段景川， 石昆鵬， 李 圍

(1.中電建南方建設(shè)投資有限公司, 廣東 深圳 518000; 2.浙江華東測(cè)繪地理信息有限公司, 杭州 311122；3.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418)

由于地鐵工程多在大城市市區(qū)修建，其所處的工程環(huán)境條件十分復(fù)雜[1-3]，需要室內(nèi)相似模型試驗(yàn)[4]或數(shù)值模擬分析[5]結(jié)果作為結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。然而，復(fù)雜的工程環(huán)境條件下地鐵施工出現(xiàn)了大量的工程事故，造成了不可避免的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。為控制施工事故的發(fā)生，施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6]以及施工全過程監(jiān)控量測(cè)[7]成為了有效手段，特別是實(shí)時(shí)獲取地鐵工程結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形量值等判斷其安全性并采取相應(yīng)的工程安全措施就顯得尤為重要。

目前我國(guó)地鐵建設(shè)中，常用全站儀、高精度水準(zhǔn)儀、鋼尺水位計(jì)、測(cè)斜管和軸力計(jì)等儀器進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)。當(dāng)遇到地鐵下穿即有地鐵或高鐵等施工時(shí)，多采用全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，然后無線傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8-9]。同時(shí)，在常規(guī)地鐵施工中的安全監(jiān)測(cè)也進(jìn)行了靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[10]，但該系統(tǒng)更多地應(yīng)用在地鐵運(yùn)營(yíng)中的安全保護(hù)監(jiān)測(cè)中[11]。

由于人工監(jiān)測(cè)不能實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，而基于全站儀和靜力水準(zhǔn)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)費(fèi)用較高，則廣泛應(yīng)用于電力、石油化工、生醫(yī)生化、航空航天、環(huán)保和國(guó)防等領(lǐng)域的光纖光柵傳感技術(shù)被引進(jìn)到建筑工程監(jiān)測(cè)中，很大程度上提高了工程建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平。特別是在壩體工程中應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)比較普遍，如黎峰等[12]應(yīng)用常規(guī)與光纖滲流測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了石牛水庫(kù)大壩滲流監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析。光纖光柵傳感技術(shù)在地鐵中僅有零星的應(yīng)用，如黃廣龍等[13]在深基坑支撐應(yīng)變監(jiān)測(cè)中進(jìn)行了應(yīng)用。

本文依托深圳地鐵10號(hào)線涼帽山車輛基地基坑工程，研究光纖光柵傳感技術(shù)在地鐵工程施工自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，并開發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為我國(guó)地鐵工程施工安全監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況

深圳地鐵10號(hào)線涼帽山車輛基地位于龍崗區(qū)秀峰路東側(cè)、水官高速以北和甘李2號(hào)路以南的涼帽山山區(qū)內(nèi)，長(zhǎng)×寬約為 1 200 m×500 m?；匚鞲邧|低，自西向東基本呈3個(gè)臺(tái)地地形，高程分別約為130，110，70～90 m，地塊內(nèi)相對(duì)高差約為 10～70 m。場(chǎng)地東南端為廢棄的竹坑水庫(kù)，水面高程約 65 m；場(chǎng)地西側(cè)邊坡需開挖降低高程，最高高差約為50 m，如圖1所示。地塊南側(cè)、水官高速北側(cè)埋設(shè)了2條高壓燃?xì)夤艿兰耙粭l中石油高壓管道。

明挖區(qū)間結(jié)構(gòu)部分位于車輛基地西側(cè)，設(shè)計(jì)起始里程左LDK1+378.869、右RDK1+068.840，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程左LDK1+861.200、右RDK1+552.727，長(zhǎng)約482.3 m，寬約23.6～66.95 m，開挖深度8.5～21.2 m。明挖區(qū)間地下結(jié)構(gòu)包含：①出入段線左、右正線明挖部分；②1號(hào)牽出線明挖部分；③通往下層列檢庫(kù)聯(lián)絡(luò)線1號(hào)隧道明挖部分；④通往下層列檢庫(kù)聯(lián)絡(luò)線2號(hào)隧道明挖部分；⑤連接試車線的聯(lián)絡(luò)線明挖部分。

深圳地鐵10號(hào)線涼帽山車輛基地的工程概貌如圖1所示，包括高邊坡和明挖基坑部分。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要指標(biāo)為：①邊坡位移；②地表沉降；③基坑圍護(hù)深層水平位移；④基坑坑外水位；⑤基坑支撐軸力。

圖1 涼帽山車輛基地

圖2 激光位移計(jì)組成圖

2 監(jiān)測(cè)傳感器及儀器選擇

2.1 沉降與位移

地表和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降與邊坡坡面位移采用激光位移計(jì)監(jiān)測(cè)，包括激光發(fā)射器和二維圖像傳感器，將激光器發(fā)射的光斑投射到二維圖像傳感器的成像面上，從而識(shí)別出激光光斑在成像面上的位置，測(cè)出激光發(fā)射器和二維位移傳感器之間的相對(duì)位移，最后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

選用JPLD-1000激光位移計(jì)傳感器，如圖2所示。該產(chǎn)品帶有2個(gè)安裝底座，用于安裝激光發(fā)射器和二維圖像傳感器。通過調(diào)節(jié)安裝底座的位置，從而使激光光斑成像于二維圖像傳感器上，二維圖像傳感器采用RS485 作為通訊協(xié)議，產(chǎn)品提供軟件編程指導(dǎo)，便于系統(tǒng)集成。產(chǎn)品可用于任何測(cè)量2點(diǎn)之間有相對(duì)位移的場(chǎng)合，配合一定的光路保護(hù)措施，可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

JPLD-1000激光位移計(jì)傳感器的技術(shù)指標(biāo)：量程50 mm；無空氣影響下分辨率為0.1 mm，30 m范圍內(nèi)有空氣影響下測(cè)量精度為<1 mm；接口方式為RS-485；使用溫度為-40～85 ℃；電壓為200 V/AC；激光發(fā)射器外形尺寸為直徑?120 mm、高 50 mm；二維圖像傳感器尺寸為直徑?150 mm、高 100 mm。

圖3 光纖智能測(cè)斜管

2.2 基坑圍護(hù)深層水平位移

基坑圍護(hù)(地層)深層水平位移采用光纖智能測(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖3所示。用光纖光柵解調(diào)儀對(duì)事先安裝在測(cè)斜管壁的光柵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)斜管變形后光柵的中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移，根據(jù)光纖光柵應(yīng)變測(cè)量原理計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，根據(jù)位移與應(yīng)變的關(guān)系式，就可得到測(cè)斜管的變形量。采用全波長(zhǎng)便攜式光纖解調(diào)儀和光纖解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集及傳輸(自動(dòng)化集成)，綜合測(cè)試精度為 0.1 nm/m。

2.3 支撐內(nèi)力

基坑支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)，如圖4所示。光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)的精度為±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波長(zhǎng)便攜式光纖光柵解調(diào)儀采集數(shù)據(jù)，光纖光柵解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機(jī)處理和傳輸數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)精度≤1/100(F·S)。

圖4 光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)

圖5 光纖光柵水位計(jì)

2.4 水位

基坑坑外水位采用光纖光柵水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示。光纖光柵水位計(jì)傳感器的技術(shù)指標(biāo)：量程為1 MPa；精度0.3%(F·S)；靈敏度0.1%(F·S)；選用C波段，范圍為 1 525～1 565 nm，尺寸?3 mm×120 mm；連接電纜的直徑為?3 mm、?8 mm；安裝方式為埋入；工作溫度-30～80 ℃；外殼防護(hù)等級(jí)為IP68。

2.5 光纖解調(diào)設(shè)備

便攜式光纖解調(diào)儀,如圖6(a)所示。其技術(shù)參數(shù)：1個(gè)通道數(shù)；波長(zhǎng)范圍 1 525～1 565 nm；精度 ±5 pm；分辨率1 pm；動(dòng)態(tài)范圍>50 dB；掃描頻率2 Hz；光學(xué)接口FC/APC；通信接口USB；采用點(diǎn)陣式液晶屏進(jìn)行顯示,屏幕大小為240 mm×128 mm;電源100～240 V/AC、50～60 Hz；工耗5～10 W；工作溫度 -10～50 ℃，濕度0～80%；存儲(chǔ)溫度 -20～60 ℃，濕度0%～95%；外型尺寸278 mm×228 mm×98 mm；質(zhì)量2 kg。

圖6 光纖光柵解調(diào)設(shè)備

圖7 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

多通道光纖解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機(jī)技術(shù)參數(shù)，如圖6(b)所示：通道數(shù)1～16；每通道最大測(cè)點(diǎn)數(shù)20；波長(zhǎng)范圍 1 525～1 565 nm；分辨率1 pm；動(dòng)態(tài)范圍>50 dB；掃描頻率1～5 Hz(低速)，5 kHz(單通道)；對(duì)所有通道并行掃描；全光譜；光學(xué)接口FC/APC；采用100 MB以太網(wǎng)，通信模塊GPRS；電源交流220 V/50 Hz；功耗<40 W；電池使用時(shí)間12 h；工作溫度 -10～50 ℃，濕度0%～80%，無凝結(jié)；存儲(chǔ)溫度 -20～60 ℃，濕度0%～95%，無凝結(jié)；質(zhì)量3 kg；外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為482 mm×340 mm×89 mm。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、圖表輸出、預(yù)報(bào)警及應(yīng)急處置等部分組成，如圖7所示。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集平臺(tái)由客戶端與服務(wù)端組成。

(1)將客戶端程序安裝在現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)上。先用電纜線連接監(jiān)測(cè)儀器與計(jì)算機(jī)，然后安裝自動(dòng)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)的客戶端及數(shù)據(jù)讀取程序，通過讀取程序讀取儀器中自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)文件，再通過自動(dòng)采集數(shù)據(jù)平臺(tái)客戶端讀入數(shù)據(jù)文件，并進(jìn)行初步處理后保存至自動(dòng)采集數(shù)據(jù)平臺(tái)的本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，完成各儀器的數(shù)據(jù)自動(dòng)化讀入，最后通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)端查詢分析。

(2)服務(wù)端安裝在建設(shè)管理單位的服務(wù)器上。將服務(wù)器連接到Internet，并通過IP地址將服務(wù)器與服務(wù)端連接來傳輸數(shù)據(jù)。服務(wù)端具備多客戶端同時(shí)連接使用的功能，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同時(shí)上傳與處理。服務(wù)端程序接收客戶端的數(shù)據(jù)后，先檢查數(shù)據(jù)的正確性，然后保存到中央服務(wù)器中，還隨時(shí)可為各客戶端提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)。

可提供有線或無線的方式通信自動(dòng)采集數(shù)據(jù)平臺(tái)客戶端與服務(wù)端的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)里和中央服務(wù)器上。

系統(tǒng)的特點(diǎn)：①能夠?qū)崿F(xiàn)基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)和高邊坡的變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，無需人員進(jìn)行監(jiān)控，采集方式可以設(shè)定時(shí)間采集，特殊事件采集等；②系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線傳輸，無需長(zhǎng)距離布設(shè)線纜、光纜，有效保證系統(tǒng)整體的長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠運(yùn)營(yíng)，能長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)、同步、連續(xù)地采集數(shù)據(jù)；③系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示、存檔和遠(yuǎn)程共享能力，具有自檢、校準(zhǔn)、控制功能；④實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)信息化管理，能夠根據(jù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的指令，為其提供指定格式、內(nèi)容的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果，并調(diào)整數(shù)據(jù)采集與處理工況參數(shù)，相關(guān)人員可通過不同權(quán)限登入系統(tǒng)或利用手機(jī)取得現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)安全數(shù)據(jù)及安全評(píng)估信息；⑤系統(tǒng)具有良好的可兼容性和更新升級(jí)能力；⑥當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常信息時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)警，在監(jiān)控中心以聲音和警示燈進(jìn)行報(bào)警，并通過短信方式將信息及時(shí)轉(zhuǎn)達(dá)給相關(guān)管理人員。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

4.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

光電式解調(diào)儀通過內(nèi)部通道控制每個(gè)傳感器。光纖光柵32通道解調(diào)網(wǎng)絡(luò)一體機(jī)通過內(nèi)部光開關(guān)控制每個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集，待采集完一個(gè)通道的數(shù)據(jù)，光開關(guān)自動(dòng)關(guān)閉該通道并開啟下一個(gè)通道，以此完成每個(gè)通道的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。通過在工地現(xiàn)場(chǎng)安裝自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器(光纖光柵解調(diào)儀和光電成像解調(diào)儀)，實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、網(wǎng)絡(luò)化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)變化情況。通過監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸。

4.2 數(shù)據(jù)處理、分析與圖表輸出

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)必須及時(shí)處理，故要求自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠進(jìn)行初始條件自動(dòng)修正(如氣象條件、儀器常數(shù)等)、測(cè)網(wǎng)平差、報(bào)表填寫、監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期坐標(biāo)值及變形趨勢(shì)圖輸出等，做到監(jiān)測(cè)的外業(yè)結(jié)束時(shí)內(nèi)業(yè)亦同步結(jié)束。

從施工現(xiàn)場(chǎng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行處理分析后，系統(tǒng)將自動(dòng)判斷施工現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)前所處的狀態(tài)(安全或預(yù)警、報(bào)警，根據(jù)設(shè)計(jì)單位給出的監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制值，并將其提前錄入系統(tǒng))，最后將用醒目的、具有人性化的界面向用戶顯示分析結(jié)果，例如在沉降和測(cè)斜監(jiān)測(cè)結(jié)果中用綠顏色表示安全、黃顏色表示預(yù)警、而紅顏色表示報(bào)警。

系統(tǒng)提供各參建單位的根據(jù)各自紙質(zhì)報(bào)告格式不同編輯形成各自單位的紙質(zhì)報(bào)告模板，在系統(tǒng)中央數(shù)據(jù)庫(kù)從工點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化采集平臺(tái)采集完成到當(dāng)天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)按照模板樣式自動(dòng)生成監(jiān)測(cè)報(bào)告并附典型特征監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的過程線和分布線。

5 結(jié) 語

依托深圳地鐵10號(hào)線涼帽山車輛基地工程，開發(fā)了邊坡和基坑工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：①采用激光位移計(jì)監(jiān)測(cè)地表和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部沉降與邊坡坡面位移；②采用光纖智能測(cè)斜管監(jiān)測(cè)基坑圍護(hù)深層水平位移；③采用光纖光柵表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)基坑支撐內(nèi)力；④采用光纖光柵水位計(jì)監(jiān)測(cè)基坑坑外水位；⑤自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、圖表輸出、預(yù)報(bào)警及應(yīng)急處置等部分組成，數(shù)據(jù)自動(dòng)采集平臺(tái)由客戶端與服務(wù)端組成。該系統(tǒng)減少監(jiān)測(cè)人員、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高監(jiān)測(cè)精度、節(jié)約成本等方面優(yōu)勢(shì)明顯，值得推廣應(yīng)用。