城市地下工程施工监测新技术

王立新，雷升祥，汪珂，李储军

(1.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，西安 710043； 3.中国铁建股份有限公司，北京 100855)

引言

城市地下空间的探索已经迈入一个全新的阶段，在此背景下，出现了各种超深基坑、大断面隧道和超近接的地下结构[1]。在许多发达的大都市中，地下空间基本形成了一个网络。随之而来的问题是在如此复杂的地下条件下，新建结构可能对非常邻近的周围环境产生不利影响[2]。如果新结构遭到破坏，不仅会对自身造成影响，还会对邻近结构和地面现有建筑物造成破坏[3]。

为了避免上述潜在的严重事故，目前的主流预防措施是在可能发生事故的区域(如邻近位置和地裂缝区)采取增加设计安全系数的方法，一般包括加厚衬砌、加密加固等[4-6]。诚然，这些措施确实明显提高了结构安全的概率。但同时它也会造成不必要的材料、能源和劳动力浪费。与之相比，更好的思路是准确了解基础设施在整个施工期间的受力状态，以针对性地采取防护措施。传感技术的革新为彻底改变基础设施的状态评估和监测方法提供了有趣的可能性。实际上，在土木工程领域，尤其是在地下工程中，监测和测量一直是施工的一个组成部分。其可以提供及时的反馈，指导施工参数的修改，完成动态设计的目标[7]。然而，土木工程行业常常不是前沿传感技术的早期采用者。令人难以置信的是，尽管有许多成功的自动化监测案例，人工监测仍然在许多地下大型项目中发挥着主要作用。由于其监测值不准确，风险可能被高估，造成材料和劳动力的浪费，或被低估，导致工程灾害。另外，人工监控对结构状态的反馈不够及时，存在隐患。

面向未来，传感系统应该是高度精确、自动化和智能的[8]。幸运的是，人工智能和互联网时代的到来，给人们带来了一场快速而猛烈的革命。因此，本文重点介绍了各种新兴传感元件的研究和应用，这些传感元件可以达到“高精度、高自动化”的目的。这些案例代表了城市地下工程乃至土木工程监测的发展方向。为了更好地应用于各种工程，上述先进的传感系统需要尽快推广。

1 需要监测的内容

目前，先进的传感技术正蓬勃发展，如无人机、机器人传感器、无线传感器等，虽然这些技术都是最尖端的，但显然并不是所有的技术都能用于地下工程测量，同时也没有必要。因此，首先要明确地下工程测量的特点，了解需要测量的内容，然后有选择地介绍相应的适用技术。地下工程施工空间小，施工环境复杂，在这种条件下，许多技术难以实施如无人机技术。

毫无疑问，在地下工程乃至整个土木工程中，力和变形是施工监测的两个最基本的组成部分[9]。通常测力包括土压力、结构应力等，而变形测量包括地下结构变形、地表沉降、结构应变等，在测量中，变形测量比力测量更直接、更容易。此外，根据应力—应变曲线理论，变形与土和结构的内力有对应关系，即变形测量等于测力。在地下工程测量中，由于上述原因，变形占据了主要部分。同时，目前的先进技术几乎集中在变形传感领域，包括光纤传感、摄影测量、自动化监控系统等。因此选取这3项尖端技术进行介绍。

2 新兴的先进传感技术

2.1 光纤传感

近十年来，光纤传感是土木工程监测领域的一项绝对前沿技术[10]。由于其造价昂贵，布局复杂，难以推广，尤其是在地下工程复杂的施工过程中。然而，光纤传感具有自动化、准确度高、空间分辨率高等优点。长期来看，光纤传感将是未来城市地下工程监测技术发展的主要方向，对监测精度要求较高。

为了更好地利用光纤传感技术在工程中的应用，不仅要关注各种光纤传感的原理，还要对适合地下工程建设的光纤传感技术进行比较分析。本节总结了各种光纤传感的特点及其精度，对特殊需要的工程(如高精度要求)具有重要的参考意义[11-14]。

早期，工程师们已经开始测试基于光纤布拉格光栅(FBG)的传感器。光纤光栅传感器具有多路复用和准分布式功能，与以往的光纤传感技术相比具有独特的优势。其原理如图1所示。从2000年左右开始，FBG在土木工程中出现了许多常见的应用，包括监测历史建筑中关键部件的变形、监测桥梁中关键点的应变以及观察混凝土凝固过程中的行为。这些应用中的大多数都使用各种干涉仪传感器，其中大部分不能重复使用[15-16]。

图1 FBG传感器的测量原理

赖金星等[17]将FBG引入黄土隧道钢框架应变测量中。通过对光纤光栅传感器的标定，线性拟合后温度与应变的相关系数可达0.999。环境温度的变化引起布拉格波长的漂移，会直接影响应变监测结果的准确性。随着温度的降低，波长变化相应减小，而波长变化随温度的升高而逐渐增大，因此需进行必要的温度补偿。结果显示，基于应变现场监测的FBG传感器在黄土隧道中具有良好的环境适应性和性能稳定性。

FBG诚然比一般的传感器具有更加连续测量的特性，然而其只能算作准分布式测量。如今，分布式测量在纵向结构上(例如隧道、深大基坑)显示着越来越重要的作用，因为其可以显示出结构在纵向上的连续变形分布，以反映结构的整体变形特性。2000年初，另一种光纤传感技术分布式光纤传感技术应运而生，并在土木工程领域显示出巨大的潜力。这些技术主要用于测量整个光纤的应变或温度，并有助于改进各种施工工艺。与只关心某些关键点的应变计、热电偶和液位传感器不同，分布式光纤传感器可以在关键点之间提供更多信息，从而帮助工程师实现对整个应变范围、温度分布和其他参数的精确测量。散射和FBG使用不同的解调技术。散射技术通过对自然产生的拉曼、布里渊或瑞利后向散射信号进行解调，获得有用的数据。图2展示了分布式光纤传感的原理。

图2 分布式光纤传感器原理

拉曼、布里渊和瑞利散射都是分布式光纤的散射技术，它们可以覆盖数公里并提供完整的分布式信息。与FBG所采用的波分复用技术不同，散射技术是完全分布式的，这意味着它们可以获得整个光纤的数据，而不仅仅是几个关键点。一个完整的分布式光纤传感系统如图3所示。为了让现场测试人员快速清晰地了解拉曼、布里渊和瑞利这3种散射技术的特点，以便在实际工程中可以针对性地选取适宜的散射技术，将分布光纤中常用散射类型的优点、缺点及其运用领域进行总结，见表1[18-20]。

图3 光纤传感电缆和分析仪

表1 分布式光纤传感技术的特点

从表1可以看出，拉曼散射不适用于施工监测，因为它只能用于测量温度，而在施工监测中更重要的是应变数据的获取。对于瑞利散射，目前OTDR技术在光通信领域的应用已经非常成熟。然而，由于检测光脉冲宽度的限制，其空间分辨率和动态范围受到限制。动态范围大、空间分辨率高的应用领域难以满足，不适合高精度测量领域。OFDR技术弥补了上述不足，其具有超高的空间分辨率，非常适合高精度、高分辨率的测量。该技术可应用于温度和应变传感领域。在分布式温度应变测量中，空间分辨率可达1 mm，传感精度可达±1.0 με。然而，OFDR技术的测量距离较短，不能应用于大面积的地下空间。相比之下，布里渊散射具有高精度和长测量距离(因此许多先进的项目都是由BOTDR/BOTDA测量的)。尽管其系统复杂、测试时间长，但这是未来发展的方向。

在城市地下结构施工过程中，地面沉降的控制尤为重要。隧道开挖引起的地表位移的确定与监测是隧道设计与施工中的关键环节。A Klar等[21]通过对隧道上方水平铺设光纤的信息进行适当的优化和信号分析，介绍了分布式光纤技术如何应用于监测和定义地面位移模型。基于TBM隧道(直径3 m，深度18 m)和顶管水洞(直径1 m，深度6 m)，采用BOTDA和瑞利背散射波长干涉法获得应变。图4显示了由BOTDA(使用Omnisens-DITEST STA-R)和背散射瑞利(使用LUNA-OBR 4600)获得的纤维应变及其最佳拟合模型曲线。水平位移剖面是从整体应变以及拟合的高斯和修正的高斯模型中获得，如图5所示。光纤监测结果为经验沉降模型提供了更多的修正。同时，在本研究中，Omnisens的STA-R-BOTDA系统的理想精度为5 με，而背散射瑞利的理想精度为<1 με，其空间分辨率分别约为1 m和1 cm。有关该项目的更多详情见文献[21]。

图4 光纤技术所测应变及其最佳拟合模型

图5 OBR和BOTDA的综合应变和水平位移的最佳拟合模型

桩、地下连续墙和隧道衬砌是地下结构的重要组成部分。桩荷载试验对于了解桩的实际现场行为和确定相关岩土参数至关重要。沿着桩深获取信息的能力为研究真实的桩-土相互作用行为提供了更多的机会。图6(a)为一个位于道格斯岛处桩自平衡测试法的案例，该试验用分布式光纤传感器、应变计、位移传感器和伸长计进行了大量测试。图6(b)显示了分布光纤传感装置在伦敦黏土地下连续墙的示例。由纤维光学数据导出的横隔壁挠度与常规测斜方法和有限元计算结果吻合。图6(c)详细展示了光缆与隧道衬砌段的连接，该案例位于新加坡轨道交通环线3号线，在其施工期间通过BOTDR进行测试。这些案例的更多细节可以参考文献[22-23]。

图6 光纤在典型地下结构中的应用(单位：mm)

2.2 摄影测量法

在以往的土木工程监测中，施工现场的地表移动测量是用水准仪或全站仪进行常规测量的。最近，越来越多的工程采用先进的全球定位系统完成地形测量[24]。上述方法要求直接进入被测点，不允许在特定时间间隔内同时测量多个点，并要求经过培训人员收集测量结果并解释结果。在某些情况下，不可能进入被测点或停止施工过程以获取测量值，以记录特定的时间间隔或地面移动事件。遥感技术的巨大优势在于，在数据采集过程中不需要访问特定的点，在被监测区域内的整个表面都可以进行三维重建，并且利用冗余的观测数据进行重建，从而可以对被监测区域内的数据进行评估他的整体精准度。然而，使用激光扫描仪器采集数据仍然需要较高的初始成本，由于数据采集的扫描性质，即完成扫描所需的时间，因此无法对动态变形进行监测。作为地面激光扫描的替代方案，测距相机是一种主动成像系统，可用于变形监测[25-27]。

目前，在土木工程领域，摄影测量主要被分为无人机空中测量和近景测量两种方式。考虑地下空间的施工环境性，无人机在地下空间中很难运用。近景摄影测量主要与DIC(Digital Image Correlation)技术相关，其利用像素坐标计算目标位移十分简单。首先，进行全局坐标和相机中心坐标的转换：当已知外部(相机和目标的位置和方向)和内部(传感器和镜头的特性，如焦距)参数时，将图像中相机中心坐标转换为三维全局坐标。这项工作涉及矩阵变换的计算，详细的公式在相关文献中进行了说明。然后计算目标点的像素坐标差，如图7所示。它通过比较两幅数字图像并将这两幅图像中的大量小区域定位到高亚像素精度来计算增量位移场。尽管已有研究提出了双相机或多相机的摄影测量系统，但每台相机的内部算法原理仍然相同[28-30]。

图7 摄影测量坐标转换原理

在摄影测量中，测量目标点的跟踪识别才是最重要的步骤。只有对目标点有精准的识别，才能保证测量的准确。在地下工程中，经常需要对很多测点进行测量，这要求摄影测量系统在识别过程中能够准确地区分各点，而不产生混淆。为了达到此目的，通常采用图形场域分区的方法。由于地下工程乃至整个土木工程中的结构变形通常都十分微小，所以很容易保证在施工全周期，同一目标点始终处于同一个分区之中。因此，首先对摄影区域平面进行分区，保证每个分区内的目标点尽可能的少，能达到一个分区内仅一个目标点为最佳。在目标匹配中，在每个分区中分别进行像素搜索。传统的匹配方法是基于灰度值的相似度，这种方法虽然很成熟，但只能识别出相对简单的图形，对图形的分辨率要求很高。如今，神经网络技术带来了完全不同的识别模式。在正式识别之前，可以对大量子样本进行深入学习，以获得可靠的识别精度，这也是隧道变形摄影测量的一种可能实现的技术[31-32]。

2.3 自动监控系统

监控系统主要包含3个子系统和1个平台，即数据采集子系统、数据传输子系统、数据分析子系统和监控云平台。3个子系统各自承担采集、传输、分析处理的任务，而监控云平台主要进行结果展示、应急预案发布和数据联网，系统结构见图8。

图8 自动化监控系统结构

2.3.1 数据采集系统

数据采集系统的主要部件是各种类型的高精度自动传感器。目前这些传感器是构成自动监控系统的重要部分，它们能实现多种测试项目的传感采集，并且具有高精度、高集成度和无线智能传感等多项功能，使得地下传感网络逐渐实现自动化和智能化[33-35]。图9为智能监控系统中所使用的部分高精度传感器。

图9 高精度自动化传感器

数据采集的内容包括：位移、应力、应变等；监测对象主要有拱顶沉降、周边收敛、掌子面变形和钢拱架应力。可见，与传统的监测方法相比，这种新型监控系统的数据采集内容、对象并没有太大差别。然而，由于采用了自动传感器，使得监测效率大大提高，多源海量数据可以同时进行采集。

由于传统的方法较为耗时，不可能进行大量的数据采集，使得最后的变形曲线或应力曲线只能是散点图。而自动传感器可以进行实时数据采集，当数据量密集到一定程度的时候，将产生质变效应，形成基于大数据绘制的变形图和应力图。这将弥补散点图的诸多缺点，如图10所示。

图10 散点数据的缺陷

2.3.2 数据传输系统

不同于地面结构，监测数据在地下传输时，信号极差、空间狭小、环境复杂、受施工干扰大，因此数据传输的难度较大。

为保证地下结构大量监测数据的传输，该新型智能监控系统采用有线与无线传输相结合的方式，如图11所示。暗挖隧道中施工干扰大、空间狭小，采用无线传输的方式，以保证线路简洁。为解决地下信号差的问题，在隧道入口建立通信基站，同时在隧道中和通风竖井口架设无线中继器。

图11 地下结构监测数据传输示意

2.3.3 数据分析系统

数据分析系统主要由大型存储器和高性能处理器组成，以完成对海量数据的存储和运算。

数据分析为该智能监控系统的重点，基于采集系统形成的大数据群，可以采用不同于传统方式的数据分析方法。分析的步骤如下。

(1)数据的预处理：数据降噪、异常数据剔除、缺失数据补全、监测数据对位标定，形成规范化、标准化数据。

(2)特征值分析：从大量数据中提取关键的特征值。

(3)状态识别：将监测数据和各状态阈值进行对比，精准识别结构所处的状态。其中，进行状态识别时，采用多级阈值对各因素进行识别，并采用相应的应急预案处理，如图12所示。

图12 状态识别与应急预案示意

3 结论与展望

近十年来，在城市地下建筑中，由于连续结构变形控制需要非常严格。因此，首先应在城市地下建筑中应用更精确、更智能的技术，具体而言，一般包括两种地下开挖和露天开挖。本文介绍了3种传感技术：光纤、摄影和先进的自动监控系统。许多案例研究表明，这些传感技术不仅先进、自动，而且与地下工程的施工特点和监测目标相一致。

光纤传感最显著的优点是分布式测量：由于其高空间分辨率(cm级)，光纤测量相当于沿光纤的数百种传统应变计。它非常适用于基坑侧壁和隧道横截面的测量，可以获得连续变形，更好地了解结构的应力特性。光纤传感的另一个优点是数据的自动采集和传输，因此人们不需要进入施工现场来获得结构的实时应变。这也使得光纤可以用作建筑后结构健康测量的永久性辅助设施。布里渊散射是地下施工中的主要应变测量方法。目前，施工期光纤技术推广最需解决的问题是现场的安装和铺设，否则会导致较大的误差，且对施工现场的干扰极其敏感。同时，光纤传感不仅在施工阶段进行监测，还在结构全寿命周期进行结构健康监测，这也是未来智慧工程的重要部分。

摄影测量很好地满足了人们对变形测量的要求。同时，它具有高精度和自动化、布设方便、经济可靠的特点。然而，摄影方法需要良好的拍摄环境，例如当光线强烈且对比度高时，如地面沉降监测，坡度监测，其准确性高。相比之下，在低照度隧道中，照片较暗，对比度较低，不利于后续处理。目前，在其他行业已经有了大量的深度学习和机器学习算法可以用来进行目标特征识别与匹配。为了在地下工程中普及摄影测量技术，未来有必要进行算法优化的研究和改善地下工程施工环境，使其具有较高的亮度和监测目标特征。

对于自动监控系统，其核心技术是自动传感器和无线传感网络，前者已经发展到了较高的水平，在精度、能耗和数据传输方面都完全满足地下工程建设的需要。在无线传感网络方面，新兴的技术不断兴起，而地下工程以及整个土木工程往往远远落后于前沿技术。因此，在自动监控技术方面，未来需尽快进行全新的传感网络适配研究。