毛永江，黃思遠(yuǎn)，魏金山

（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)三十工程處）

1 巖土與地下空間綜合測試技術(shù)的背景

2013年，上海市成立“上海巖土與地下空間綜合測試工程技術(shù)研究中心”，該中心在自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了地下連續(xù)墻和盾構(gòu)法隧道等地下空間結(jié)構(gòu)隱患測試與變形監(jiān)控技術(shù)，搭建了“準(zhǔn)確、高效、無損、智能”的巖土與地下空間綜合測試平臺(tái)。2017年9月23日，該中心依托上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司開展了科技月活動(dòng)，活動(dòng)就巖土工程領(lǐng)域中存在的信息傳遞不暢和BIM技術(shù)的應(yīng)用等問題進(jìn)行了討論，明確指出巖土工程對開放化信息交流平臺(tái)的需求。這些機(jī)構(gòu)與研究會(huì)議的開展表明，巖土工程信息化已成為智慧城市建設(shè)的必然趨勢，巖土與地下空間綜合測試技術(shù)的應(yīng)用與研究也將越來越深入。

作為創(chuàng)新領(lǐng)域之一，巖土與地下空間綜合測試技術(shù)融合了多種學(xué)科與專業(yè)，它研究的對象不僅包括地下結(jié)構(gòu)與周邊巖土體，還包括各類型的建筑主體結(jié)構(gòu)。巖土與地下空間綜合測試技術(shù)中運(yùn)用的大量先進(jìn)測試技術(shù)、檢測技術(shù)與信息技術(shù)，不僅可以有效獲取地下結(jié)構(gòu)與巖土體特性的相關(guān)參數(shù)與二者的相互作用規(guī)律，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下空間存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。相比傳統(tǒng)檢測技術(shù)，巖土與地下空間綜合測試技術(shù)的測試效率與分析能力更高，提供的數(shù)據(jù)也更為可靠。就現(xiàn)階段而言，基坑遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測和監(jiān)控技術(shù)、地鐵盾構(gòu)隧道三維激光掃描檢測技術(shù)、巖土工程建筑信息建模技術(shù)以及地下結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全管理平臺(tái)等均與智慧城市中的地下空間建設(shè)緊密相關(guān)。

2 巖土與地下空間綜合測試技術(shù)介紹及其在智慧城市中的應(yīng)用

2.1 基坑遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測和監(jiān)控技術(shù)

城市發(fā)展對地下空間的需求量不斷擴(kuò)大，深基坑工程項(xiàng)目也越來越常見。盡管大多數(shù)深基坑屬于臨時(shí)性工程，但其自身的復(fù)雜性及施工過程中大量的不可預(yù)見因素使基坑在開挖時(shí)極易發(fā)生安全事故。因此，加強(qiáng)對基坑工程自身及周邊環(huán)境的監(jiān)測是基坑項(xiàng)目施工的重要環(huán)節(jié)，如何提高基坑監(jiān)測技術(shù)成為巖土工程中一項(xiàng)值得深究的問題。通過大量傳感器捕捉基坑內(nèi)外的異常信息并借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行共享是目前應(yīng)用較為廣泛的自動(dòng)化監(jiān)測與監(jiān)控技術(shù)。在數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)處理環(huán)節(jié)，該自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)可利用傳感器設(shè)備將圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、地下水位變化、側(cè)向位移和支撐軸力等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至采集儀，常見的傳感器設(shè)備有固定式測斜儀、水位計(jì)、測量機(jī)器人和支撐軸力計(jì)等。為確保數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)還設(shè)有可自動(dòng)辨?zhèn)蔚臄?shù)據(jù)自動(dòng)處理程序?；舆h(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)還具有報(bào)表打印、安全預(yù)報(bào)警以及風(fēng)險(xiǎn)分析、成果質(zhì)量審核等輔助功能。

目前，在GIS、視頻監(jiān)控以及街景等高新技術(shù)的支持下，我國不少建筑企業(yè)已建立起基于網(wǎng)頁和手機(jī)APP的基坑監(jiān)測作業(yè)監(jiān)控管理平臺(tái)，如在上海軌道交通工程和天津于家堡樞紐工程等基坑監(jiān)測項(xiàng)目中投入應(yīng)用并取得明顯成效的“天安監(jiān)測”系統(tǒng)。

2.2 地鐵盾構(gòu)隧道三維激光掃描檢測技術(shù)

2.2.1 三維激光掃描檢測技術(shù)及其算法改進(jìn)

在各種復(fù)雜因素的影響下，地鐵盾構(gòu)隧道會(huì)在長期運(yùn)行后出現(xiàn)隧道變形、管片破損以及軌道位移等情況，嚴(yán)重威脅地鐵盾構(gòu)隧道的安全。在此背景下，三維激光掃描檢測技術(shù)可以快速獲得掃描云點(diǎn)數(shù)據(jù)并有效實(shí)現(xiàn)三維建模，因此，這種技術(shù)在地鐵盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用越來越廣泛。在監(jiān)測地鐵盾構(gòu)隧道變形時(shí)，傳統(tǒng)算法極易因各種因素的影響而無法開展遠(yuǎn)程監(jiān)測，進(jìn)而無法提高變形監(jiān)測的準(zhǔn)確性。針對傳統(tǒng)算法的局限性，國內(nèi)學(xué)者提出了一種基于三維激光掃描技術(shù)的地鐵盾構(gòu)隧道三維建模優(yōu)化算法，該算法不僅可擇優(yōu)選擇掃描參數(shù)，還可合理安置標(biāo)靶，并在此基礎(chǔ)上建立盾構(gòu)隧道的三維優(yōu)化模型。優(yōu)化算法所得激光掃描數(shù)據(jù)后，即可得到盾構(gòu)隧道的三維坐標(biāo)與矩陣關(guān)系式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對地鐵盾構(gòu)隧道的變形監(jiān)測。2.2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用

在參考文獻(xiàn)［1］中，桂芳茹以杭州市江干區(qū)天成路盾構(gòu)隧道為實(shí)驗(yàn)樣本，對上述改進(jìn)算法的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)高精確性的三維盾構(gòu)隧道激光掃描數(shù)據(jù)集合，最終得到的檢測結(jié)果與全站儀的變形檢測結(jié)果接近，檢測結(jié)果令人滿意。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用為城市地鐵變形監(jiān)測及病害檢測工作的開展提供了全新的思路，提高了技術(shù)人員的工作效率與檢測精度，目前，該技術(shù)已在上海軌道交通6號(hào)、7號(hào)、12號(hào)和13號(hào)線中應(yīng)用，并取得了良好的效果。

2.3 巖土工程建筑信息模型建模技術(shù)

建筑信息模型技術(shù)就是數(shù)字信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的BIM技術(shù)，該技術(shù)是在工程項(xiàng)目信息的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用數(shù)字信息構(gòu)建三維建筑仿真模型，進(jìn)而為建筑提供工程化管理、工程設(shè)備管理與工程監(jiān)理等作用。鑒于BIM技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，其在巖土與地下空間開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用頻率與水平均不高。對此，可從基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)、地下管線工程物探以及巖土工程勘察等領(lǐng)域的BIM技術(shù)應(yīng)用著手，嘗試建立統(tǒng)一的巖土工程信息模型，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)與BIM模型的信息協(xié)同與共享。

2.4 軌道交通運(yùn)營地下結(jié)構(gòu)安全仿真管理平臺(tái)

除上述數(shù)據(jù)采集、分析以及建模等高新技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)智慧城市對建筑的要求，還需將多源信息與三維模型協(xié)同共享于統(tǒng)一平臺(tái)上。以軌道交通工程為例，借助GIS與BIM技術(shù)的信息共享與集成功能開發(fā)建立軌道交通運(yùn)營地下結(jié)構(gòu)的安全仿真管理平臺(tái)，借助該平臺(tái)可快速獲取或分享地質(zhì)環(huán)境信息、軌道交通地下結(jié)構(gòu)信息、長期監(jiān)護(hù)測量信息及結(jié)構(gòu)病害信息，同時(shí)還可獲得周邊工程監(jiān)測信息與相鄰影響監(jiān)測信息。為對城市軌道交通地下結(jié)構(gòu)運(yùn)營生命周期內(nèi)的安全狀態(tài)進(jìn)行有效評估，還需充分利用巖土與地下結(jié)構(gòu)專業(yè)分析技術(shù)，在安全仿真管理平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立適應(yīng)時(shí)代需要的專家分析平臺(tái)[2]。

3 結(jié)語

近年來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，城市化進(jìn)程加快，城市人口密度越來越高。在此背景下，有限的土地資源制約著城市的進(jìn)一步發(fā)展，開發(fā)城市地下空間已成為智慧城市建設(shè)中的重要步驟與必然趨勢。就目前我國城市地下空間的開發(fā)情況，其在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行與維護(hù)等環(huán)節(jié)都存在諸多問題，嚴(yán)重影響了智慧城市的發(fā)展。如何將巖土測試技術(shù)與地下空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行有機(jī)融合并加以分析應(yīng)用，是未來智慧城市建設(shè)和發(fā)展的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。