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1、城市地下空间支护结构变形监测1 前言地下空间作为城市的重要资源，在兴旺我国得到了多方面的应用，随着我们 我国经济的快速进展，城市地下空间的开发采用已经受到广泛重视，城市地下工 程的兴建已经成为一种趋势。就地下铁路来看，我们我国从1965年开头修建地 下铁道，至今已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市建成局部地铁， 目前地铁建设已步入快速进展阶段。然而，在地铁施工及运营过程中由于地层沉 降等缘由引起的人员伤亡、财产损失及环境破坏的问题也在频频发生。如2022 年杭州地铁一号线坍塌事故造成21人死亡,直接经济损失1. 5亿元人民币；2007 年北京市海淀南路的地铁10号线工程苏州街车站东南
2、出入口发生塌方事故导致 6名施工者被埋等。我们我国各地区地质条件多样且特别简单，修建地下空间除了需要具体而又 精确的地质勘察和精密的设计之外，在施工过程中还要能准时处理遇到的各种难点问题和突发大事。信息科技的快速进展,使得工程与信息技术相合, 通过采纳合理的监测措施可以使施工及运营期间工程消失事故的风险降至最低。2 监测手段适用于城市地下空间的监测手段可概分为直接几何方法、间接几何方法和物 理方法，见表1。其中间接法中的巴赛特收敛系统(Bassett ConvergenceSystem) 早期使用于矿山采矿坑道掘进的平安监测，由于一些地铁开挖与采矿坑道掘进类 似，巴赛特收敛系统被延用于地铁隧道
3、的平安监测中。巴赛特收敛系统由三大部 分组成： 数据量测局部，包括假设干组长、短杆件相互连接的电介质(EL)倾角传感器； 数据采集局部，包括数据采集掌握器和计算机； 数据处理局部，包括采集掌握、标定、计算分析与可视化软件等。巴赛特收敛系统的一个突出优点是可在现场无人值守的状况下长期自开工 作，另一特点是防潮防湿、抗电气干扰，止匕外，它能在烟雾条件下工作，对环境 具有良好的适应力量。该系统用于测量隧道的收敛变形，要确定隧道的实际位移 向量，必需与掌握点资料相结合。由于传感器的制造及采集系统的开发等技术已经比拟成熟，该类监测技术已经被广泛用于国内的各工程实践中，本次所介绍的 远程实时监测预警系统也
4、源于对巴赛特收敛系统的借鉴。表1监测手段概览监测方法分 类监测技术方法仪器设施主要监测目标国内应用工程实 例直接几何法电水平尺系统(EL-BEAM)电水平尺和数据自动采 集器精密沉降上海东方路地铁枢 纽站自动化实时三维监测系统全站仪、遥控终端、无 线GSM调制解调器地铁隧道变形与形变广州地铁一号线仓 边路段全站仪收敛变形系统全站仪、数据自动采集 器地下空间变形与形变上海地铁一号线间接几何法巴赛特收敛系统传感器、数据自动采集 器及数据处理器地下隧道变形与 形变上海人民广场地铁 枢纽站数字化摄影测量技术立体坐标量测系统地下空间变形与形变r东某隧道工程物理方法地震反射探测超前地质预报系统施工超前异体
5、探测石牙山隧道地质雷达探测地质雷达施工超前异体探测晴隆隧道工程平安监测工程种类许多，具体到每个工程依据其工程类型、场地地质和 施工状况监测工程有所不同。按监测物理量的类型一般可以分为变形监测(包括 水平位移、竖直位移、挠度变形等)、应力应变监测、渗流监测、温度监测和动 态监测等。按监测变量分为缘由量和效应量监测。缘由量即环境参量，由于它们 的变化引起建筑物性态的变化；效应量是构筑物对缘由量变化而产生的响应。表 2列举了一些常规状况下的监测工程。针对具体工程可以通过数值模拟等方式选 择结构中的危急点进行监测。3 实时监测预警系统结构及流程3.1 系统构成在工程的平安监测中，准时收集和分析现场的监
6、测数据是特别重要的。为了 实现在任何时间甚至任何地点都可以对监测点进行数据采集，并依据分析的要求 打算是否预警，组建远程实时监测预警系统建立是切实可行的措施，依据其运行 特点可以将它分为以下几局部组成，如图1所示。表2常规监测工程监测因子监测类型监测工程监测目的采纳仪器备注缘由量 监测环境因素大气条件气压计、雨量计温度、气压、降 水爆破了解爆破对围岩和 支护结构的影响速度计、加速度计效应量 监测地下/地表围岩内部位移 和变形监测围岩内部位移（水 平和轴向）和松动 区范围多点位移计，钻孔 测斜仪，滑动测微 计，测量机器人等地下/地表外表位移围岩外表位移（收 敛，拱顶卜沉，仰 拱隆起）收敛计，全站
7、仪，水准仪，近景摄影 测量含收敛计测得 的相对位移、全 站仪测得的三 维肯定位移地下/地表应力应变岩体应力、支护结 构应力应变计、锚杆应力 计，锚索测力计地下渗流、地下水渗压、地下水位渗压计、水位计地下/地表荷载围岩与支护间接触 压力，锚杆（索）拉力压力计，锚杆（索） 测力计等地下裂缝接触缝、裂缝、结 构面裂缝计，收敛计地下垂直位移地铁隧道、基坑、大坝、沉降监测静力水准仪（1D）地表周边环境地表沉降、建筑物 变形全站仪，水准仪， 经纬仪地表和建筑物图1实时监测预警系统结构图具体介绍如下： 传感系统系统应用各种传感器，将被测量（应变、倾斜度等）转变成便于纪录及再处 理的电压或电流等信号。由于从传
8、感器输出的电信号一般很弱，通常各种传感器 都有与之匹配的信号放大器。其功能是将传感器输出的信号进行放大或转换。传 感系统包括加速度计、应变计、位移计、钢筋计、土压力盒、测斜仪、信号放大 希寺。 数据采集处理系统该系统的功能是将传感器变换、放大器放大后的信号，直接以模拟量的方式 纪录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行纪录。止匕外，为了到达远程实 时监测的目的，还要将这些数据通过合理的传输方式传送到监控室，设施包括采 集器、发送主机及相应的数据存储和处理设施。 数据分析系统从数据采集系统获得的数据经初步处理后或在终端上显示，然后直接进入数 据库。该子系统的目的是依据各监测工程的特点，使各不同
9、类型的数据通过恰当 的组织，被有效的存储起来，在保证必要信息存储的前提下，尽量削减数据的冗 余度。设施包括高性能计算机及分析软件，必要时进行实时分析和处理5。 预警系统预警系统也可称为评估系统，是对测量的结构状态进行推断、分析评估，对 特别测试值进行报警的系统，为施工策略的变动供应参考，确保工程平安。 远程掌握在数据采集和远程传输方面，通过有线连接或无线微波远程模拟信号发送及 接收系统，也可以采纳在商业上已经取得了巨大胜利的客户机/服务器网络系统, 实现便利和真正的远程监测。3.2系统实现流程实现该系统运行的简易流程如图2所示。首先通过远程掌握向现场的采集器 发送采集命令，采集器以发送激振电压
10、等方式掌握传感器反应传感信息，采集器 将反应信息量化成频率等数值，最终通过肯定的传输方式将数据发送至监控室的 终端，由终端进行数据处理后在打算是否预警。该流程中有两处地方值得留意, 首先是数据远程传输这个环节，它可以有多种选择方式，不同选择将会带来较大 的差异，但一般都要依据具体的工程选择合适的传输方式。各种传输方式的特点 如下。 有线传输该连接方式可以直接使用电缆线将现场的数据采集器与室内的电脑相连接, 其优点是省去了发送或者接收主机及其通信的费用，本钱相对较低，而且数据传 输便利准时；缺点就是连接距离有限，特殊是长距离的监测，购置电缆线的本钱 会增大，而耍实现跨地区采集数据几乎不行能,此外
11、就是施工过程中简洁发生连 接线被压断或者碾碎等。所以此种方式一般适合工程量较小，监测距离小于 1000m的工程。 无线微波传输系统该连接方式同时需要发送主机和接收主机，数据由专用的软件接收，其优点 是不使用连接线，不耗费网络流量，即电脑是否联网并不影响监测的正常进行， 数据采集后将由发送主机以微波的形式发送出去，接收主机那么负责接收数据信号, 可以实现在任何时间跨地区监测；缺点是可能消失数据采集或者接收延时，由于 掌握现场采集和接收数据都以微波信号传输的方式，而一旦信号服务遇到高峰期, 那么很简洁消失延时状况，此外就是通信花费较高。此种传输方式适合在无网络地 区对工程进行实时监测。 客户机/服
12、务器网络传输系统该连接方式需要发送主机，数据将由这个发送至网络服务器，室内电脑通过 域名访问的方式接收数据。其优点是采用了当今流行的Intemet网络，简洁实 现数据共享，监测量大时使数据库的开发也变得比拟便利，而且数据的传输也较 为准时，此外流量费相对也较低，缺点就是最先接收数据的网络服务器一旦瘫痪 或者发生网络故障都将导致数据无法准时得到分析和处理，网速也可能会成为制 约数据准时传输的因素，但随着信息技术的进展，消失这些事故的概率特别小， 所以此种传输方式广泛适用，尤其是工程量大、远距离监测的工程。另一处值得留意的地方就是预警的环节，预警的前提是数据要得到初步处理 和推断，由此可以有两个地
13、方选择发送预警信息。首先是数据采集器，由于目前 的数据采集中都具有一个以单片机为主的核心处理器及内存储器等，数据完全可 以在这里得处处理并打算是否预警，但是目前采纳此类方式预警的事例特别少， 并不是由于采集器硬件跟不上，主要缘由在于软件，而嵌入式开发投入较大，且 精通此类技术的人并不多，相关技术并不成熟。但是假如在这里可以实现预警， 那么它的优点是巨大的，可以完全忽视数据传输所消失的各种问题。所以目前广泛 采纳的还是将预警的地方放在监控室内的接收端电脑上，究竟电脑已经得到广泛 使用，在此基础上开发各种数据接收和处理程序也相对简洁的多，软件修改和更 新也比拟便利，但是数据传输过程中遇到的各种问题
14、也必将影响到预警，由于数 据是在传输之后才推断是否预警。图2实时监测预警系统简易流程图4关键技术争论监测点的布置布置问题是建立一套胜利有效的实时监测预警系统的关键。需要丰富的工程 阅历与扎实的理论学问协作。在具体的工程中，理论争论者可以通过数值模拟或 简洁解析法等找出潜在的危急点，并与施工方商讨制定布点方案。一般在隧道拱 顶和结构的连接部位应力较为集中，可以优先考虑布置监测点。4.1 监测精度与频率确实定一般要求精度较高，但是过高那么使监测工作变得简单，增加监测费用，但过 低又会造成数据分析的精确度。实际操作过程中可以依据理论计算出的数值选择 合适量程和精度的监测仪器。同时也要求软件的浮点运算
15、精度合适。监测的频率对监测成果有很大的影响，一些法律规范中也明确给出了监测的 频率，但在监测工作实施的过程中，需要依据工程进度、监测对象稳定性分析结 果等因素对频率进行调整。尤其当掌子面距离监测点越来越近时需要加大监测频 率。4.2 预警系统与警戒值从现有文献来看，城市地下空间平安预警系统的争论分为变形猜想模型、预 警系统指标体系、预警指标警戒值、预警系统的结构与实现等方面。不少学者提 出了相应的猜想模型，如李宏义提出了一个概念，即采用建立的变形灰色猜想 GM(1, 1)模型、变形速率灰色猜想Verhulst模型，猜想建筑基坑地表的变形量 和变形速率，通过变形量、变形速率与警戒值的比拟来实现预
16、警；李惠强尝试基 于已有地区实测位移值建立同类地区的神经网络猜想位移的方法，与法律规范规 定的变形位移技术指标和警戒值进行比拟，以得到预警的目的等。就目前所使用 的预警系统基本都是将监测数据结合相关理论进行处理得到变形量或者变形速 率等，再将其与警戒值比拟来打算是否预警。警戒值作为地下工程平安掌握的一种强制性警示，提示工程人员留意，实行 必要的措施阻挡事态恶化。警戒值并没有相关的明文规定。由于监测数据最终将 量化成变形值等，所以一般将相关法律规范中的允许值作为参考来制定警戒值。 有学者将警戒值又分为预警值和报警值，即实现多级预警，预警值取掌握值的 0. 70. 8倍，报警值取掌握值的0. 80
17、. 9倍，掌握值参考相关法律规范选取2。 例如以C30混凝土和HRB335钢筋为监测对象，通过应变值比拟来实现预警，警 戒值选取如表3所示。依据混凝土结构设计法律规范和钢结构设计法律规范，材 料强度的标准值是通过试验取得统计数据后，依据其概率分布，并结合工程阅历, 取其中的某一分位值（不肯定是最大值）确定的，而设计值是在标准值的基础上 乘以一个分项系数确定的。因此，将通过强度计算出来的应变作为警戒值。其中 预警值由材料的设计强度和其弹性模量确定，报警值由材料的强度的标准值和其 弹性模量确定。不同的状况下还可以适当乘以折减系数。表中仅考虑了材料的拉 压变形预警，而实际上更多采纳摩尔库伦准那么及应
18、力路径来推断失稳或者破坏, 但实现起来并不简洁，首先要求传感器能够测得某点多方向的变形数据，其次要 改进实现预警软件的算法。但是就特定的监测工程而言，警戒值的设定还需要结 合工程地质、地表、工程结构等状况综合考虑制定。表3警戒值例如4.4监测数据的传输与融合数对象、弹性模量 104N/mm2标准强度N/mm2设计强度N/mm2预警值四报警值四抗压抗拉抗压抗拉压应变拉应变压应变拉应变C30混凝土320.12.0114.31.43476.6747.6767067HRB335钢筋23353353003001500150016751675监测数据的分析采用监测一旦开展，需要结合工程的特点分析大量的监测
19、数据，猜想可能发生的 走势，引导施工平安有序的进行，确保运营顺当。常用分析与建模的理论有：回 归分析法、时间序列分析模型、灰色系统分析模型、Kalman滤波模型、人工神 经网络模型、频谱分析。目前应用较多的是回归分析法和时间序列分析模型，随 着人工智能的进展，为了使系统更加智能化，人工神经网络模型将成为将来的主 流。监测人员应依据分析的结果与施工或者运行方商讨制定预防措施，保证工程 顺当、平安运行。4.5 监测数据的反应与报警5 结束语随着我们我国经济的快速进展，城市地下空间的开发采用已经受到广泛重视, 城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。然而其引发的事故不行等闲视之，这些 事故经常造成重大人员伤亡及财产损失。使用信息化的监测手段已经成为必定。 但由于国内城市地下空间开发采用的历史不长，有关城市地下空间设计的法律规 范对岩土工程平安问题、尤其是监测系统问题没有明确的规定，这明显不能满意 地下空间开发长远进展的要求。在相关的地下空间设计法律规范中建立法律规范 的城市地下空间岩土工程平安技术体系、指标体系及标准应是可以期盼的，这一 目标的实现基于广泛深化的争论和争论。与此同时，现行的有关岩土工程平安监 测法律规范随着新的监测技术、监测手段、监测设施的消失和成熟，也有待争论、 争论而完善。