智能监测系统在地铁工程中的应用探索

文｜毛志轶

一、引言

在地铁基坑开挖过程中，周围土体内部力学状态变化复杂，并且随着开挖深度增加对围护结构物的土压力逐渐增大，使得围护结构物整体位移，或局部变形等。另一方面，深层土体也会随着围护结构的变形而产生水平位移，从而引起地面产生不均匀沉降，造成周围建筑物的沉降、倾斜或开裂等。

地铁基坑施工过程中，对土体和地下连续墙深层水平的监测通常采用测斜仪，对建筑物的监测主要采用工程测量法，在建筑物表面布设测点，利用全站仪、水准仪观测建筑物的水平位移和沉降。传统方法人为操作因素影响较大，耗时费力，大都无法实现实时高精度监测且效率较低。

随着信息通讯、智能计算等技术的发展，实现监测系统的自动化，数字化，智能化已经成为可能。本文针对南京地铁七号线螺塘街站、高庙路站基坑地下连续墙及周边建筑物的实时监测系统进行研究，以达到系统实时自动监测，数据实时分析上传，远程控制，提前预警等目标。

二、基本工作模式

智能监测系统包括一根全向实时位移管（全向管）和一组建筑物空间姿态和运动监测盒（见图1）。该系统利用移动物联网（NBIoT）将监测数据发送到云端后台，计算结果直接传送至用户（见图2），无需任何附属设备。

全向管是针对工程中的支挡围护结构物变形监测开发的可串联式棒状传感器。在基坑工程中主要用于围护结构物和土体的深层水平位移监测。（见图3）

全向管可以根据结构物高度自由拼接，使用方便灵活，其主要特点包括：

施工简便成本低。无需测斜管，无需测斜仪操作人员，安装简便；

实时连续。每秒可监测50次以上，续反映被监测物体指定方向上的位移量，为施工安全提供量化指标；

图1 基坑监测系统布点示意图

图2 基坑监测系统数据传输

图3 全向实时位移管

测量精度高。由KALMAN的过滤功能，能即时、自动、演算修正之坐标系的相对正确位置，反映被测物体对大地坐标系中的真实三维位移量（而传统的测斜设备最大缺点是需预先假设转动方向，才能确定侧斜管的导槽安装方向）；

安全警告功能。由于装有3轴加速仪，有些微小的局部变化可以比传统侧斜管在更短得时间内被反应并传递到业主终端。

全向管的核心是STRDAL专利传感器智能颗粒，专利号CN103850153A（见图4），智能颗粒能够实时采集加速度、转角等数据利用卡尔曼过滤（Kalman）算法，得到全向管所在监测段的高精度位移数据。再将实测数据与支撑轴力和墙后土压力相结合，采用STRDAL专利算法（基于软硬件实时交互得算法CN 105677983 A）即可计算出地下连续墙全深度的深层水平位移。

表1 全向管性能参数表

图4 智能颗粒及便携接收器

表2 建筑基坑工程仪器监测项目表

三、地铁工程中的预期使用范围

根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）的规定，基坑监测项目如表2所示。目前智能监测系统已经能够实现围护墙深层水平位移，土体深层水平位移，周围建筑物变形（竖向位移、倾斜、水平位移）等的智能实时监测。

四、围护结构深层水平位移监测总结

在南京地铁七号线螺塘街站成功搭建地下连续墙实时监测系统。该系统涵盖高精度传感器监测技术、物联网通讯技术、计算机智能运算和人机交互等多个领域，按功能可划分为5个子系统：数据采集系统、无线传输系统、供能系统、数据处理系统和图形界面系统。

从系统安装完成以来始终处于稳定运行状态，获得大量监测数据（见图5）。通过比较全向管和附近测斜管连续4天（2017年12月4日到2017年12月7日）的监测数据，可以看出墙体最大水平位移监测数据相差约2-3mm，考虑到两种方法所监测墙体位置的距离，可以认为两种监测手段精度相近。

图6为连续10天地下连续墙最大位移连续变化图。从图中可以看出，在每日接近中午的时段墙体最大水平减小，随后又增大。首次监测出一天时间内墙体水平位移的变化趋势，并发现墙体随时间的变化规律充分体现出全向管实时监测的优势。

图5 监测位移和相邻侧斜管比较

图6 地下连续墙最大位移连续10天变化图

目前该系统已实现全向高精度监测，监测平面不限于墙体的垂面与平行面；实时自动监测，无需人工操作；突变预警，通过加速度监测对突发大位移提前预警，帮助及时调整施工方案；无线数据传输，监测数据智能化处理，使相关人员随时随地获取简洁明了的监测数据。解决了传统监测方法中存在的不实时、效率低等问题。

五、地铁基坑周边建筑物变形监测总结

在南京地铁七号线高庙路站基坑开挖过程中，对基坑附近建筑物南京外国语中学报告厅进行监测。如图1所示，在报告厅楼顶的四角分别安装了建筑物运动与姿态监测盒，采集大量数据。如表3所示，为2018年7月10日到2018年7月15日平均值。从表中可以看出，在基坑开挖过程中建筑物只产生微小的位移和倾斜，位移均在1mm以内，倾角不超过0.02rad，均在规范要求范围内。

六、未来的研发方向

未来的监测系统，将更加自动化、智能化。能够自动采集数据，自动分析，自动判断，预测预警。并且未来智能监测系统的监测项目将更加丰富，随着理论的进步系统中除包含现行规范要求监测项目外，还将出现更多新的监测内容，提高监测精度。

计算机软件、智能算法的研发是真正实现智能监测的核心。随着人工智能技术的发展，未来的监测系统将不仅是对工程数据的采集、传输系统，而且是能够对工程安全、工程进度进行预测和判断的系统。目前已经实现将原始监测数据转化为工程监测指标，对指标数值的分析、判断和预测将进一步研究。

表3 建筑物姿态监测

七、结语

目前该监测系统初步投入实际工程应用，成本包括前期的研发成本，试验成本，生产成本等，因此总体成本偏高。但随着该系统逐步大规模推广应用，技术不断升级优化，成本将逐步下降。另一方面，随着经济的发展人工成本越来越高，传统人工监测的成本逐年增加，因此从长远看智能监测系统具有较好的经济效益。

智能监测技术大大提高了监测精度，保证结构物及周边建筑物的安全。而且提高施工监测效率，降低安全监测对施工进度的影响。同时，推动土木工程技术的自动化、智能化、信息化发展，与传统监测方法相比明显具有更优的社会效益。