段景川， 石昆鹏， 李 围

(1.中电建南方建设投资有限公司, 广东 深圳 518000; 2.浙江华东测绘地理信息有限公司, 杭州 311122；3.上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418)

由于地铁工程多在大城市市区修建，其所处的工程环境条件十分复杂[1-3]，需要室内相似模型试验[4]或数值模拟分析[5]结果作为结构参数设计的依据。然而，复杂的工程环境条件下地铁施工出现了大量的工程事故，造成了不可避免的人员伤亡和财产损失。为控制施工事故的发生，施工安全风险评估[6]以及施工全过程监控量测[7]成为了有效手段，特别是实时获取地铁工程结构内力与变形量值等判断其安全性并采取相应的工程安全措施就显得尤为重要。

目前我国地铁建设中，常用全站仪、高精度水准仪、钢尺水位计、测斜管和轴力计等仪器进行人工监测。当遇到地铁下穿即有地铁或高铁等施工时，多采用全站仪进行自动化监测采集数据，然后无线传输到监测系统进行数据处理[8-9]。同时，在常规地铁施工中的安全监测也进行了静力水准自动化监测系统开发[10]，但该系统更多地应用在地铁运营中的安全保护监测中[11]。

由于人工监测不能实时获取监测数据，而基于全站仪和静力水准的自动化监测费用较高，则广泛应用于电力、石油化工、生医生化、航空航天、环保和国防等领域的光纤光栅传感技术被引进到建筑工程监测中，很大程度上提高了工程建设自动化监测的技术水平。特别是在坝体工程中应用光纤光栅传感技术比较普遍，如黎峰等[12]应用常规与光纤渗流测量技术进行了石牛水库大坝渗流监测方案设计，并进行了现场监测对比分析。光纤光栅传感技术在地铁中仅有零星的应用，如黄广龙等[13]在深基坑支撑应变监测中进行了应用。

本文依托深圳地铁10号线凉帽山车辆基地基坑工程，研究光纤光栅传感技术在地铁工程施工自动化监测中的应用，并开发监测系统，为我国地铁工程施工安全监测的自动化提供技术基础。

1 工程概况

深圳地铁10号线凉帽山车辆基地位于龙岗区秀峰路东侧、水官高速以北和甘李2号路以南的凉帽山山区内，长×宽约为 1 200 m×500 m。基地西高东低，自西向东基本呈3个台地地形，高程分别约为130，110，70～90 m，地块内相对高差约为 10～70 m。场地东南端为废弃的竹坑水库，水面高程约 65 m；场地西侧边坡需开挖降低高程，最高高差约为50 m，如图1所示。地块南侧、水官高速北侧埋设了2条高压燃气管道及一条中石油高压管道。

明挖区间结构部分位于车辆基地西侧，设计起始里程左LDK1+378.869、右RDK1+068.840，设计终点里程左LDK1+861.200、右RDK1+552.727，长约482.3 m，宽约23.6～66.95 m，开挖深度8.5～21.2 m。明挖区间地下结构包含：①出入段线左、右正线明挖部分；②1号牵出线明挖部分；③通往下层列检库联络线1号隧道明挖部分；④通往下层列检库联络线2号隧道明挖部分；⑤连接试车线的联络线明挖部分。

深圳地铁10号线凉帽山车辆基地的工程概貌如图1所示，包括高边坡和明挖基坑部分。自动化监测的主要指标为：①边坡位移；②地表沉降；③基坑围护深层水平位移；④基坑坑外水位；⑤基坑支撑轴力。

图1 凉帽山车辆基地

图2 激光位移计组成图

2 监测传感器及仪器选择

2.1 沉降与位移

地表和基坑围护结构顶部沉降与边坡坡面位移采用激光位移计监测，包括激光发射器和二维图像传感器，将激光器发射的光斑投射到二维图像传感器的成像面上，从而识别出激光光斑在成像面上的位置，测出激光发射器和二维位移传感器之间的相对位移，最后通过无线网络将数据发送到服务器进行数据处理。

选用JPLD-1000激光位移计传感器，如图2所示。该产品带有2个安装底座，用于安装激光发射器和二维图像传感器。通过调节安装底座的位置，从而使激光光斑成像于二维图像传感器上，二维图像传感器采用RS485 作为通讯协议，产品提供软件编程指导，便于系统集成。产品可用于任何测量2点之间有相对位移的场合，配合一定的光路保护措施，可以实现高精度测量。

JPLD-1000激光位移计传感器的技术指标：量程50 mm；无空气影响下分辨率为0.1 mm，30 m范围内有空气影响下测量精度为<1 mm；接口方式为RS-485；使用温度为-40～85 ℃；电压为200 V/AC；激光发射器外形尺寸为直径∅120 mm、高 50 mm；二维图像传感器尺寸为直径∅150 mm、高 100 mm。

图3 光纤智能测斜管

2.2 基坑围护深层水平位移

基坑围护(地层)深层水平位移采用光纤智能测斜管进行监测，如图3所示。用光纤光栅解调仪对事先安装在测斜管壁的光栅进行监测，测斜管变形后光栅的中心波长会发生偏移，根据光纤光栅应变测量原理计算出各测点的应变，根据位移与应变的关系式，就可得到测斜管的变形量。采用全波长便携式光纤解调仪和光纤解调网络一体机进行数据处理、采集及传输(自动化集成)，综合测试精度为 0.1 nm/m。

2.3 支撑内力

基坑支撑内力监测采用光纤光栅表面应变计，如图4所示。光纤光栅表面应变计的精度为±5 με，量程 ±1 500 με，分辨率≤0.1%(F·S)。采用全波长便携式光纤光栅解调仪采集数据，光纤光栅解调网络一体机处理和传输数据，监测精度≤1/100(F·S)。

图4 光纤光栅表面应变计

图5 光纤光栅水位计

2.4 水位

基坑坑外水位采用光纤光栅水位计进行监测，如图5所示。光纤光栅水位计传感器的技术指标：量程为1 MPa；精度0.3%(F·S)；灵敏度0.1%(F·S)；选用C波段，范围为 1 525～1 565 nm，尺寸∅3 mm×120 mm；连接电缆的直径为∅3 mm、∅8 mm；安装方式为埋入；工作温度-30～80 ℃；外壳防护等级为IP68。

2.5 光纤解调设备

便携式光纤解调仪,如图6(a)所示。其技术参数：1个通道数；波长范围 1 525～1 565 nm；精度 ±5 pm；分辨率1 pm；动态范围>50 dB；扫描频率2 Hz；光学接口FC/APC；通信接口USB；采用点阵式液晶屏进行显示,屏幕大小为240 mm×128 mm;电源100～240 V/AC、50～60 Hz；工耗5～10 W；工作温度 -10～50 ℃，湿度0～80%；存储温度 -20～60 ℃，湿度0%～95%；外型尺寸278 mm×228 mm×98 mm；质量2 kg。

图6 光纤光栅解调设备

图7 自动化监控系统

多通道光纤解调网络一体机技术参数，如图6(b)所示：通道数1～16；每通道最大测点数20；波长范围 1 525～1 565 nm；分辨率1 pm；动态范围>50 dB；扫描频率1～5 Hz(低速)，5 kHz(单通道)；对所有通道并行扫描；全光谱；光学接口FC/APC；采用100 MB以太网，通信模块GPRS；电源交流220 V/50 Hz；功耗<40 W；电池使用时间12 h；工作温度 -10～50 ℃，湿度0%～80%，无凝结；存储温度 -20～60 ℃，湿度0%～95%，无凝结；质量3 kg；外形尺寸(长×宽×高)为482 mm×340 mm×89 mm。

3 自动化监测系统设计

自动化监测系统主要由数据采集、数据传输、数据处理、数据分析、图表输出、预报警及应急处置等部分组成，如图7所示。数据自动采集平台由客户端与服务端组成。

(1)将客户端程序安装在现场的计算机上。先用电缆线连接监测仪器与计算机，然后安装自动采集数据系统的客户端及数据读取程序，通过读取程序读取仪器中自动生成的数据文件，再通过自动采集数据平台客户端读入数据文件，并进行初步处理后保存至自动采集数据平台的本地数据库中，完成各仪器的数据自动化读入，最后通过网络通信设备将数据传送到服务端查询分析。

(2)服务端安装在建设管理单位的服务器上。将服务器连接到Internet，并通过IP地址将服务器与服务端连接来传输数据。服务端具备多客户端同时连接使用的功能，实现各监测点数据的同时上传与处理。服务端程序接收客户端的数据后，先检查数据的正确性，然后保存到中央服务器中，还随时可为各客户端提供数据下载服务。

可提供有线或无线的方式通信自动采集数据平台客户端与服务端的数据，并将数据保存在现场计算机里和中央服务器上。

系统的特点：①能够实现基坑维护结构和高边坡的变形自动化监测，无需人员进行监控，采集方式可以设定时间采集，特殊事件采集等；②系统实现无线传输，无需长距离布设线缆、光缆，有效保证系统整体的长期稳定、可靠运营，能长期、实时、同步、连续地采集数据；③系统具有强大的数据传输、处理、显示、存档和远程共享能力，具有自检、校准、控制功能；④实现测试数据信息化管理，能够根据评价系统的指令，为其提供指定格式、内容的数据和处理结果，并调整数据采集与处理工况参数，相关人员可通过不同权限登入系统或利用手机取得现场结构安全数据及安全评估信息；⑤系统具有良好的可兼容性和更新升级能力；⑥当结构出现异常信息时，系统自动进行预报警，在监控中心以声音和警示灯进行报警，并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员。

4 自动化监测数据处理

4.1 现场数据采集

光电式解调仪通过内部通道控制每个传感器。光纤光栅32通道解调网络一体机通过内部光开关控制每个通道的数据采集，待采集完一个通道的数据，光开关自动关闭该通道并开启下一个通道，以此完成每个通道的数据自动采集。通过在工地现场安装自动监测仪器(光纤光栅解调仪和光电成像解调仪)，实现全天候、连续、网络化的自动监测各监测项目的数据变化情况。通过监测现场的自动监测平台进行数据采集与传输。

4.2 数据处理、分析与图表输出

监测数据必须及时处理，故要求自动化监测系统能够进行初始条件自动修正(如气象条件、仪器常数等)、测网平差、报表填写、监测点各期坐标值及变形趋势图输出等，做到监测的外业结束时内业亦同步结束。

从施工现场采集的监测数据被自动导入数据库进行处理分析后，系统将自动判断施工现场当前所处的状态(安全或预警、报警，根据设计单位给出的监测指标控制值，并将其提前录入系统)，最后将用醒目的、具有人性化的界面向用户显示分析结果，例如在沉降和测斜监测结果中用绿颜色表示安全、黄颜色表示预警、而红颜色表示报警。

系统提供各参建单位的根据各自纸质报告格式不同编辑形成各自单位的纸质报告模板，在系统中央数据库从工点现场的自动化采集平台采集完成到当天的监测数据后，系统按照模板样式自动生成监测报告并附典型特征监测项目的过程线和分布线。

5 结 语

依托深圳地铁10号线凉帽山车辆基地工程，开发了边坡和基坑工程自动化监测系统：①采用激光位移计监测地表和基坑围护结构顶部沉降与边坡坡面位移；②采用光纤智能测斜管监测基坑围护深层水平位移；③采用光纤光栅表面应变计监测基坑支撑内力；④采用光纤光栅水位计监测基坑坑外水位；⑤自动化监测系统主要由数据采集、数据传输、数据处理、数据分析、图表输出、预报警及应急处置等部分组成，数据自动采集平台由客户端与服务端组成。该系统减少监测人员、降低劳动强度、提高监测精度、节约成本等方面优势明显，值得推广应用。