某市中心城区综合管廊项目结构安全监测系统应用研究

杨 勇，张 坚，何 钦，杨 昊

（1、广东省建设工程质量安全检测总站有限公司 广州510500；2、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

随着城市化进程的推进，现代化、科技化、集约化成为城市发展的新趋势，传统的市政公共管线埋设方式已经与现代城市的发展需求不适应，经过多年的发展越来越多的人们认识到城市综合管廊是城市建设发展的内在需要，其对土地资源的充分利用在缓解城市压力等方面发挥着重大的作用［1-3］。自2014 年6 月国务院办公厅下发《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》以来，全国近百个城市启动了综合管廊的建设，城市综合管廊相关难题相继被攻克。刘军［4］论证了光纤光栅无源传感技术在综合管廊结构监测系统中应用的可行性及应用前景；齐荑彭［5］通过采用传感器系统集成的方式实现对城市综合管廊环境参数的实时、动态监制；针对综合管廊的沉降监测问题，李吉等人［6-8］采用不同的测量方式进行了探索。然而，目前大部分关于安全监控系统的研究较为零散，缺少系统性的分析。

1 工程实例

1.1 工程概况

广州市某地下综合管廊（沿轨道交通十一号线）主线工程线路走向如图1 所示，沿新滘路、科韵路........，之后返回至新滘路，形成闭合的环。线路全部采用地下敷设的方式，全线共设45 座地面井，地面井之间的平均井间距为0.98 km。

42#～43#区间采用盾构法施工，区间沿东南方向行进到达新滘路，然后沿新滘路北侧继续东行，区间周边建筑物较多，主要包括：新滘路南西段广州大道立交主线道及H 匝道、电力隧道、人行天桥、地铁3 号线大塘站等。区间最大线路纵坡3.98%，最小纵坡0.3%，最小竖曲线半径2 000 m，区间最小平曲线半径R=250 m。区 间 起 始 里 程DK40+527.591～DK41+910.850，长1 384.691 m；区间埋深约7.37～24.54 m。

1.2 监测内容

建设中的广州地铁11 号线上涌公园站、大塘站基坑等位于42#～43#区间周边，11号线上涌公园站～大塘站区间下穿42#～43#区间管廊，在广州地铁11 号线施工过程中基坑的开挖和盾构的推进，都将对42#～43#区间管廊周围环境产生较大的影响，造成管廊结构的隆起或沉降，威胁地下综合管廊结构的运营安全。

图1 地下综合管廊工程平面位置Fig.1 Plan Position of the Underground Comprehensive Pipe Gallery Project

为及时掌握周边影响范围工程施工期间对管廊结构安全的影响，应业主单位要求针对管廊结构安全监测特征，建立了城市综合管廊结构安全监测系统，采用自动化、实时化测量手段加强对管廊42#～43#区间的运营安全监测，具体监测参数及方法如表1所示。

表1 监测参数及方法Tab.1 Monitoring Parameters and Methods

1.3 监测结果

本项目自2020 年6 月开始进行监测，在周边工程的施工期间各监测参数数据均在设计允许的控制范围内，管廊结构整体安全可控。其主要结构变形数据如图2～图4所示。

2 城市综合管廊结构安全监测系统的应用分析

城市综合管廊安全监管可以大致划分为结构安全监测、环境监测等，针对管廊环境安全方面的研究已取得诸多成果，如李双凤等人［9］从综合管廊主体的结构特征、分舱原则出发，分析了综合管廊内各入廊专业管线的运行特点、安全隐患及相互影响；童丽闺等人［10］运用物联网、地理信息系统等技术，研究地下综合管廊环境监测系统，实现了管廊环境监测和预警。

文章立足于管廊结构安全监测技术，对城市综合管廊结构安全监测系统功能进行研究。根据广州市某地下综合管廊结构特征设计的城市综合管廊结构安全监测系统，包括数据终端监测元器件的布设、数据传输及平台的计算分析等功能模块，结合应用效果，系统应用优势如下：

2.1 自由分组功能

综合管廊结构作为一个整体的结构，单个测点的变形往往并不能很好地反映其整体变形趋势，这时就需要对监测数据进行分组，通过不同结构特征点的组合对多空间维度的数据进行挖掘分析，在实际的功能实现上主要通过对多测点的不同组合来实现。以42#～43#区间的结构监测为例，如研究隧道断面尺寸变化，则需提取同一监测断面三维变形数据（断面测点布设如图5 所示），如D1-1～D1-3；如研究隧道结构的侧向变形特征，则需要提取结构监测断面拱腰部位的测点数据，分析时选取拱腰位置D-1、D-2垂直于结构走向的位移数据进行分组；如研究隧道结构的线性变形特征，则需要提取更能反映结构线性变化的特征点数据，选取拱顶位置D-3沉降数据进行分组分析。

如图6 所示，选取拱腰位置的D1-1～D3-1、D1-2～D3-2测点，提取其垂直于结构走向的位移数据进行时序曲线的编辑，通过图2 和图6 的对比可以明显发现，拱腰各测点存在一定变形趋势且发展趋势相对同步，结合42#～43#区间周边施工情况和变形控制阈值，可以认为周边基坑施工阶段对管廊结构产生影响，但整体变形控制在有限范围内。

2.2 数据多维度曲线分析功能

图2 横向方向水平位移累计值时序曲线Fig.2 Time Series Curve of Cumulative Horizontal Displacement in Transverse Direction

图3 竖向位移累计值时间变化曲线Fig.3 Time Variation Curve of Cumulative Vertical Displacement

图4 结构相对收敛累计值时间变化曲线Fig.4 Time Variation Curve of Cumulative Value of Relative Convergence of Structure

图5 断面测点布置Fig.5 Layout of Section Measuring Points

监测是安全管控过程中的重要监督手段，在实际的监管过程中往往并不缺少数据来源，缺乏的是对数据的有效分析。时序曲线作为数据分析的一种常规手段，它脱离了结构的空间特征，孤立在时间轴的变化上分析测点的变形。高精密测量过程中这种方法还易受到无法避免的系统误差影响和环境干扰，很难发现结构变形存在着特征差异。如图3在时序曲线分析图上表象为监测点的起伏波动，根据图3 很难分析出有效的结论。

当结合点组的功能，以不同空间位置的测点为导向进行分析时，我们可以得到纵向空间测点沉降变化～断面曲线，如图7 所示。从图7 中可以发现，D1 断面数据相对收敛，D2、D3 断面相对发散，直观表征在结构的安全性上就是D1 断面更加稳定。时空序列曲线图将所有监测点的时间维度进行统一，通过对同一时间维度不同位置的监测点进行分析，可以一定程度上排除外界环境对监测结果准确性的影响，当采用传感器进行自动化测量时，温度等环境的变化对观测结果的影响更为显著，通过时空序列曲线图的对比分析能更好地判断结构的安全。

图6 拱腰位置横向水平位移累计值时序曲线Fig.6 Time Series of Cumulative Horizontal Displacement of Arch Waist

图7 纵向空间测点沉降变化～断面曲线Fig.7 Settlement Change of Longitudinal Space Measuring Point ～Section Curve

2.3 分段管理机制

管廊多为线状结构，作为一个整体在表观上它具有很强的一致性，但是考虑到沿线周边影响区地质结构、建构筑物等差异，在管廊的安全管理过程中需对其进行精细化管理。对不同区域的管廊结构进行区段划分，并对每个区段进行相应的风险识别、安全评估是管廊结构精细化管廊的有效手段。

在管廊结构安全监测过程中，不能随便根据某一测点、参数的变形情况或某一区段的结构状况判断管廊线路的整体安全性，也不能采用统一的标准对管廊结构的安全情况进行判断。需根据管廊结构特征，对管廊结构进行有效的区段划分，在划分区段时可参考管廊沿线区域的地质特征、地表建构筑物、重要交通运输线路或内部入廊管线的不同设立。然后根据不同的区段特征设定分级设立安全报警阈值（见图8），制定处置机制，及时响应、精准识别。

图8 分区、分级预警设置界面Fig.8 Partition and Level Warning Setting Interface

3 激光测量技术在城市综合管廊变形监测中的应用拓展

激光测距技术经过多年的发展，产品已经实现市场化，相关的应用研究也涉及各行各业，如宋潇等人［11］通过激光测量技术实现对施工隧道围岩周边收敛及拱顶沉降的监控量测，马广生等人［12］将激光监测应用于深基坑变形观测中。激光测量技术作为光电测量技术的发展，其与全站仪、水准仪等光学测量仪器有着共同的通病，测量过程中仪器与监测点之间必须保持通视和环境的相对稳定。由于存在环境的干扰，激光测量技术很难在地铁隧道、深基坑等工程环境推广应用。在城市综合管廊的运营过程中，管廊内部相对封闭稳定，为激光测量技术的应用提供了环境，本文重点对激光测量技术在管廊结构变形中的拓展应用进行研究分析。

3.1 基于靶标的激光测量技术

在传统激光测量技术的基础上，本项目对传统的激光测量技术进行了应用改进，在传统激光测距基础上增设目标二维靶标，通过安置在监测点的二维靶标，可将激光在靶标上的位置信息转换为可识别的位移变化，结合激光束测距技术与靶标对激光的感应，即可测量监测目标的三维位移，其工作原理如图9所示。

图9 激光三维测量工作原理Fig.9 Working Principle of Laser 3D Measurement

42#～43#区间位于广州地铁11号线上涌公园站施工影响区域范围内，为监控11号线上涌公园站施工对42#～43#区间的影响，在变形区域范围内按10 m 间距进行监测断面布设。通过激光测距仪与靶标的组网实现变形区域的三维位移监测，组网过程如图10所示。

图10 激光三维测量组网流程Fig.10 Networking Process of Laser 3D Measurement

⑴步骤一：对监测区域进行断面划分，根据图5沿管廊结构方向设置3条监测线路D-1、D-2、D-3，如图11所示。

图11 激光三维测量组网Fig.11 Laser 3D Measurement Network

⑵ 步骤二：将激光测量仪与靶标固定在同一安装平台，然后在每个监测断面沿监测线路于拱腰、拱顶位置安装激光测量仪与靶标。

⑶ 步骤三：激光测量仪与靶标安装完成后测试调整激光测距仪与靶标的位置，保证线路上激光测距仪与靶标的通视，完成后即激光测距仪与靶标三条线路组网完成。

激光测量仪与靶标（以下简称三维激光位移计）组网完成后其测量原理如下：

⑴步骤一：三维激光位移计工作基点，其激光发送端安装在远离变形区域的稳固处，在测量过程中默认为固定点，工作基点处三维激光位移计发射激光至三维激光位移计1，测量两点间的距离x1；

⑵ 步骤二：三维激光位移计1 的靶标接收固定发射端激光信号，读数（y1，z1），并通过激光测距仪测量与下一个三维激光位移计靶标的距离x2；

⑶步骤三：重复上述过程，即可完成线路的测量。

上述测量方法是基于激光测量原理的改进，测量过程中三维激光位移计1.....都位于变形区域，在管廊结构运营过程中都有可能存在变形。因此，线路测量完成后需基于工作基点对观测结果进行计算修正，过程如下：

⑴ 步骤一：监测工作开始前对线路进行初始值采集并初始化，完成后各测点三维位移数据为（0，0，0）；

⑵步骤二：当管廊结构发生形变，对应断面的三维激光位移计监测数据记为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）……；

⑶ 步骤三：管廊结构的实际形变量需根据测量数据逐一进行修正，三维激光位移计1 的测值基于工作基点测量所得，（x1，y1，z1）与其实际变形一致。从第二个监测断面开始，在计算管廊结构的实际变形情况时需对上一个激光测距仪位置进行修正，如三维激光位移计2实际位移量为（X2，Y2，Z2），则有：

X2=x1+x2，Y2=y1+y2，Z2=z1+z2；

依次类推各测点坐标公式：

⑷步骤四：为实现对三维激光组网测量精度的有效判断，可在首末段增设靶标和激光传感器，实现监测网的闭合，闭合网型如图12所示。假设固定发射端坐标为（0，0，0），根据式⑴可计算固定发射端对应靶标的位移为Xn+1=x1+x2+…+xn+1，Yn+1=y1+y2+…+yn+1，Zn+1=z1+z2+…+zn+1。理论上Xn+1=Yn+1=Zn+1=0，但在实际的测量过程中总是存在测量误差，闭合组型的构成为测量系统的精度提供了判别依据，有利于提升激光测量系统的整体稳定性，有助于激光测量技术的推广应用。

图12 激光三维测量闭合网组网Fig.12 Laser 3D Measurement Closed Network

3.2 基于激光测量技术的断面测量方法

42#～43#管廊区间采用盾构施工方法，断面尺寸是其结构安全的一个重要参数，传统的断面尺寸测量多采用全站仪设站测量，自动化程度不高，为实现断面尺寸的自动化实时测量，本工程基于激光测量技术原理，对激光测距仪进行改造组装。每组断面测量激光测距仪组由11 个发射端组成，激光发射端按照固定的15°角固定在同一个平面，激光组工作时可实时同步测量隧道断面至O 点距离，激光测距仪改造组装结果如图13a所示。

激光断面测量具体实现过程如下：

⑴步骤一：通过人工测量方案对断面尺寸进行复核，确认断面圆形Y分别至O、A、B、C.......点距离；

⑵步骤二：安装断面激光测量仪组之后（见图13b），采取OA、OB........等11 组数据初始值，并通过三角函数计算OA、OB........等11 条收敛线与断面之间的夹角，计算公式如下：∠BOY=arccos（OB/2OY），∠COY=arccos（OC/2OY），且∠BOY＋∠COY=15°。

图13 激光断面测量工作原理及计算Fig.13 Working Principle of Laser Section Measurement

⑶步骤三：后期运营过程中一旦隧道断面尺寸发生变形，则对应的收敛线OA、OB........等将发生变化，测量基点O 的变形可通过激光靶标组网测量修正。因为激光测量仪之间夹角固定，微量的变形产生的角度变化在计算过程中不予考虑，计算公式如下：

YB=OB/（2cos∠BOY）；

42#～43#区间管廊结构安全监测对激光测量技术的应用，充分利用了管廊的结构特征，在狭长空间实现对管廊结构空间变形的自动化观测。通过二维标靶与激光测距仪的组合实现对结构三维变形的组合测量，结合闭合组网测量方法进一步提高系统的整体测量精度；通过对调整激光测距仪的安装组合，更进一步实现对断面尺寸等参数的实时观测，达到一器多用的目的，有助于实现管廊结构安全监测作业的规模化、自动化、降低数据采集端口的运维难度和成本。

4 结论

城市综合管廊作为现代化城市的象征，作为城市市政公用管线集约化、科学化和综合化的先进铺设方式，城市地下综合管廊已经成为城市现代化发展的必然选择。城市地下综合管廊在大力发展的同时更应该重视对其安全运营的监管，本文结合工程实例对城市综合管廊结构安全监测系统的功能应用进行了论述，通过对比分析验证系统分组功能和数据多维度曲线分析功能的优点；并就激光测量技术在管廊结构安全监测中的应用场景进行了研究，通过对激光测量技术的改进实现了对管廊结构三维变形、断面尺寸等参数的自动化、实时化监测；结合管廊结构特征提出的分段管理机制，对城市综合管廊的安全管理具有一定的参考意义。

城市综合管廊结构安全监测系统基于运营管廊构建，缺乏对管廊结构内部力学变化的监控手段，本工程采用表面应力测量方式进行补充，但是在精准度上很难达到定量分析的要求，希望从规划设计层面强化管廊结构安全监控，在管廊工程建设过程中开展结构安全监控，实现管廊全生命周期的安全监管。