基于虛擬儀器技術的城市地下綜合管廊施工監測系統設計

劉士李, 朱曉虎, 陳付雷, 方天睿

(國網安徽省電力有限公司,經濟技術研究院，安徽,合肥 230007)

0 引言

城市地下綜合管廊能夠整合電力、排水、給水、廣播電視、供暖、通信、燃氣等管道，形成城市地下的一條公共通道，是城市基礎設施的重要組成部分[1-3]。在地下綜合管廊的施工過程中，地層條件與物理力學性質相對復雜，設計與施工方案會存在一些不足，需要利用一些監測手段對開挖后的管廊圍巖、周邊情況進行監測，保證及時地發現施工過程中出現的變形、位移以及沉降情況，積極改進施工工藝或參數，并以此來指導管廊支護結構的設計和施工，保證施工順利進行[4-5]。傳統的施工監測系統在大型施工現場中，對于管廊施工變形的監測精度較低，因此設計一種基于虛擬儀器技術的城市地下綜合管廊施工監測系統。虛擬儀器技術是近年來基于計算技術發展起來的儀器測量、控制技術，該技術能夠將計算機資源和儀器硬件的測量、控制、數據采集進行整合，完成數據的可視化與分析處理。

1 基于虛擬儀器技術的城市地下綜合管廊施工監測系統設計

1.1 硬件設計

施工監測系統中的硬件是虛擬儀器的運行基礎，為虛擬儀器的運行提供功能上的支持。本文設計的監測系統屬于一種實時采集系統，需要多種硬件設備配合共同完成采集任務[6-7]。在實際施工的過程中，一些參數比較微小，但如果不重視這些細小參數的改變，有可能會造成嚴重的損失。這些參數會通過傳感器轉換為微弱的電信號，但這樣微弱的電信號難以采樣和保存，并且由于一些硬件的缺陷，導致數據存在各種誤差，因此需要對得到的測量值進行放大和濾波處理[8-9]。利用放大電路作為橋梁，將其放大到能夠適應采集卡的模擬輸入量參考電壓范圍，并傳輸到采集卡中。本文采用的放大電路的類型為儀表放大器，結構如圖1所示。

圖1 儀表放大器結構

圖1中，U2表示傳感器的輸出電壓，測量電信號首先經過RC電路完成濾波，通過R5可以改變增益，A3會造成失調電流，從而引起溫漂和輸出失調，因此其周圍運放的電阻大小需要完全匹配，R9的阻值盡量小一些，以此來抑制共模信號。儀表放大器將處理好的電信號傳送至數據采集卡中，采集卡的板卡不同，其采樣頻率和成本也會有所不同，在進行硬件設計之前，需要確定采集卡的各項參數[10]，根據實際情況選擇了M系列的USB-6210板卡，本文選擇的數據采集卡參數如表1所示。

表1 數據采集卡性能參數

本文選擇的板卡是新一代的多功能數據采集設備，其中集成了新一代的控制、方法和校準技術，能夠提高精度和更多的I/O，經過A/D轉換后的信號可以經過數據采集卡傳輸給計算機的虛擬儀器工作環境。

1.2 軟件設計

1.2.1 設計數據編碼結構

施工監測系統的監測種類比較多，監測的頻率也比較高，系統中還具備多源數據的存儲分析功能，導致了系統中的數據呈現量大、類型多而復雜的特點。為了保證能夠方便快捷地獲取監測數據中的信息，需要對數據進行編碼。系統數據的編碼主要包括項目編碼和監測點編碼，項目編碼由項目名稱和開始時間構成[11-13]；監測點編碼主要分為洞內監測點編碼、洞外監測點編碼和傾斜監測點編碼，這3種編碼方式如圖2所示。

(a)

圖2中，圖2(a)為洞內監測點編碼，洞內監測點分為3段，首位字母表示監測點在斷面上的位置，L代表左幫點，C代表拱頂點，R代表右幫點，虛線框內代表了斷面里程，末尾數字代表斷面的位置點號，圖2(a)代表了K17+122斷面左幫第一點；圖2(b)表示洞外監測點編碼，主要涉及到地表沉降以及鄰近的建筑物沉降、傾斜等情況，首位字母為D時表示地表沉降，J表示建筑物沉降，虛線框內代表斷面里程，最后的末尾數字表示點位編號，對地表沉降按中心為0，左奇右偶編號，對建構筑物沉降可順序編號；圖2(c)中首字母為T時表示頂部，B表示底部(圖中未出現)，末尾數字表示點位編號，要求同一軸線編號一致，不同軸線按順序編號。至此完成編碼結構的設計。

1.2.2 計算預警參數

對城市地下綜合管廊的施工進行監測，主要目標是保證施工的順利進行，監測信息是基礎，數據的分析是手段，最終目的是在施工產生偏差時能夠實現險情預警。施工現場監測能夠及時識別變形、判斷變形，最后通過輔助措施來減少風險產生的損失[14-15]。因此預警算法在監測系統中的地位是顯而易見的。要想預判風險，首先要計算施工載荷，根據《建筑施工模板安全技術規范》中各個材料的重度取值，計算綜合管廊施工過程中混凝土對模板的側壓力,如式(1)，

(1)

式中，F代表施工中新澆鑄混凝土對模板的側壓力，γc代表混凝土的單位重度，單位為kN/m3，V代表混凝土澆鑄速度，單位為m/h，t0代表初步凝結時間，需要根據混凝土溫度進行計算，本文取25 ℃，β1代表混凝土中緩凝劑的影響修正系數，β2代表混凝土坍落度影響系數。通過對荷載進行計算，在施工過程中對混凝土的澆鑄參數有一個約束，從一定程度上能夠防止位移變形。在設置報警值時，需要綜合考慮質量經濟因素，滿足設計計算要求，寧小勿大，能夠達到保護的目的。在實際報警時，設置預警值和報警值，達到預警值時，要在可能的情況下盡快采取措施，防止數據惡化，達到報警值時，說明數據已經處于危險狀態，必須采取措施保證安全。周圍管線發生變形時，可以將管線的曲率半徑作為報警值，將管道視為彈性地基上的梁，需要按照彈性地梁的方法計算彎曲應力，如圖3所示。

圖3 彈性地基梁計算模型

如圖3所示，當地層無下沉情況時，則有式(2),

q=KWp

(2)

式中,q為作用在管道上的壓力，K為基床系數，Wp為管道位移，當地層出現下沉情況時，則有式(3),

q=KWp-KW

(3)

式中,W表示管道處地層沉降量，由此可以計算出管道的變形與曲率半徑。根據允許的彎曲量，設置預警值和報警值。至此完成施工監測系統的設計。

2 系統實際應用

2.1 工程概況

本文選取某市的地下綜合管廊建設工程，項目起自A道路，至B道路止。途徑13條被交道路，該市的綜合管廊建設工程主要包括綜合管廊、管廊控制中心以及污水管線3部分內容。綜合管廊全長7 740米，主要包含了電力、綜合、熱力、排水、燃氣幾個分艙，共分成3個標準斷面，斷面1與斷面2均為5艙斷面，斷面3為4艙斷面，斷面1總長2 575.6 m，斷面寬度為19.2 m，斷面2總長3 209.4 m。斷面3總長1 955 m，斷面寬度為14.6 m。工程截面如圖4所示。

圖4 工程截面示意圖

這個工程所處地貌為丘陵斜坡，地坪相對平緩，圍巖為砂質泥巖，洞頂巖層為砂質泥巖夾砂巖薄層或透鏡體，與現場工程監測相關的巖體力學參數如表2所示。

表2 巖體力學參數

綜合管廊的洞身圍巖級別為IV級，地下水狀態為I級，根據上表的參數可知，地應力的條件與地質構造都相對簡單，區內沒有斷層。

2.2 監測控制網的布設與施測

根據上述的工程基本概況，可以對城市地下綜合網管廊的變形監測基準網布設進行合理設計，最終監測基準網布設結果如圖5所示。

圖5 監測基準網布設示意圖

如圖5所示，4個基準點(BS_1～BS_4)的位置構成了一個四邊形，設置了兩個施工控制點對BS_1、BS_2、BS_3監視，現場的布置如圖6所示。

圖6 工程測試現場布置圖

在本文設計的監測基準網布設時，納入了3個監測工作基點，方便監測與施工之間的聯系，通過基準網進形觀測、聯測、獲取工作基點坐標完成施測。為了驗證本文設計的系統具有一定的有效性，將原有系統作為對照組進行對比試驗。本文試驗分別使用2個系統對該工程某段的支護拱頂沉降、支護凈空收斂以及地表沉降進行監測，并將監測結果進行對比分析，除此之外，在實際應用過程中實時記錄設計的系統所監測的混凝土對模板的側壓力以及彎曲應力變化數據，以此來計算分析預警參數，從而分析設計的系統監測的穩定性及有效性能，以實現監測目的。

2.3 監測結果與分析

在上述的實驗條件下，分別于3個監測工作基點記錄監測結果。在設計的硬件系統運作時，得到儀器放大器的性能參數如表3所示。

表3 儀器放大器性能參數

通過對比表3與表1分析得知，設計的硬件系統能夠將儀器放大器處理后的電信號有效傳輸到采集卡中，以供計算機網絡分析處理。

綜上所述，該技術通過計算機資源和儀器硬件的測量、控制、數據采集進行電信號數據整合，記錄該工程某段的混凝土對模板的側壓力、彎曲應力變化數據結果，此外，基于虛擬儀器技術得到支護拱頂沉降、支護凈空收斂以及地表沉降數據的結果，對比如下。

2.3.1 計算混凝土對模板的側壓力結果

在上述的實驗條件下，通過虛擬儀器技術計算得到混凝土對模板的側壓力結果顯示如圖7所示。

圖7 混凝土對模板的側壓力結果

本實驗中隨機選取同時間段的60次監測數據進行結果分析，從上圖可以看出，本文設計的系統軟件能夠通過采集卡所收集的電信號數據信息計算出混凝土對模板的側壓力，并且與實際測量值誤差較小，由此可見，本文設計的系統軟件在實際應用中具有一定的準確性。

2.3.2 計算彎曲應力變化數據結果

彎曲應力變化數據結果顯示如圖8所示。

圖8 彎曲應力變化數據結果

通過對圖中數據進行分析，本文設計的系統軟件能夠通過采集卡所收集的電信號數據信息計算出彎曲應力，本文系統軟件的計算更加接近真實值，通過結果對比可知，本文設計的系統軟件在實際應用中具有數據分析的準確性。

2.3.3 支護拱頂沉降監測實驗結果與分析

2個系統的支護拱頂沉降監測結果顯示如圖9所示。

圖9 拱頂沉降監測結果

本實驗中隨機選取同時間段的60次監測數據進行對比，通過對數據的分析，從圖9可以粗略的看出，本文系統的監測值更加接近真實值。通過對監測數據進行詳細計算可以得出，本文系統的60次監測數據與拱頂沉降的實際值平均誤差為0.47 mm，原有系統的60次監測數據與拱頂沉降的實際值平均誤差為0.89 mm。

2.3.4 支護凈空收斂監測實驗結果與分析

兩系統的凈空收斂監測結果如圖10所示。

圖10 支護凈空收斂監測結果

本文系統的60次監測數據與支護凈空收斂的實際值平均誤差為0.247 mm，原有系統的60次監測數據與拱頂沉降的實際值平均誤差為1.48 mm。

2.3.5 地表沉降監測實驗結果與分析

2個系統的地表沉降監測結果如圖11所示。

圖11 地表沉降監測結果

本文系統的60次監測數據與地表沉降的實際值平均誤差為0.29 mm，原有系統的60次監測數據與拱頂沉降的實際值平均誤差為1.55 mm。

根據上面幾組實驗的監測結果可以看出，本文設計的基于虛擬儀器技術的監測系統能夠有效輸入監測數據，以實現監測目的，驗證了本文系統在硬件設計方面具有良好性能；在混凝土對模板的側壓力以及彎曲應力的計算結果均約等同于實際測量值，驗證了本文系統在軟件設計方面具有一定的穩定性和準確性；在拱頂沉降、支護凈空收斂以及地表沉降的監測誤差均小于原有系統，驗證了本文系統在監測方面具有更好的優越性能。

3 總結

本文設計的基于虛擬儀器技術的城市地下綜合管廊施工監測系統采用先進的技術，硬件與軟件之間的架構合理，通過硬件監測到的信息能夠實現實時的傳送，實現地下管廊施工過程中變形監測、管線監測的自動化和智能化。但是本文系統還有一些不足之處，在今后的研究中，可以以本文系統作為基礎逐步建立預案、知識、標準數據庫，實現城市地下綜合管廊從設計、施工、運行一體化的監測管理。