轨道交通地下工程周围建（构）筑物自动化监测技术应用

2019-03-13王剑明

科技与创新 2019年4期

王剑明

（中铁二十四局集团有限公司，上海 200071）

1 引言

改革开放40年来，城市轨道交通发展突飞猛进。轨道交通是城市公共交通中的骨干力量，是城市的生命线工程。根据中国城市轨道交通协会发布的2018年中国内地城轨交通线路概况快报，截至2018-12-31，中国内地累计有35个城市建成投运城轨交通线路5 766.6 km。但在城市中心、建筑密集区建设轨道交通工程又是高风险项目，必须保证自身建设及周围环境的安全。

其中，城市轨道交通工程监测工作非常重要，应做到技术先进、经济合理、成果可靠，才能保证工程结构和周边环境的安全。城市轨道交通工程监测应编制合理的监测方案，精心组织和实施监测，为动态设计、信息化施工和安全运营及时提供准确、可靠的监测成果[1]。

不夸张地说，监测数据和成果是现场施工工程技术人员判断工程是否安全的依据，为工程决策机构的“眼睛”。如何结合工程实际，按照《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）、《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）等规范要求，克服常规监控量测存在的监测项目多、测量慢、数据多、工作量大等问题，研究快速、高效、准确的监测新技术并应用，尤为重要。

自动化变形监测主要是以智能型测量仪器、监测元件为载体，利用计算机技术和现代化的数据传输方式来实现对监测物形变测量的自动数据采集、自动数据传输和自动变形数据分析处理，以达到取代人工监测，实现自动化的目的[2]。

2 工程概况

贵阳市轨道交通延安路站为1、2号线地下换乘站，基坑支护采用全套管咬合围护桩+内支撑结构。周围有多栋高层建筑，其中，景天城（31F+2）、龙泉大厦（26F+1）、达亨大厦（21F）等，容易受基坑开挖影响而发生沉降倾斜或变形开裂。地质条件复杂，位于向斜核心，有一条张扭性断层，岩层产状变化较大。

三叠系中统关岭组灰色中厚层白云岩，局部含泥质，细晶结构，岩体节理裂隙发育；岩溶强发育；地下水、周围地表水（生活污水）较丰富，覆盖土层含水。监测内容主要有建筑物的沉降和倾斜，围护桩墙水平位移、墙顶水平/竖向位移、支撑内力、地下水位等，重点为地面高层建筑物在车站基坑开挖或隧道穿越时沉降、倾斜监测和监测设备保护、维护工作等。

3 监测方案

3.1 监测思路

监测是采用仪器量测、现场巡查或远程视频监控等手段和方法，长期、连续地采集和收集反映工程施工、运营线路结构以及周边环境对象的安全状态、变化特征及其发展趋势的信息，并进行分析、反馈的活动[1]。变形监测与常规测量与相比，有共同之处，又有自己的特点：周期性重复观测、精度要求高、多种技术的综合应用、监测网着重于研究点位的相对变化。

由于部分项目位于市主城区繁华地段，人口稠密、建筑林立，且以高层房屋、居民楼为主。在高岩溶高富水地质不良环境下施工，为了确保工程质量，保障周边居民生活和建筑结构的安全，不可继续采用常规监测方法，即精密水准、全站仪、GPS观测等，需要寻找先进的监测技术，如采用多元信息远程自动化监测系统，以提升监测数据的准确性和及时性，为优化施工防护措施方案提供有力保障。

3.2 自动化监测系统

自动化监测是变形监测的发展趋势，优点是工效高、劳动强度小，能实现实时、连续监控，有利于提高测量精度。多元信息远程自动化监测系统是隧道、基坑工程自动化监测领域中的新产品，系统可以实现传感器数据远程自动化采集，并在数据服务器平台发布，实现移动客户端查询。从使用传统的光学类仪器发展为现代的电子仪器，从单一的、范围受限及工作量大的作业手段发展成范围广大、自动化程度高、使用方法多样的新技术，使获得的数据更加可靠，分析能力更强、更及时。

4 监测实施

4.1 监测项目及仪器

本着经济、合理、有效的原则，遵守工程施工规律，合理设置监测项目并选择可靠的监测方法。对于高层和超高层建筑，监测项目主要有沉降和倾斜观测。沉降观测应测定建筑的沉降量、沉降差及沉降速率，并应根据需要计算基础倾斜、局部倾斜、相对弯曲及构件倾斜[3]。建筑物监测项目及仪器如表1所示。

表1 建筑物监测项目及仪器（以景天城为例）

主要的监测仪器有2种：①静力水准仪（HX-DG-0320系列）为电感调频式，内置电子标签，可自设编号，直接输出物理量；静力水准测量具体结构简单、精度高、稳定性好、无须通视等特点，易于实现自动化沉降测量[2]。根据观测精度要求和预估沉降量，选取相应精度和量程的静力水准传感器。②固定式电子测斜传感器（HX-ZL-0103系列），为重力加速度计，测量地球引力在测量方向上的分量。可同时测量X/Y两个方向倾斜变化，从而通过计算可以得出该点的倾斜方向与倾斜角度，测量精度较高、测量稳定。两者均能实现自动化数据采集。

4.2 远程自动化采集及传输

数据采集采用自动采集箱（HX-ZD-01型），可控制传感器在指定的时间自动进行测量，并将结果保存在传感器内。需要提取观测数据时，可将电脑与自动采集箱相连，一次性读出传感器内存中的数据。选用太阳能或接220 V电源。

利用无线传输模块（HX-ZD-02型），自动采集发射箱通过GPRS网络将传感器数据信息传输至云端服务器，然后经服务器计算中心分析计算后，将数据实时发布至WEB监测预警平台，网络终端可通过Internet网络及移动客户端（APP）查看数据。具体步骤如下：①将采集仪安放在现场易于保护的位置，将主电缆连接无线数据采集仪，打开电源；②每处测点埋设好，先将数据调零，对传感器进行指令测量，设置采样时间间隔，通过二次仪表采集数据后发送到监控中心；③软件自动对测量数据进行换算，直接输出监测量；④利用GPRS或点对点无线网络进行数据传输，完成对传感器数据的采集和监控。

4.3 数据分析

数据采集软件（HX-RJ-01）将各种方式采集到的数据汇总到数据库，形成Excel文件，可进行进一步的显示、处理、分析。同时，采集软件可通过域名解析软件对采集系统进行远程控制和实时数据采集，达到自动化测量。软件可对有效采集数据进行综合处理和分析，实用、自动生成多种曲线图；操作界面简单、直观、易用。

该软件系统包括数据操作、反馈分析、数据报警和可视化输出的模块[4]。集成智能软件功能模块如图1所示。

图1 集成智能软件功能模块

4.4 监测频率及预警、报警

监测频率和观测周期应根据建筑的工程安全等级、变形类型、变形特征、变形量、变形速率、施工进度计划以及外累因素等情况确定。本项目，一般情况下每30～120 min测量1次，如果遇到施工进度加快、监测值异常、出现预警、有危险事故征兆时进行调整。

预警分为监测预警、巡视预警和综合预警三类。设为四级：正常绿色（四级）、黄色预警（三级）、橙色预警（二级）和红色预警（一级）。控制标准按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）规定，现场取值：沉降差7 mm，房屋整体倾斜0.001；预警值控制标准的70%.

倾斜度计算公式为：

式（1）中：sA和sB为倾斜方向上A和B两点的沉降，mm；L为A与B两点的距离，mm。

4.5 监测报表

每日以电子邮件或其他形式提交监测报表，图表说明对应施工工况，利于综合分析，采取相应技术措施，调整施工方案，做到信息化施工，确保周边环境安全。工程结束后，提交监测总结报告。

在实施中严格按照有关规定要求，当监测数据超过变化速率和累计变化量时应及时进行报警，通知各相关单位和部门。本项目根据监测数据分析，建筑物沉降监测具体为：累计变化最大点为J5-1，累计变化量为-2.33 mm，变化速率平均为-0.002 mm/d。值得注意的是，负值为下沉，正值为反弹，变形量未超控制值。建筑物沉降-累计变化量最大点统计如表2所示。

建筑物沉降-累计变化量最大点曲线如图2所示。

表2 建筑物沉降-累计变化量最大点统计表

图2 建筑物沉降-累计变化量最大点曲线图（J5-1）

监测结果应形成成果数据观测、计算、分析数据库，并可采用回归分析方法建立变形量与变形因子关系数学模型，进行变形趋势预报，用于后续分析预报确定建筑物是否安全。监测报告分为监测预警报告、定期报告与总结报告[3]。对监测成果宜采用抽样核查方式进行质量验收。

4.6 监测思考

从应用的深层次考虑，周围建（构）筑物监测还需从以外观形变监测为主导向内部结构状态监测延伸，实现内部结构、外观形变协同一体化自动化监测；进一步提升监测作用，不仅能综合反映建（构）筑物的外观、内部形态特征，还能反映轨道交通地下工程施工方法、结构设计的合理性，实现控制施工质量，验证设计假设和结构安全状态评估。