yù)測Verhulst模型，預(yù)測建筑基坑地表的變形量和變形速率，通過變形量、變形速率與警戒值的比較來實現(xiàn)預(yù)警；李惠強(qiáng)嘗試基于已有地區(qū)實測位移值建立同類地區(qū)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測位移的方法，與規(guī)范規(guī)定的變形位移技術(shù)指標(biāo)和警戒值進(jìn)行比較，以得到預(yù)警的目的等。就目前所使用的預(yù)警系統(tǒng)基本都是將監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)理論進(jìn)行處理得到變形量或者變形速率等，再將其與警戒值比較來決定是否預(yù)警。警戒值作為地下工程安全控制的一種強(qiáng)制性警示，提醒工

16、程人員注意，采取必要的措施阻止事態(tài)惡化。警戒值并沒有相關(guān)的明文規(guī)定。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)最終將量化成變形值等，所以一般將相關(guān)規(guī)范中的允許值作為參考來制定警戒值。有學(xué)者將警戒值又分為預(yù)警值和報警值，即實現(xiàn)多級預(yù)警，預(yù)警值取控制值的0.70.8倍，報警值取控制值的0.80.9倍，控制值參考相關(guān)規(guī)范選取2。例如以C30混凝土和HRB335鋼筋為監(jiān)測對象，通過應(yīng)變值比較來實現(xiàn)預(yù)警，警戒值選取如表3所示。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值是通過試驗取得統(tǒng)計數(shù)據(jù)后，根據(jù)其概率分布，并結(jié)合工程經(jīng)驗，取其中的某一分位值（不一定是最大值）確定的，而設(shè)計值是在標(biāo)準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上乘以一個分項系數(shù)確定的。因

17、此，將通過強(qiáng)度計算出來的應(yīng)變作為警戒值。其中預(yù)警值由材料的設(shè)計強(qiáng)度和其彈性模量確定，報警值由材料的強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值和其彈性模量確定。不同的情況下還可以適當(dāng)乘以折減系數(shù)。表中僅考慮了材料的拉壓變形預(yù)警，而實際上更多采用摩爾庫倫準(zhǔn)則及應(yīng)力路徑來判斷失穩(wěn)或者破壞，但實現(xiàn)起來并不容易，首先要求傳感器能夠測得某點多方向的變形數(shù)據(jù)，其次要改進(jìn)實現(xiàn)預(yù)警軟件的算法。但是就特定的監(jiān)測項目而言，警戒值的設(shè)定還需要結(jié)合工程地質(zhì)、地表、工程結(jié)構(gòu)等情況綜合考慮制定。4.4監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與融合4.5監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析利用監(jiān)測一旦開展，需要結(jié)合工程的特點分析大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，預(yù)測可能發(fā)生的走勢，引導(dǎo)施工安全有序的進(jìn)行，確保運(yùn)營順利。常用分析與建模的理論有：回歸分析法、時間序列分析模型、灰色系統(tǒng)分析模型、Kalman濾波模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、頻譜分析。目前應(yīng)用較多的是回歸分析法和時間序列分析模型，隨著人工智能的發(fā)展，為了使系統(tǒng)更加智能化，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將成為未來的主流。監(jiān)測人員應(yīng)根據(jù)分析的結(jié)果與施工或者運(yùn)行方商討制定預(yù)防措施，保證工程順利、安全運(yùn)行。4.6監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋與報警5結(jié)束語隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用已經(jīng)受到廣泛重視，