地下工程施工和運營期監測的研究與應用進展

沈杰　嚴小亮

【摘 要】本文結合地下工程的施工特點，闡述地下工程監測技術的發展現狀及地下工程監測系統的應用理論，介紹地下工程監測系統的新技術類型，提出地下工程監測系統及技術的未來發展中要全面實現可視化管理，施工期的環境要實現全面自動化及智能化監測，相關研究人員要敢于突破傳統的信息化反饋監測技術，將新型的計算機智能技術應用于監測當中，徹底解決傳統技術監測精度不高的問題。

【關鍵詞】地下工程 監測系統 運營期 施工人員 應用進展

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2018）04C-0191-02

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市地下空間的總體規模和總量即將位居世界首位，部分規模較龐大的地下工程和基礎設施正在投建當中，受到了業內人士的廣泛關注。然而從實際的施工進程來看，地下工程的施工周期較長，運用的施工技術也較為復雜，不可預見的施工風險較多，可以說具有一定的施工難度。更重要的是，在施工期間會涉及開挖巖土體等風險較大工作，需要施工人員控制施工風險。因此，在地下工程的施工當中，施工人員必須利用監測技術實時地獲取工程結構和施工環境的動態變化信息，提高施工的安全性。

一、地下工程的施工特點

區別于一般的地面工程建設，地下工程具有建設周期長、建設技術較為復雜以及工程繁多等建設特點。總體來說，地下工程的施工特點一般可劃分為以下幾點：

其一，投資巨大，建設周期較長。地下工程是一項龐大的工程建設項目，需要涉及多個工種、多個施工部門，且對施工技術的要求較高，因此地下工程項目的前期投資力度較大，需要高額的建設成本。另外，地下工程的建設需要進行多方面的策劃，保證實施施工的安全性以及實際運行的安全性，建成之后需要進行反復地試行，確定準確無誤后才可以使用，因此地下工程的建設周期較長。

其二，系統涉及的專業繁雜、各個工程接口之間較為復雜。建設地下工程需要工作人員綜合性地考慮實際可施的策劃方案，且需要綜合性地考慮策劃、建設、運營以及資源利用等環節之間的有效性聯系。項目管理所涉及的管理要素也是具有一定的復雜性，它不僅需要綜合性地考慮城市規劃、環保以及交通等部門之間的關系，還要盡可能地對其進行有效的協調。總體來說，管理的協調難度較大且工作環節較為復雜，會增加施工人員的監測難度。

二、地下工程監測技術的研究與應用現狀

在地下工程監測技術的研究方面，除了一些比較常見的監測技術，研究人員又進一步地對施工過程高低收縮混凝土和徐變特性展開了細致的監測，積極地引用了智能材料，如鈦合金鉛、光纖等材料，極大程度上開創了監測的新局面。另外，近年來部分研究人員采用聚偏二氟乙烯壓力膜的無線傳感系統，監測地下工程的施工環境，并可以有效地監測出工程主體結構的預應力構件的張力及動力響應程度。最重要的是，研究的新型地下工程監測技術可以對地下工程大體積混凝土的澆筑溫度進行全方位的掌握及控制，施工人員可以結合具體的溫度監測結果，對施工工藝進行合理的調整，進而降低混凝土的溫度值和預應力的大小，避免混凝土結構的表面出現裂縫的情況。

在地下工程監測技術的具體應用方面，施工人員利用各種監測技術可以對地下工程的結構狀態及環境狀態進行有效的分析，并進行反饋施工。如利用地下工程監測技術中的微震技術可以對巖體結構的受力破壞過程進行全方位的監測，避免出現施工風險；利用地震監測技術可以有效地監測隧道工程施工中的地質災害以及支護結構體的損傷情況，避免出現嚴重的施工風險，能夠進一步地為邊坡工程提供相應的安全保障。雖然從一定程度上來說，地下工程監測技術的出現，為施工過程提供了較大的安全保障，也有效提升了施工人員的工作效率，但是從實際的應用來看，相應的監測技術會受到施工環境的制約，部分技術無法進行有效的應用，仍舊需要研究人員不斷地對其進行完善和開發，進一步地確保施工的安全性。

三、地下工程監測系統的應用理論

（一）施工期監測項目和測點布置情況

目前來看，地下工程的監測系統和相關的技術主要監測的對象就是施工期項目及測點布置。一般而言，對施工期項目實施監測主要是為了確保地下工程的施工安全。且施工期地下工程的監測項目主要包括對主體的監測、對工程內部環境的監測以及對周圍施工環境的監測。另外，施工人員對施工期監測測點的布置通常是需要根據地下工程的建設規范進行布置，或者采用三維數值的計算方法優化對其的布置水平。在此監測的過程中，施工人員需要事先模擬計算出地下工程的施工結構及周圍環境的位移、應力等方面的分布情況，優化傳感器的布置。

（二）施工期監測的安全控制指標

地下工程施工期檢測的安全控制指標，主要是指對施工期間的監測項目設定相應的報警值，一旦超過規定范圍的數值時，即表示工程的主體結構或者施工環境周圍存在著施工風險，施工人員應該立即終止施工。從目前的應用來看，在地下工程的監測中，所使用的安全控制指標包括允許傾斜量、允許應力等方面的指標要求。一般來說，地下工程中的基坑工程會選擇把監測項目累計的變化情況及速率值作為安全控制指標。然而，國內施工期監測的安全控制指標較缺乏合理性，在某些風險較高的地下工程中，取值較松，而在部分工程中取值較嚴，需要研究人員予以及時的解決。

（三）運營期監測系統及布點設置情況

地下工程運營期監測主要是指對工程主體結構在投入使用后的情況進行監測，大體上屬于結構健康監測的范疇。大多數工作人員在做此項監測工作的時候，都會選擇使用預埋傳感器或者無損傳感計技術獲取結構的內部信息，具體對結構內部的系統特性進行嚴謹的分析，確定結構內是否發生損傷或者退化的情況。更重要的是，運營期的監測系統可以對結構的應力、位移、加速度以及腐蝕性能等多方面的因素進行全面的分析，評定結構運行的實際狀態。另外，運營期的測點布置存在著多個自由度如何布置多個測點優化的問題（測點的數量<自由度的數量），工作人員可以結合當前研發出來的優化方法，如有效獨立法、遺傳算法等方法，優化布點的設置。

四、當前地下工程監測系統運用的新型技術

（一）運營期的健康監測系統技術

運營期的健康監測技術屬于新型的監測技術類型，能夠有效地對施工材料的結構性能加以評定，避免出現施工風險。一般來說，健康監測系統技術主要包括幾下幾種類型：

其一，光纖光柵傳感器。從具體的應用效果來看，光纖光柵傳感器具有測試精度高、抗干擾能力強、耐腐蝕性較高及耐久性較好等諸多應用優勢，儼然已經成為當前地下工程結構健康監測的重要測試技術。另外，光纖光柵傳感器除了可以監測主體結構的應變力外，還可以監測結構表面動力荷載、剪切力等擾動力，能夠有效地保證主體結構的安全。

其二，光纖智能監測系統。同樣是利用光纖技術研發出來的監測技術，主要包括光纖傳感系統、信號傳輸與采集以及數據處理與監測系統等三部分系統構成。一般來說，施工人員通過利用光纖智能監測系統能夠實現對地下工程施工現場進行遠程監測的要求，進一步地確保施工的安全性。

（二）施工期的監測控制系統技術

其一，基于4D BIM施工過程的監測系統。一般來說，基于4D BIM施工過程的監測系統能夠有效地追蹤和分析施工的實際進度和工況，是項目監控的重要部分。目前關于4D BIM施工過程的監測主要體現于對施工自動化進程的監控，如利用該系統技術，可以對已施工的點云模型進行自動登記，可以將照片完整的存于該系統當中，便于施工人員明確施工的實際情況，確保工程的安全性。

其二，智能傳感監測系統。智能傳感器與傳統的傳感器具有較大的區別，其具有高強度的通信能力和數據處理能力，便于采集和分析施工數據。雖然該項新型技術已經得到應用，但是其的固定模塊化程度較低，實際應用起來較有難度。

五、關于對地下工程監測工作的未來展望

從目前的發展來看，地下工程逐漸向著超規模化、綜合化的方向中發展，能夠實現城市交通與城市間交通的地下化的互聯互通的要求。然而從一定程度上來說，這也表明施工環境會向著更加復雜化的環境中發展，因此在未來的施工工作中，施工期會對監測控制工作提出更高的要求。結合上述的相關內容，筆者認為地下工程監測系統及技術的發展趨勢可具體概括為以下幾點：其一，基于施工風險總體管理的需求，要求監測系統及技術要實現全面信息化和數字化的要求，也就是說全面實現可視化的管理要求。其二，基于施工環境的發展需求，要求對施工期的環境實現全面自動化及智能化的監測要求。其三，基于預測施工風險的管理需求，要求相關研究人員要敢于突破傳統的信息化反饋監測技術，將新型的計算機智能技術應用于監測當中，如3D激光掃描技術、FEM技術等，徹底解決傳統技術監測精度不高的問題。

綜上所述，地下工程的施工周期較長且施工難度較大，在實際施工的過程中易出現施工風險。為此，相關人員必須全面地掌握和了解地下工程監測系統的相關技術，并將其積極地應用于地下工程的施工當中。希望相關人員可以結合筆者闡述的地下工程監測技術的發展趨勢及當前所面臨的挑戰，進一步地完善監測系統，實現監測技術的應用價值。

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【作者簡介】沈 杰（1984— ），男，甘肅天水人，柳州鐵道職業技術學院講師，工程師，研究方向：隧道及城軌地下工程的施工與維護；嚴小亮（1983— ），男，廣西玉林人，柳州城市職業學院助理講師，工程師，研究方向：暖通等建筑設備的設計及施工等。

（責編 王 一）