岩土与地下空间综合测试技术及其在智慧城市建设中的应用

毛永江，黄思远，魏金山

（中煤矿山建设集团三十工程处）

1 岩土与地下空间综合测试技术的背景

2013年，上海市成立“上海岩土与地下空间综合测试工程技术研究中心”，该中心在自主创新与集成创新相结合的基础上，实现了地下连续墙和盾构法隧道等地下空间结构隐患测试与变形监控技术，搭建了“准确、高效、无损、智能”的岩土与地下空间综合测试平台。2017年9月23日，该中心依托上海岩土工程勘察设计研究院有限公司开展了科技月活动，活动就岩土工程领域中存在的信息传递不畅和BIM技术的应用等问题进行了讨论，明确指出岩土工程对开放化信息交流平台的需求。这些机构与研究会议的开展表明，岩土工程信息化已成为智慧城市建设的必然趋势，岩土与地下空间综合测试技术的应用与研究也将越来越深入。

作为创新领域之一，岩土与地下空间综合测试技术融合了多种学科与专业，它研究的对象不仅包括地下结构与周边岩土体，还包括各类型的建筑主体结构。岩土与地下空间综合测试技术中运用的大量先进测试技术、检测技术与信息技术，不仅可以有效获取地下结构与岩土体特性的相关参数与二者的相互作用规律，还能及时发现地下空间存在的风险隐患。相比传统检测技术，岩土与地下空间综合测试技术的测试效率与分析能力更高，提供的数据也更为可靠。就现阶段而言，基坑远程自动化监测和监控技术、地铁盾构隧道三维激光扫描检测技术、岩土工程建筑信息建模技术以及地下结构运营安全管理平台等均与智慧城市中的地下空间建设紧密相关。

2 岩土与地下空间综合测试技术介绍及其在智慧城市中的应用

2.1 基坑远程自动化监测和监控技术

城市发展对地下空间的需求量不断扩大，深基坑工程项目也越来越常见。尽管大多数深基坑属于临时性工程，但其自身的复杂性及施工过程中大量的不可预见因素使基坑在开挖时极易发生安全事故。因此，加强对基坑工程自身及周边环境的监测是基坑项目施工的重要环节，如何提高基坑监测技术成为岩土工程中一项值得深究的问题。通过大量传感器捕捉基坑内外的异常信息并借助互联网平台进行共享是目前应用较为广泛的自动化监测与监控技术。在数据采集和自动处理环节，该自动化监测系统可利用传感器设备将围护结构的变形、地下水位变化、侧向位移和支撑轴力等数据实时传输至采集仪，常见的传感器设备有固定式测斜仪、水位计、测量机器人和支撑轴力计等。为确保数据的可靠性，系统还设有可自动辨伪的数据自动处理程序。基坑远程自动化监测系统还具有报表打印、安全预报警以及风险分析、成果质量审核等辅助功能。

目前，在GIS、视频监控以及街景等高新技术的支持下，我国不少建筑企业已建立起基于网页和手机APP的基坑监测作业监控管理平台，如在上海轨道交通工程和天津于家堡枢纽工程等基坑监测项目中投入应用并取得明显成效的“天安监测”系统。

2.2 地铁盾构隧道三维激光扫描检测技术

2.2.1 三维激光扫描检测技术及其算法改进

在各种复杂因素的影响下，地铁盾构隧道会在长期运行后出现隧道变形、管片破损以及轨道位移等情况，严重威胁地铁盾构隧道的安全。在此背景下，三维激光扫描检测技术可以快速获得扫描云点数据并有效实现三维建模，因此，这种技术在地铁盾构隧道变形监测中的应用越来越广泛。在监测地铁盾构隧道变形时，传统算法极易因各种因素的影响而无法开展远程监测，进而无法提高变形监测的准确性。针对传统算法的局限性，国内学者提出了一种基于三维激光扫描技术的地铁盾构隧道三维建模优化算法，该算法不仅可择优选择扫描参数，还可合理安置标靶，并在此基础上建立盾构隧道的三维优化模型。优化算法所得激光扫描数据后，即可得到盾构隧道的三维坐标与矩阵关系式，进而实现对地铁盾构隧道的变形监测。2.2.2 验证试验与实际应用

在参考文献［1］中，桂芳茹以杭州市江干区天成路盾构隧道为实验样本，对上述改进算法的效果进行了验证。经高精确性的三维盾构隧道激光扫描数据集合，最终得到的检测结果与全站仪的变形检测结果接近，检测结果令人满意。三维激光扫描技术的应用为城市地铁变形监测及病害检测工作的开展提供了全新的思路，提高了技术人员的工作效率与检测精度，目前，该技术已在上海轨道交通6号、7号、12号和13号线中应用，并取得了良好的效果。

2.3 岩土工程建筑信息模型建模技术

建筑信息模型技术就是数字信息与计算机技术相结合的BIM技术，该技术是在工程项目信息的数据基础上利用数字信息构建三维建筑仿真模型，进而为建筑提供工程化管理、工程设备管理与工程监理等作用。鉴于BIM技术的应用现状，其在岩土与地下空间开发领域的应用频率与水平均不高。对此，可从基坑围护设计、地下管线工程物探以及岩土工程勘察等领域的BIM技术应用着手，尝试建立统一的岩土工程信息模型，实现建筑结构与BIM模型的信息协同与共享。

2.4 轨道交通运营地下结构安全仿真管理平台

除上述数据采集、分析以及建模等高新技术，要实现智慧城市对建筑的要求，还需将多源信息与三维模型协同共享于统一平台上。以轨道交通工程为例，借助GIS与BIM技术的信息共享与集成功能开发建立轨道交通运营地下结构的安全仿真管理平台，借助该平台可快速获取或分享地质环境信息、轨道交通地下结构信息、长期监护测量信息及结构病害信息，同时还可获得周边工程监测信息与相邻影响监测信息。为对城市轨道交通地下结构运营生命周期内的安全状态进行有效评估，还需充分利用岩土与地下结构专业分析技术，在安全仿真管理平台的基础上建立适应时代需要的专家分析平台[2]。

3 结语

近年来，我国社会经济水平不断提高，城市化进程加快，城市人口密度越来越高。在此背景下，有限的土地资源制约着城市的进一步发展，开发城市地下空间已成为智慧城市建设中的重要步骤与必然趋势。就目前我国城市地下空间的开发情况，其在规划、设计、施工、运行与维护等环节都存在诸多问题，严重影响了智慧城市的发展。如何将岩土测试技术与地下空间结构进行有机融合并加以分析应用，是未来智慧城市建设和发展的重点研究领域。