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技术专访第十七期 | 安全监测技术如何守护隧道等城市地下空间安全? ... ... ... ...

2019-3-29 12:03

编前语:城市地下空间作为城市空间资源的重要组成部分,其开发和利用逐步成为我国大城市实现科学、有序和可持续发展的一项重要战略选择。地下空间与地上城市全面融合,提供了一个新的城市维度,这种创新的城市形式是 ...

编前语:

城市地下空间作为城市空间资源的重要组成部分,其开发和利用逐步成为我国大城市实现科学、有序和可持续发展的一项重要战略选择。地下空间与地上城市全面融合,提供了一个新的城市维度,这种创新的城市形式是地上城市的补充。然而,在城市地下工程施工过程中,由于地层沉降等原因引起的人员伤亡、财产损失及环境破坏等现象频频发生。2008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出入口发生塌方事故导致6名施工者被埋等。

为减少此类事故的发生,使用信息化的监测手段已经成为必然。但由于国内城市地下空间开发利用的历史不长,相关规范对岩土工程安全问题、尤其是监测系统问题没有明确的规定,不能满足地下空间开发长远发展的要求。在相关的地下空间设计规范中建立规范的城市地下空间岩土工程安全技术体系、指标体系及标准迫在眉睫。今天和大家分享一个专家报告,共同探讨安全监测技术在城市地下空间建设项目中的应用与研究。

专家介绍:

文石命,男,高级工程师,河南省基本建设科学实验研究院副院长
1997年8月参加工作,参与大型项目的检测数据的分析和处理。主持了郑州国际会展中心工程、艺术中心工程、蓝码大厦等多项省、市重点工程项目的检测工作。作为检测的技术负责人,先后参与河南财经学校、建业小哈佛小学、河南省实验中学、郑东新区A14桥等100余项工程的检测论证工作,对于出现的问题进行分析,提出了合理的建议,为工程的竣工验收奠定了基础,同时避免了工程的隐患,确保了工程质量。

研究方向:

1、建设工程质量方面的检测技术实践与研究
2、地基基础工程的施工与加固处理研究;
3、建筑结构的加固技术研究。

Q1:城市地下空间作为城市空间资源的重要组成部分,在发达国家得到了多方面应用,近几年国内也掀起了城市地下空间的开发利用的热潮,能否为我们介绍下城市地下空间概念和分类?

A1:地下空间是指属于地表以下,主要针对建筑方面来说的一个名词,它的范围很广,比如地下商城,地下停车场,地铁,矿井,军事,穿海隧道等建筑空间。按工程建设结构分为单独地下工程和和结合地面建筑修建的地下工程。其中地下交通工程,如地铁、隧道、交通快速道与城市基础设施,比如地下的过街通道,地下的停车部、综合管廊等近些年发展快速。

Q2:安全监测技术为地下空间建设安全保驾护航,您能否从监测原理、组网传输、数据分析等多个角度帮我们介绍下城市地下空间监测系统?

A2:地下空间的范围很大,我们以隧道监测为例,在工程的安全监测中,及时收集和分析现场的监测数据是非常重要的。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,根据分析的要求决定是否预警,组建远程实时监测预警系统是切实可行的措施,远程实时监测预警系统应包括1传感系统、2数据采集处理系统、3数据分析系统、4预警系统和5远程控制系统五大部分。

传感系统应用各种传感器,将被测量(应变、倾斜度等)转变成便于记录及再处理的电压或电流等信号。由于从传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、信号放大器等。

数据采集处理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记录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行记录。另外,为了达到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,设备包括采集器、发送主机及相应的数据存储和处理设备。

数据分析系统完成的是数据处理展示的工作, 数据采集系统将获得的数据经初步处理后在终端上显示,然后直接进入数据库。该子系统的目的是根据各监测项目的特点,使各不同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,尽量减少数据的冗余度。设备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。

预警系统也可称为评估系统,是对测量的结构状态进行判断、分析评估,对异常测试值进行报警的系统,为施工策略的变动提供参考,确保工程安全。

远程控制系统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,也可以采用在商业上已经取得了巨大成功的客户机/服务器网络系统,实现方便和真正的远程监测。

Q3:整个安全监测系统的建设中涉及底层传感设备的选型、布点、安装,通讯传输和远端的数据存储展示等等,在系统数据传输过程有哪些关键点或者需要注意的技术点?能不能跟我们详细分享下。

A3:在系统运行流程中,首先通过远程控制向现场的采集器发送采集命令,采集器以发送激振电压等方式控制传感器反馈传感信息,采集器将反馈信息量化成频率等数值,最后通过一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再决定是否预警。该流程中有两处地方值得注意,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,但一般都要根据具体的工程选择合适的传输方式。另一处值得注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判断,由此可以有两个地方选择发送预警信息。

下面将对数据传输方式做一个简单介绍。

数据远程传输方式

(1)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,成本相对较低,而且数据传输方便及时;缺点就是连接距离有限,特别是长距离的监测,购置电缆线的成本会增大,而要实现跨地区采集数据几乎不可能,另外就是施工过程中容易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的项目

(2)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,接收主机则负责接收数据信号,可以实现在任何时间跨地区监测;缺点是可能出现数据采集或者接收延时,因为控制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,则很容易出现延时情况,另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。

(3)客户机/服务器网络传输系统。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。其优点是利用了当今流行的Internet网络,容易实现数据共享,监测量大时使数据库的开发也变得比较方便,而且数据的传输也较为及时,另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及时得到分析和处理,网速也可能会成为制约数据及时传输的因素,但随着信息技术的发展,出现这些事故的概率非常小,所以此种传输方式广泛适用,尤其是工程量大、远距离监测的项目。

Q4:您刚提到另一个关键应用是系统预警,安全监测系统如何实现预警?

A4:在预警信息处理方式中首先是数据采集器,目前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到处理并决定是否预警,但是目前采用此类方式预警的事例非常少,并不是因为采集器硬件跟不上,主要原因在于软件,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。但是如果在这里实现预警,则它的优点是巨大的,可以完全忽略数据传输所出现的各种问题。所以目前广泛采用的还是将预警的地方放在监控室内的接收端电脑上,毕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容易的多,软件修改和更新也比较方便,但是数据传输过程中遇到的各种问题也必将影响到预警。

Q5:不同于桥梁安全监测,例如隧道、基坑等地下空间监测技术一般采用哪些监测方法呢?

A5: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。


工程安全监测项目种类很多,具体到每个工程应根据其工程类型、场地地质和施工情况的不同采用不同的监测项目。按监测物理量的类型一般可以分为变形监测、应力应变监测、渗流监测、温度监测和动态监测等。按监测变量分为原因量监测和效应量监测。原因量即环境参量,由于它们的变化引起建筑物性态的变化。效应量是构筑物对原因量变化而产生的响应。

Q6:能不能举几个您主持和参与的监测项目的例子,和我们分享下真实的地下空间监测案例?

A6:那我来说说重庆大坪车站的监测案例,重庆大坪车站是重庆轻轨较新线的重要组成部分,该车站暗挖段开挖跨度大,地表有交通运输干道且地表建筑物密集。为确保工程施工及地表建筑物的安全,在该地下工程开挖过程中,对初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力、二次衬砌钢筋应力进行监测,以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的稳定性;通过信息反馈,及时调整施工方案及修正施工设计,进而对该地下空间工程施工期间支护体系的安全性及稳定性进行全面的评估及预测,以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的受力状况;通过信息反馈,及时调整施工方案及修正设计,进而对隧道施工期间支护体系的安全稳定性进行全面的评估及预测,从而确保工程安全性。

工程背景及测点布设:

重庆轻轨较新线大坪车站隧道里程为DK7+609.7〜DK7+804.0,全长194.3m。该隧道结构复杂,断面变化大,道岔区最大开挖跨度27.2m,是目前亚洲城市交通单跨最大的隧道。其中DK7+658.2〜DK7+804.0为暗挖施工,暗挖段长度145.8m,最大开挖宽度26.3m,开挖髙20.6m,最大开挖面积430.0m2;车站围岩以泥岩和砂岩为主,强度较低,自稳能力差。

根据大坪车站地表建筑物的分布以及洞内开挖断面的具体情况,在该车站共布置6个监测断面。监测断面测点布置如图1所示。

监测仪器及测试手段上主要有以下几个方面,
(1)初期支护工字钢拱应力和临时钢支撑应力监测采用XYJ–2型钢弦传感器。在工字钢拱或临时钢支撑架设完毕后,在待测位置焊好传感器支座,待其冷却后安装传感器。
(2)锚杆轴力量测采用直径与锚杆一致的GY–185型钢筋应力计。在安设锚杆前将锚杆截断,将传感器串联焊接在锚杆待测位置处,然后用砂浆锚固含有传感器的锚杆,传感器位置在距离锚杆孔口0.5~1.0m处。
(3)初期支护与围岩压力、初期支护与二次衬砌接触压力量测采用JSY–110型钢弦双膜压力盒,在初支喷射混凝土前和二次衬砌封模前在待测位置安设。
(4)喷射混凝土内应力量测采用MHY–150型混凝土内应力计。安装前先将传感器预制在强度与喷射混凝土一样的混凝土块中,喷射混凝土前将含有传感器的混凝土块固定在测点位置。
(5)二次衬砌钢筋应力监测采用GY–185型钢筋应力计。二次衬砌钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋,将传感器串联在该钢筋上,作相关防护并将线路引出即可。

对于支护结构受力和应力也进行了监测。

此处以工字钢拱应力为例,其余部位类似。DK7+725.0断面工字钢拱应力如图2所示。

从图中可看出,工字钢拱应力在埋设后经历两次较明显的变化,第一次变化是该地下工程开挖60d后形成拱部封闭初支撑时,在继续开挖上部核心土的过程中,该断面工字钢拱应力呈缓慢上升态势,但在施作二次衬砌后,工字钢拱应力基本趋于稳定,最大应力值不超过70MPa;第二次变化是在该地下工程开挖70d后,随着下部核心岩土的开挖,该断面工字钢拱应力出现一定幅度的上升,其中,中线拱顶工字钢应力增加较为明显,最大达110.3MPa,这是由于下部核心岩土开挖后使得下部岩土体的支撑压力全部作用在工字钢拱上,但在下部边墙二次衬砌后,该断面工字钢拱应力出现一定程度的下降并趋于稳定。左侧拱腰、中线拱顶及右侧拱腰工字钢拱应力最终观测值分别为31.2、107.2和86.5MPa。从图2还可看出,虽然DK7+725.0断面埋深较浅,但隧道拱部初期支护结构受力并未受到地面建筑物太大的影响。

Q7:那通过对重庆大坪车站的监测,监测数据有没有对施工安全真正起到作用?

A7:有的,在支护体系稳定性分析方面,该地下工程监测结果表明,初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力及二次衬砌钢筋应力等在支护初期受力和应力变化均比较大,从初支到基本稳定一般需要120~140d。从各支护体系的应力变化趋势来看,当拱顶应力基本收敛时,拱腰和拱脚应力也收敛,亦即对支护结构而言,支护体系应力变化趋势是协调一致的。

重庆大坪车站是大跨度地下空间支护体系应力监测,其仅仅是城市地下空间监测的实例之一。实际上,城市地下空间的监测不仅限于施工过程中的安全监测,还可应用于运营阶段中的可能发生的火灾、地震、地表下沉等方面的监测,通过监测可以尽可能地减小灾害的破坏性以降低生命财产安全的损失。

Q8:作为非常资深的检测从业者,您如何看到国内岩土工程安全监测未来的发展?

A8:岩土工程安全监测为保证工程安全提供了科学依据,为设计方案的调整和指导施工提供了可靠资料,对于隐蔽性很强的地下工程,由于存在地质条件、周边环境等不可准确预估的风险,研究开发先进、实用的监测技术对工程实践具有重要意义。因此地下空间的监测技术不仅在目前城市地下空间施工阶段得到重视,在未来的地下空间施工及运营阶段将更加离不开该技术的支撑,故而该技术需要更进一步地研究完善以适用于更多不同情况的城市地下空间监测。

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