地面沉降智能監控系統研究

胡秋生，王小明，盧佳

摘 要：土木工程施工過程如何做到施工界面地面沉降安全監控一直都是一大技術難題，目前已經開始廣泛應用的地面沉降監控系統主要還主要采用預埋沉降傳感器或者水準測試，但該種監控方法還存有不足之處，原因在于該種監控方法無法做到定量化監控、預警性監控。針對土木工程施工過程中的地面沉降監控手段的不足，本文提出利用水杯式智能地面沉降監控預警系統，對施工界面地面沉降進行定量化監控分析，并作出預警判斷。實踐表明，該方法可對施工界面地面沉降進行定量化監控分析，并作出預警判斷，保障施工安全性、精確性。

關鍵詞：土木工程施工；地面沉降監控；安全預警系統；精確性

隨著我國經濟以及城鎮化進程的不斷發展，我國大規模基建項目投入也不斷增加，但是土木工程基建過程中，特別是像道路、橋梁施工過程中如何避免施工界面發生不均勻沉降，以及對施工界面進行實時監控，保證施工過程精確性與安全性，一直是一大技術難題。目前，我國對地面沉降的實時監控還停留在埋設沉降感應器以及實時測量校準的傳統手段，但這些方法只能做到對地面施工狀況的反映，無法起到定量化監控以及安全預警的作用。本文針對上述問題，提出了在道路與鐵道工程等施工過程中定量化監控系統的應用，通過采用杯式地面沉降感應器對地面沉降進行實時監測，一旦出現地面沉降達到該種施工界面下安全閥值時，會自動啟動安全預警系統，保障施工安全以及施工界面的精確性。

本文旨在提出一種地面沉降監控系統，其特征是以施工界面地面沉降為實時監控對象，通過傳感器傳感裝置將地面沉降數據及時收集且保存；與此同時，傳感裝置通過無線傳輸裝置將采集到的數據轉化為無線信號傳輸到計算機系統；計算機分析系統在接收到傳感器傳輸來的信息后自動進行數據分析與處理，并將實際發生的地面沉降數據與已經設定好的安全閥值作對比，只要地面沉降達到安全閥值時，計算機將會自動啟動報警系統，提醒施工進行調整，想地鐵等地下工程施工時，嚴重情況下還會提醒施工人員撤離。本技術可以用于地面沉降施工系統的智能監控，并且對原有的技術進行了一定的改進，使施工定量化監控并且操作更加便捷，及時監控施工結構安全性、精確性，有效的降低施工監理造價。

1 應用前景分析

我國土木工程工程項目較多，特別是像道路工程以及城市軌道工程。在這些工程項目施工過程中，地面沉降一直施工過程中重要控制因素，但是目前的控制技術未能與無線傳感技術以及無線傳輸技術結合起來使用。一方面監控過程中人力成本投資大，工程造價投資高。另一方面，傳統監控方式也無法做到預警監控，定量化監控，尚存在很多不足之處，需要進一步進行改進。

三角杯式地面沉降監控器可以彌補既存地面沉降監控技術的不足，使用該種地面沉降監控技術，可以做到對地面沉降數據的及時采集、處理。進而可以實現定量化監控以及預警性監控。當地面沉降數據達到設定好的安全閥值時，會自動啟動警報系統，通知技術人員進行調整，保證施工質量；特別是在地鐵施工過程中，地面沉降還有可能進而引起承重結構發生受力不均勻的結果，進而造成施工安全隱患。

該種頂面沉降監控技術巧妙集傳感技術、無線傳輸技術以及計算機智能程序系統于一身，成功通過實踐測試。在土木工程施工過程中，有很強的的實用性以及應用前景。

2 技術原理

2.1 地面沉降實時監控原理

地面沉降傳感系統，采用水杯式地面沉降傳感器。當地面沉降發生變化時，相應水杯中水位發生變化，水杯內側帖附壓敏感應膜，并且從水杯底部到頂部有不同級別的靈敏系數，這就成功使得地面沉降信號，轉化為壓力信號，進而通過傳感裝置，將壓力信號傳輸給計算機分析系統。進行地面沉降分析。實物模擬圖如圖2.1。

圖2.1 杯式地面沉降感應器

2.2 計算機分析處理系統

計算機處理系統有限元軟件，綜合考慮地鐵施工系統條件，啟用設定好的計算機程序，針對杯式感應片引入安全系數，合理設置預警閥值。在施工過程中，當地面沉降數據達到安全閥值時，計算機系統自動啟動報警開關。

具體程序開發基于visual studio C++ 2012版程序開發平臺，通過對處理系統的要求進行分析，基于該平臺，進行編程設計，并順利通過運行測試，將該計算機程序應用于計算機處理系統，實現實時監控，時刻準備預警的效果。

本論文涉及的土木工程施工地面沉降監控系統，可以實時監測地面沉降數據。傳感器模塊包括三個子模塊以及電源結構，三個子系統分別是數據采集子系統，數據放大子系統以及無線電傳輸子系統；；當路面沉降發生變化時，數據采集系統及時收集變量數據，接著數據放大器對采集到的數據進行放大，并最終通過無線技術將數據發送給計算機分析系統；計算機分析系統對接收到數據進行分析、處理，并且將接受到的結果與已經設置好的安全閥值進行比對，如果測量值達到設定好的安全閥值時，計算機會自動啟動報警系統。

3 安裝測試與工程應用

3.1 安裝測試

杯式地面沉降感應系統也可以做到對地面沉降實時監測的功能，實現地面沉降 水位變化 應力變化的實時動態監測。

傳感系統將采集到的地面沉降實時數據通過無線傳輸傳輸給計算機分析系統，并于計算機系統內之前設置好閥值作對比。當發現實時監測值達到該種該種施工情況下許用沉降極限值時，計算機會啟動自動預警系統，及時提醒施工人員調整施工狀況，緊急情況是通知施工人員撤離，保證施工安全性、精確性。

以上技術已經通過實踐模擬測試，可以有效測試施工過程中地面沉降的實時數值，并成功傳輸給計算機分析系統，計算機分析系統通過已經設定程序將傳輸來的數據處理對比，當處理后的數據達到安全閥值時，會自動啟動安全預警系統，若未達到安全閥值，則繼續正常監控，不會啟動安全預警系統。

3.2 工程應用

浙江省杭州市某地下工程在施工過程中采用該種地面沉降監控儀器，通過將該種智能監控設備應用于施工過程后，可以有效監控地面實時沉降變化，并結合計算機分析系統將實時數據反饋處理作出預警處理。實踐證明，該種地面沉降智能監控設備可以有效監控、預警地面沉降。建議在地下工程施工應用過程中繼續做進一步推廣應用。

4 小結

（1）本技術成功實現了在地下結構施工過程中的地面沉降監測，可以實時監測并采集承重結構以及地面數據通過無線傳輸系統傳送給計算機分析系統，并通過計算機分析系統做出處理分析，有效做到了安全預警。

（2）本技術采用了無線傳輸系統，包括無線無感、無線傳輸等，使得該技術的應用以及操作更加便捷，與此同時，降低了成本。

（3）本技術實現了地面沉降無損動態監測，可以做到有效監控施工動態的同時并且與工程同步推進，不會影響工程施工進度。是未來地下結構動態施工監測以及安全施工保障的新方向。

參考文獻

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作者簡介

胡秋生（1991-），男，安徽宿州人，工作單位：重慶交通大學， 主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術方面的研究。

王小明（1991-），男，重慶長壽人，工作單位：重慶交通大學主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術方面的研究。

盧佳（1991-），男，安徽安慶人，工作單位：重慶交通大學主要研究方向：道路工程以及土木工程施工技術方面的研究。