地下工程施工和运营期监测的研究与应用进展

2018-07-11沈杰严小亮

广西教育·C版 2018年4期

沈杰　严小亮

【摘要】本文结合地下工程的施工特点，阐述地下工程监测技术的发展现状及地下工程监测系统的应用理论，介绍地下工程监测系统的新技术类型，提出地下工程监测系统及技术的未来发展中要全面实现可视化管理，施工期的环境要实现全面自动化及智能化监测，相关研究人员要敢于突破传统的信息化反馈监测技术，将新型的计算机智能技术应用于监测当中，彻底解决传统技术监测精度不高的问题。

【关键词】地下工程监测系统运营期施工人员应用进展

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2018）04C-0191-02

随着我国城市化进程的不断推进，城市地下空间的总体规模和总量即将位居世界首位，部分规模较庞大的地下工程和基础设施正在投建当中，受到了业内人士的广泛关注。然而从实际的施工进程来看，地下工程的施工周期较长，运用的施工技术也较为复杂，不可预见的施工风险较多，可以说具有一定的施工难度。更重要的是，在施工期间会涉及开挖岩土体等风险较大工作，需要施工人员控制施工风险。因此，在地下工程的施工当中，施工人员必须利用监测技术实时地获取工程结构和施工环境的动态变化信息，提高施工的安全性。

一、地下工程的施工特点

区别于一般的地面工程建设，地下工程具有建设周期长、建设技术较为复杂以及工程繁多等建设特点。总体来说，地下工程的施工特点一般可划分为以下几点：

其一，投资巨大，建设周期较长。地下工程是一项庞大的工程建设项目，需要涉及多个工种、多个施工部门，且对施工技术的要求较高，因此地下工程项目的前期投资力度较大，需要高额的建设成本。另外，地下工程的建设需要进行多方面的策划，保证实施施工的安全性以及实际运行的安全性，建成之后需要进行反复地试行，确定准确无误后才可以使用，因此地下工程的建设周期较长。

其二，系统涉及的专业繁杂、各个工程接口之间较为复杂。建设地下工程需要工作人员综合性地考虑实际可施的策划方案，且需要综合性地考虑策划、建设、运营以及资源利用等环节之间的有效性联系。项目管理所涉及的管理要素也是具有一定的复杂性，它不仅需要综合性地考虑城市规划、环保以及交通等部门之间的关系，还要尽可能地对其进行有效的协调。总体来说，管理的协调难度较大且工作环节较为复杂，会增加施工人员的监测难度。

二、地下工程监测技术的研究与应用现状

在地下工程监测技术的研究方面，除了一些比较常见的监测技术，研究人员又进一步地对施工过程高低收缩混凝土和徐变特性展开了细致的监测，积极地引用了智能材料，如钛合金铅、光纤等材料，极大程度上开创了监测的新局面。另外，近年来部分研究人员采用聚偏二氟乙烯压力膜的无线传感系统，监测地下工程的施工环境，并可以有效地监测出工程主体结构的预应力构件的张力及动力响应程度。最重要的是，研究的新型地下工程监测技术可以对地下工程大体积混凝土的浇筑温度进行全方位的掌握及控制，施工人员可以结合具体的温度监测结果，对施工工艺进行合理的调整，进而降低混凝土的温度值和预应力的大小，避免混凝土结构的表面出现裂缝的情况。

在地下工程监测技术的具体应用方面，施工人员利用各种监测技术可以对地下工程的结构状态及环境状态进行有效的分析，并进行反馈施工。如利用地下工程监测技术中的微震技术可以对岩体结构的受力破坏过程进行全方位的监测，避免出现施工风险；利用地震监测技术可以有效地监测隧道工程施工中的地质灾害以及支护结构体的损伤情况，避免出现严重的施工风险，能够进一步地为边坡工程提供相应的安全保障。虽然从一定程度上来说，地下工程监测技术的出现，为施工过程提供了较大的安全保障，也有效提升了施工人员的工作效率，但是从实际的应用来看，相应的监测技术会受到施工环境的制约，部分技术无法进行有效的应用，仍旧需要研究人员不断地对其进行完善和开发，进一步地确保施工的安全性。

三、地下工程监测系统的应用理论

（一）施工期监测项目和测点布置情况

目前来看，地下工程的监测系统和相关的技术主要监测的对象就是施工期项目及测点布置。一般而言，對施工期项目实施监测主要是为了确保地下工程的施工安全。且施工期地下工程的监测项目主要包括对主体的监测、对工程内部环境的监测以及对周围施工环境的监测。另外，施工人员对施工期监测测点的布置通常是需要根据地下工程的建设规范进行布置，或者采用三维数值的计算方法优化对其的布置水平。在此监测的过程中，施工人员需要事先模拟计算出地下工程的施工结构及周围环境的位移、应力等方面的分布情况，优化传感器的布置。

（二）施工期监测的安全控制指标

地下工程施工期检测的安全控制指标，主要是指对施工期间的监测项目设定相应的报警值，一旦超过规定范围的数值时，即表示工程的主体结构或者施工环境周围存在着施工风险，施工人员应该立即终止施工。从目前的应用来看，在地下工程的监测中，所使用的安全控制指标包括允许倾斜量、允许应力等方面的指标要求。一般来说，地下工程中的基坑工程会选择把监测项目累计的变化情况及速率值作为安全控制指标。然而，国内施工期监测的安全控制指标较缺乏合理性，在某些风险较高的地下工程中，取值较松，而在部分工程中取值较严，需要研究人员予以及时的解决。

（三）运营期监测系统及布点设置情况

地下工程运营期监测主要是指对工程主体结构在投入使用后的情况进行监测，大体上属于结构健康监测的范畴。大多数工作人员在做此项监测工作的时候，都会选择使用预埋传感器或者无损传感计技术获取结构的内部信息，具体对结构内部的系统特性进行严谨的分析，确定结构内是否发生损伤或者退化的情况。更重要的是，运营期的监测系统可以对结构的应力、位移、加速度以及腐蚀性能等多方面的因素进行全面的分析，评定结构运行的实际状态。另外，运营期的测点布置存在着多个自由度如何布置多个测点优化的问题（测点的数量<自由度的数量），工作人员可以结合当前研发出来的优化方法，如有效独立法、遗传算法等方法，优化布点的设置。

四、当前地下工程监测系统运用的新型技术

（一）运营期的健康监测系统技术

运营期的健康监测技术属于新型的监测技術类型，能够有效地对施工材料的结构性能加以评定，避免出现施工风险。一般来说，健康监测系统技术主要包括几下几种类型：

其一，光纤光栅传感器。从具体的应用效果来看，光纤光栅传感器具有测试精度高、抗干扰能力强、耐腐蚀性较高及耐久性较好等诸多应用优势，俨然已经成为当前地下工程结构健康监测的重要测试技术。另外，光纤光栅传感器除了可以监测主体结构的应变力外，还可以监测结构表面动力荷载、剪切力等扰动力，能够有效地保证主体结构的安全。

其二，光纤智能监测系统。同样是利用光纤技术研发出来的监测技术，主要包括光纤传感系统、信号传输与采集以及数据处理与监测系统等三部分系统构成。一般来说，施工人员通过利用光纤智能监测系统能够实现对地下工程施工现场进行远程监测的要求，进一步地确保施工的安全性。

（二）施工期的监测控制系统技术

其一，基于4D BIM施工过程的监测系统。一般来说，基于4D BIM施工过程的监测系统能够有效地追踪和分析施工的实际进度和工况，是项目监控的重要部分。目前关于4D BIM施工过程的监测主要体现于对施工自动化进程的监控，如利用该系统技术，可以对已施工的点云模型进行自动登记，可以将照片完整的存于该系统当中，便于施工人员明确施工的实际情况，确保工程的安全性。

其二，智能传感监测系统。智能传感器与传统的传感器具有较大的区别，其具有高强度的通信能力和数据处理能力，便于采集和分析施工数据。虽然该项新型技术已经得到应用，但是其的固定模块化程度较低，实际应用起来较有难度。

五、关于对地下工程监测工作的未来展望

从目前的发展来看，地下工程逐渐向着超规模化、综合化的方向中发展，能够实现城市交通与城市间交通的地下化的互联互通的要求。然而从一定程度上来说，这也表明施工环境会向着更加复杂化的环境中发展，因此在未来的施工工作中，施工期会对监测控制工作提出更高的要求。结合上述的相关内容，笔者认为地下工程监测系统及技术的发展趋势可具体概括为以下几点：其一，基于施工风险总体管理的需求，要求监测系统及技术要实现全面信息化和数字化的要求，也就是说全面实现可视化的管理要求。其二，基于施工环境的发展需求，要求对施工期的环境实现全面自动化及智能化的监测要求。其三，基于预测施工风险的管理需求，要求相关研究人员要敢于突破传统的信息化反馈监测技术，将新型的计算机智能技术应用于监测当中，如3D激光扫描技术、FEM技术等，彻底解决传统技术监测精度不高的问题。

综上所述，地下工程的施工周期较长且施工难度较大，在实际施工的过程中易出现施工风险。为此，相关人员必须全面地掌握和了解地下工程监测系统的相关技术，并将其积极地应用于地下工程的施工当中。希望相关人员可以结合笔者阐述的地下工程监测技术的发展趋势及当前所面临的挑战，进一步地完善监测系统，实现监测技术的应用价值。