無線自組網式鋼支撐應力監測系統在地鐵車站深基坑施工中的應用

黃衛華

(中鐵隧道集團四處有限公司，南寧 530003)

0 引言

在地鐵車站深基坑施工中，鋼支撐正確安裝和應力監控是動態反映基坑安全情況的重要指標。在以往施工中，鋼支撐應力監測以人工監測為主，存在著勞動強度大、容易出現人為誤差等問題［1－2］。在相鄰深基坑施工中，文獻［3－4］通過PLC控制自適應鋼支撐系統解決了基坑變形有苛刻控制要求的難題，但存在著安裝和更換困難，投入成本較高，設備復雜，不能自動反饋等問題。隨著微處理器技術的發展，WSM(無線傳感器)技術已經廣泛應用在軍事和民用等領域，可實現智能抄表、數據監測回饋等功能［5－8］。在一些施工項目中，鋼支撐應力監測采用基于ZIGBEE標準無線網絡協議為基礎，通過終端采集結點、路由器以及主控器組成的無線傳感網絡的方法，但存在著數據有效傳輸距離短、容易受干擾等問題［9－10］。

本文詳細介紹了無線自組網式鋼支撐應力監測系統的組成和工作原理，以便監測人員及時采取對策，確保工程的施工安全，同時降低工人的勞動強度，避免人為誤差的出現，解決數據傳輸距離受限和受干擾的問題，使用的設備也相對統一、設備安裝簡單。該系統的運用為深基坑鋼支撐軸力監測提供的一種自動監測新方法。通過對比分析介紹該系統的優缺點，可以看到該系統存在著造價高、數據更新繁瑣等缺點。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南寧市大學—明秀路口綜合交通工程是南寧市軌道交通工程一號線近期工程的第8個站—廣西大學站。位于大學東路和明秀西路交叉的十字路口，起訖里程為YDK17+536.8～YDK18+001.8(包括存車線和站臺)，車站總長度465 m。廣西大學站總平面圖如圖1所示。

廣西大學站的基坑標準斷面寬度為20.7 m，為地下2層島式車站。頂板覆土厚度大于3 m。基坑開挖深度為16.88～19.23 m，基坑開挖寬度為20.7～26.1 m。廣西大學站分為車站主體、兩端盾構始發井、出入口、風亭和冷卻塔等。

圖1 廣西大學站平面圖Fig.1 Plan layout of Guangxi University Station

根據設計要求，廣西大學站圍護結構采用地下連續墻+3道內支撐+1道換撐的支護形式。第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，尺寸為800 mm×900 mm，冠梁同時作為第1道鋼筋混凝土支撐的圍檁;第2，3道支撐及換撐使用鋼支撐，直徑為609 mm，壁厚為16 mm，斜撐段采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土腰梁，其余為2×I45C鋼圍檁。基坑中間用2×40C槽鋼和δ12 mm鋼板對焊加工成臨時中立柱，臨時中立柱頂部與第1道鋼筋混凝土支撐連接，第2，3道支撐架設在縱向橫梁上，在縱向橫梁上焊接限位裝置限制鋼支撐的縱向移動，鋼支撐間距為3 m，每隔3個鋼支撐布設一個鋼支撐應力計。

1.2 工程地質

沿線出露地層為第四系上更新統望高組上段(Q3W)，是河流沖積形成的黏土、粉土、礫砂和圓礫等;下伏地層為第三系(E3b)北湖組湖相沉積的泥巖、粉砂巖等;表層為素填土(Qml4)所覆蓋。根據鉆探揭露的巖土層，按順序自上至下分11層，分別為:素填土、硬塑狀粉質黏土、可塑狀粉質黏土、可塑粉質黏土、軟塑粉質黏土、粉土、細砂、礫砂、圓礫、泥巖(上段)、泥巖(下段)和粉砂巖。設計連續墻入泥巖不少于1 m，車站主體底板位于圓礫層。

2 自組網式結構組成和工作原理

2.1 WSM(無線傳感器)自組網絡系統簡介

WSN系統是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。它的英文是 Wireless Sensor Network，簡稱WSN。具有無中心、分布式協作、自組織、多跳無線組網形式，每個節點都具有路由轉發功能，WSN主要面向“物與物、人與物”之間的信息交互，其具有快速部署、自組織、高容錯性等特點。

2.2 無線自組網式鋼支撐應力監測系統的組成

無線自組網式鋼支撐應力監測系統由監控中心服務器、WSN(無線傳感器網絡)協調器、WSN路由器、WSN采集器以及應力傳感器組成。WSN協調器、WSN路由器以及WSN采集器構成無線傳感器網絡，實現監測系統信息采集和匯總。由上述組成單元構成的鋼支撐應力監測系統網絡拓撲結構如圖2和圖3所示。

2.3 無線自組網式鋼支撐應力監測系統工作原理

應力傳感器負責鋼支撐受力檢測與鋼支撐直接相連。WSN采集器由電池供電，負責與其連接的應力傳感器的數據采集和上傳，并將應力值進行量化，負責該監測點應力數據分析以及報警狀態指示。WSN路由器負責無線數據幀路由轉發。根據該系統實際應用環境及范圍，適量的WSN路由器組建WSN基干網，負責WSN協調器與WSN采集器之間的數據交互。由WSN路由器組建的WSN基干網覆蓋該子網中的所有WSN采集器，并提供自維護、自修復的通信鏈路，WSN路由器有效采集距離為200 m。WSN協調器負責其管理范圍內的WSN路由器以及WSN采集器的組織和維護，負責應力傳感器數據匯總，并提供internet或者移動接入(GPRS、3G)接口，將WSN采集器采集到的監測點應力數據上傳到監控中心服務器，WSN協調器有效距離為300 m。監控中心服務器由計算機軟硬件組成，完成整個系統中所有設備信息維護，為用戶提供遠程數據分析和查詢統計等功能。具有訪問權限的用戶可以遠程登錄，查詢不同區域已經接入該系統的所有監測點運行以及報警狀況等。

2.4 無線自組網式鋼支撐應力監測系統布置情況

現場平面布置如圖4所示，WSN協調器放置在基坑中間，WSN路由器對稱布置在基坑兩側。

圖4 廣西大學站無線自組網絡系統布置圖Fig.4 Layout of wireless ad-hoc network system in Guangxi University Station

廣西大學站基坑總長度465 m，鋼支撐間距為3 m，每隔3個鋼支撐布設1個鋼支撐應力計。WSN采集器與鋼支撐應力計通過導線連接，安裝在鋼支撐表面上，使用螺釘固定(如圖5所示)，WSN采集器采用電池供電，供電有效時間為2年。WSN路由器有效采集距離為200 m，基坑兩側對稱布置，2個距離相距150～160 m，并覆蓋整個基坑，WSN路由器安裝在電箱側，并做好接地和屏蔽(如圖6所示)。WSN協調器放置在基坑的中間位置，有效距離半徑300 m，可以覆蓋整個基坑，與監控中心服務器連接，監控中心服務器放置在基坑中間的值班房內，WSN協調器放置在值班房外側。

2.5 監控中心的數據分析

2.5.1 即時數據查看

點擊基坑中的節點層，彈出該節點層中所有節點的編號信息，勾選相應的節點，在右側頁面中將彈出該節點今日所有已抄讀到的數據，包括鋼支撐壓力信息、鋼支撐溫度信息以及傳感器電池電量信息。對節點數據信息狀態用紅藍黑3種顏色標示加以區分，藍色表示采集數據超過預警值，紅色表示采集數據超過報警值，黑色表示采集數據正常。最后一欄狀態欄表示該節點的壓力值狀態，如超過報警值將用紅色加粗字體顯示“危險!”，超過預警值但低于報警值將用藍色加粗字體顯示“警告”，低于預警值將用黑色字體顯示“正常”。即時數據列表如圖7所示。

2.5.2 歷史數據查看

單擊“歷史數據”鏈接，將顯示的是該鋼支撐傳感器節點當天的數據。選擇日期和時間之后，將顯示從起始時間到結束時間之內該節點的所有采集數據，包括支撐鋼壓力信息、支撐鋼溫度信息以及傳感器電池電量信息。對節點數據信息也是用紅藍黑3種顏色標示加以區分，顏色表示信息同2.5.1。歷史數據列表如圖8所示。

3 無線自組網式鋼支撐應力監測系統與普通系統的比較

3.1 系統對比

見表1。

3.2 系統的優點

1)具有全面感知性和智能分析功能。系統采用新興無線傳感網技術設計，具備全面感知、網絡傳輸以及智能分析處理等特點，是典型物聯網應用工程。

2)自組性、覆蓋面廣。系統基于自主設計的無線傳感器網絡協議設計，具備自組網、自組織、自維護功能;支持多種傳輸方式，具有工作頻段靈活，可擴展性好，網絡容量大，覆蓋范圍廣等特點。

3)直觀性。為用戶提供友好的Web界面，直觀顯示無線傳感網網絡拓撲結構、基坑地理位置以及鋼支撐三維安裝結構。

表1 無線自組網式鋼支撐應力監測系統與普通系統的比較Table 1 Comparison and contrast between wireless ad-hoc network system and traditional monitoring system

4)實時跟蹤分析功能。系統對基坑施工現場的鋼支撐受力狀況進行實時跟蹤分析，原始數據采集和處理完全不用人工參與，避免人為因素操作造成錯誤分析。

5)抗干擾。采用分布式采集方式，將數據采集單元分散布置在靠近傳感器的地方，完成所轄測點傳感器的激勵、測量、數據暫存以及數據通訊等功能，減少模擬量的傳輸距離，提高了系統的抗外界干擾能力。

4 系統應用效果和評價

1)通過即時數據列表和歷史數據列表可以輕松實現即時數據曲線和歷史數據曲線的查詢，即時反映鋼支撐應力的變化情況，給施工方提供第一手直觀資料。

2)WSN協調器、WSN路由器以及WSN采集器3種設備是基于具有自主知識產權的無線傳感網協議設計，具備自組網、自組織、自維護功能，可以極大地降低工人的勞動強度。

3)無線自組網式鋼支撐應力監測系統同時展示該鋼支撐實時受力大小、溫度值、報警狀態以及通信質量等信息，可以通過遠程監控快速實現所有監測點實時數據查詢、實時數據曲線分析、歷史數據查詢和歷史數據分析等功能。

5 結論和討論

南寧市軌道交通1號線廣西大學站通過使用無線自組網式鋼支撐應力監測系統實現了鋼支撐應力信息的實時監控，與施工現場結合緊密，很好地指導了施工，確保了工程的施工安全，同時大大降低了工人的勞動強度。但也存在著造價高、數據更新繁瑣等缺點，將在今后的工作中不斷改善和提高。本文為深基坑鋼支撐軸力監測提供的一種自動監測新方法，在深基坑監測中，鋼支撐軸力只是深基坑監測內容的一部分，深基坑墻體的測斜、沉降、基坑水位等監測也是確保深基坑安全的重要指標，如何使用無線自組網式監測系統動態監測深基坑墻體的測斜、沉降、基坑水位等指標，如何將各監測子系統兼容于一個主系統，是今后科技攻關的一個主要方向。

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