灌浆工程自动监测技术进展与展望

贾宝良，罗 熠，张 慧， 郭 亮

(1.长江科学院 仪器及自动化研究所，武汉 430010； 2.武汉长江科创科技发展有限公司，武汉 430010)

1 研究背景

灌浆是将某些固化材料， 如水泥、 石灰或其他化学材料灌入基础下一定范围内的地基岩土中， 以填塞岩土中的裂缝和孔隙， 防止地基渗漏， 提高岩土整体性、 强度和刚度[1-4]。 在闸、 坝、 堤等挡水建筑物中， 常用灌浆法构筑地基防渗帷幕， 是水工建筑物的重要地基处理措施， 在大坝建设施工中发挥着极其重要作用。 灌浆按其作用可分为帷幕灌浆、 固结灌浆、 回填灌浆、 接触灌浆、 接缝灌浆、 补强灌浆和裂缝灌浆等； 按灌浆材料可分为水泥灌浆、 黏土灌浆、 沥青灌浆及化学材料灌浆等[5-8]。 灌浆结束后通常钻一定数量检查孔进行压水试验， 通过对比灌浆前后地层渗透系数和渗透流量的变化， 对灌浆施工资料和压水试验成果逐孔逐段分析， 再与其他试验观测资料综合评定才能得出质量评价结论。

灌浆流量数据是灌浆工程信息主要的载体，灌浆压力的过程控制与检测，浆液可灌性(水灰比、浆液密度)的控制等，是灌浆质量控制的重要措施。灌浆质量对工程建设意义重大，要确保现场灌浆过程中资料的真实性、完整性和可追溯性，工程技术人员需要及时了解地基情况、工程进展，尽快对测量记录数据进行查阅、分析和研究，因此对灌浆施工参数进行自动记录和系统监测是十分必要的。

20世纪70年代西方国家开始运用计算机对灌浆施工过程中的技术参数进行自动采集和记录，并规定不使用记录仪者不能参加灌浆工程的投标。20世纪80年代，我国从国外引进了灌浆记录仪。1992年长江科学院首创发明GJY-I型灌浆自动记录仪，在业界首次实现全自动记录灌浆压力和流量两参数。GJY-II型灌浆自动记录仪成功应用于辽宁观音阁水库灌浆施工，1995年通过水利部首次组织的技术鉴定，鉴定评价为技术性能指标达到国际领先水平，1996年GJY灌浆自动记录仪获水利部新产品推广证书。2000年我国灌浆规范要求在重要工程灌浆部位中使用灌浆自动记录仪，至此，灌浆自动记录仪的结构形式、记录格式和对灌浆流量、压力进行实时监测的工作模式基本确立，灌浆自动记录仪在全国逐步推广开来[9-14]。

随着网络通信、电子测量、嵌入式硬件、组态软件、远程控制等技术飞速发展，灌浆自动记录仪产品技术与性能快速进步。2002年首创在线式水泥浆液密度计。2003 年长江科学院在全国率先推出GJY-Ⅳ型三参数灌浆自动记录仪，可自动在线测量流量、压力、密度和水灰比，可打印灌浆参数并绘制压力和流量曲线。2011年成功推出GJY-7型网络化灌浆自动记录仪产品，以中央服务器和网络协调器为核心，以无线路由器为骨干单元，以施工面内每台灌浆自动记录仪为数据采集发送终端，通过特定的通信模式自组织为无线网络，全面监测廊道内的灌浆数据采集和发送。2012年再次通过水利部组织的行业鉴定，鉴定评价为技术性能指标达到国际领先水平。2014年长江科学院数字化灌浆自动记录仪研制成功，采用了全数字式灌浆自动记录仪主机，数字式压力、流量、密度和抬动传感器，灌浆数据在物联网的传输采用加密信号，避免了利用模拟信号进行人工干扰，增强了防御数据造假能力；记录仪主机采用数字化主从通信总线结构，在数据的多层采集过程中采用不同的传输协议，增加了数据的保密性。目前，搭载全新平台的GJY-8型机即将投入市场[15-19]。

随着灌浆自动记录仪技术的进步，长江科学院主持和参与制定了灌浆自动记录仪相关技术标准。2010年国家能源局发布了《灌浆记录仪技术导则》(DL/T 5237—2010)[20]，2012年水利部发布了《灌浆记录仪校验方法》(SL-509—2012)[21]，2019年国家能源局发布了《灌浆记录仪校验规程》(DL/T 5794—2019)[22]，2020年水利部发布了《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL/T 62—2020)[23]。长江科学院获批灌浆自动监测相关专利： “数字化灌浆记录仪无线监测系统”(专利号：CN204064341U、“数字化灌浆记录仪”(专利号：CN103941710A、“无线网络化灌浆记录仪” (专利号：CN202306805U)等[24-28]。在灌浆自动记录仪普遍应用的基础上，近些年来长江科学院运用了现代电子技术、物联网技术、现代通讯技术和大数据技术的最新成果，研制出了数字化灌浆监测系统，并与数字大坝技术和自动灌浆技术结合，向着智能化自动化方向发展[29-32]。

2 研究进展综述

2.1 灌浆自动记录仪技术进展

灌浆自动记录仪是通过压力传感器、流量传感器和密度传感器等信号装置，对灌浆施工作业的压力、注入率和浆液可灌性等参数进行自动检测、显示、记录、统计和打印的仪器装置。灌浆自动记录仪包括灌浆自动记录仪主机、传感装置和附属部分。灌浆自动记录仪主机通常由计算机、外围设备及相应的软件系统组成。外围设备包括数据采集和转化装置、显示装置、操作键盘或触摸屏、打印机等。传感装置通常由流量、压力和浆液密度等传感装置组成，根据工程需要还可增设抬动检测装置。附属部分主要由形成进浆通道和回浆通道以及连接传感装置的管路、阀门和线路等组成。传感装置将物理量信号转换为标准的4～20 mA电流信号，通过高可靠性屏蔽信号线传送到灌浆自动记录仪主机。灌浆自动记录仪配置了专用打印机，在灌浆过程中及灌浆结束后，可以在灌浆现场及时打印出灌浆记录报表。灌浆自动记录仪功能包括：实时自动连续测量、显示、记录、统计单孔或多孔灌浆作业的灌浆时间、注入浆量、注入率、灌浆压力、浆液密度，必要时可以增加检测记录抬动量等。灌浆自动记录仪适用于纯压式灌浆和循环式灌浆，也适用于多种水灰比的水泥浆液和压水试验。灌浆自动记录仪工作原理如图1所示。

图1 灌浆自动记录仪工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of automatic grouting recorder

灌浆自动记录仪真实采集存储灌浆原始数据，原始记录数据不可编辑或更改。每一灌浆孔段记录的基本数据如孔号、段次、段长等可键盘输入，对灌浆参数的采样频率通常为：灌浆压力和注入率不少于4次/s，浆液密度不少于1次/min。灌浆自动记录仪的成果是灌浆记录表，对每一段次的灌浆记录表予以存储，也可通过USB或通讯接口等转存到外部设备。最终归档保留的施工信息和数据记录应与现场即时打印的灌浆记录表保持一致。为使纸质材料长期保存，字迹清晰不褪色，多采用防尘耐用的针式喷墨打印机。近几年来，在现场环境条件较好的工地，采用了性能更优的激光打印机。后期形成标准化的灌浆记录表格，同时生成图像二维码，通过手机等设备扫描二维码可以获得灌浆统计信息，并可直接导入项目数据库，免除人工录入数据工作。灌浆自动记录仪还设有防伪验证码，验证资料真伪，保证数据的真实性。

作为一种精密的电子仪器，灌浆自动记录仪的工作环境是非常恶劣的。灌浆隧道或廊道中常有积水、污水、淋水，浆水漫溢，湿度高；空气不流畅，灰尘大；施工现场各种大功率机电设备密集，启停频繁，导致供电电压、频率不稳，电磁干扰严重。因此灌浆自动记录仪的硬件配置可靠性要求较高，软件设计要防止意外条件下的数据遗失。

灌浆自动记录仪作为量测仪器，在产品出厂前和工地现场使用前应进行校验。新仪器进场，新工程项目开工，或连续使用时间满6个月，经检修或调校以后，以及对仪器精度有疑问时均应进行校验。校验项目包括仪器外观与功能、清水流量、静态压力、水泥浆液密度和记录成果的正确性等。校验采用量值溯源比照的方式，所使用的比照计量器具均需经过有资质的计量部门检验。

2.2 数字化灌浆监测系统进展

近十年来，针对灌浆施工过程质量和进度难以用传统方法全面监测的问题，采用物联网和无线网络技术，将现场分散的灌浆自动记录仪数据发送到中央服务器，建立了数字化灌浆监测系统，实现了对灌浆参数的全面监测，为灌浆施工管理提供科学依据。数字化传输突破模拟信号的传统模式，提高了数据防伪能力；充分利用自组网络技术，在信号盲区进行局域网自组建，将分散的现场灌浆自动记录仪升级为网络化的灌浆监测系统。数字化灌浆监测系统具有灌浆数据实时监测、网络和手机同步报警、灌浆数据统计与分析等功能，使灌浆工程的质量监测工作实现自动化、数字化、高效化，是后期正确分析施工效果所需数据的可靠来源，对工程质量控制意义重大。数字化灌浆监测系统架构示意如图2所示。

图2 数字化灌浆监测系统架构示意图Fig.2 Structure of digital grouting monitoring system

数字化灌浆监测系统通常具备以下功能：实时监测、数据查询、数据统计、规范报表、图表生成、形象展示、异常预警、报表校验、上报审核系统、设计评审系统、异常信息处理、质量检查统计、材料核销统计、工程计量系统、系统数据对接、系统维护等。

数字化灌浆监测系统具有以下特点：

(1)利用数字化手段，采用数字加密和防伪编码识别的方式，避免了原有的模拟信号易被人工干扰的问题，保证了灌浆数据的真实采集与传输。针对电站工程灌浆施工作业面多且分散、移动频繁，难以实现集中统一管理的问题，通过物联网、4G/5G或WiFi等移动通信技术，将灌浆现场过程数据快速上传到指定的海量数据服务器，实现了集中统一管理。

(2)利用物联网技术，解决了“信息孤岛”问题。针对部分工程在地下廊道、洞室等没有手机信号覆盖的条件下，采用Zigbee物联网自组网技术，将各部位的多台灌浆自动记录仪组成无线局域网，将数据传输到有公网信号覆盖的部位集中上传到系统服务器，使参建工程各方数据共享。

(3)采用大数据算法进行异常信息预警。以实时采集的数据为样本，利用控制图法判别灌浆压力、灌浆流量、抬动位移量等参数动态，根据样本数据形成的样本点位置以及变化趋势进行分析，判断灌浆压力或灌浆流量等是否处于合理状态，及时发出预警信号，使灌浆施工随时处于受控状态。

(4)利用大数据、云计算技术，实现了对工程全过程灌浆数据自动统计和分析。通过网络数字化系统，将灌浆施工过程数据集中管理，形成海量数据库，根据行业标准和施工规范，将灌浆数据标准化，为施工过程分析、施工质量评估、施工进程跟踪、施工模型展现等提供数据支撑。

3 下阶段研究展望

3.1 智能化灌浆自动记录仪研究

为满足智能化灌浆施工技术和监测技术的要求，研制新一代灌浆自动记录仪。长江科学院正在研制的GJY-8型智能化灌浆自动记录仪，采用全新硬件技术架构，集成模块化设计，主机设置触摸屏和采集板，触摸屏带有多种外部硬件接口，后期能够快速进行功能扩展，例如增设指纹识别、人脸识别功能等。采集板用于采集传感器信号，预留多种数据接口，后期可以对硬件功能进行扩展，并带有硬件看门狗功能。灌浆自动记录仪程序采用上位机语言，结构化模式，数据存储采用数据库方式，网络数据实时与服务器交互，在系统网络通信故障时，数据实时存储在数据库中，网络恢复后可以进行数据补齐操作，确保现场灌浆数据与网络数据的一致性和完整性，具有现场打印和无纸化网络报表功能。现场主机资料亦可不打印，在有网络的地方直接上传，在无网络的地方，可通过其他方式将存储的电子资料进行备份。灌浆自动记录仪具有远程维护和升级功能，可以有效减少售后人员的现场维护时间，降低工程成本。

3.2 灌浆全过程智慧监控云平台技术研究

为了对灌浆全过程进行智能监测，研究灌浆全过程智能监测云平台技术。灌浆全过程智能监测云平台包括灌浆信息智能感知，灌浆数据自动采集、灌浆过程优化控制，灌浆效果智能分析、灌浆成果动态展示、智能灌浆系统运行维护等。灌浆全过程智能监测云平台技术示意图如图3所示。

图3 灌浆全过程智能监测云平台示意图Fig.3 Intelligent monitoring platform for the wholeprocess of grouting

采用分布式传感器技术、自主通信网络、大数据存储、云计算技术等，通过灌浆工程三维模型的建立与动态分析、灌浆过程智能分析与反馈控制、灌浆效果智能分析与评价，对灌浆全过程进行智能监测，实现灌浆施工的规范化。灌浆全过程智能监测云平台技术系统框架如图4所示。

图4 灌浆全过程智能监测云平台系统框架Fig.4 Framework of intelligent grouting monitoringsystem

灌浆全过程智能监测云平台技术研究包括智能分析、智能传输、数字灌浆、三维展示等关键技术，覆盖了灌浆全过程，包括灌前、灌中、灌后，智能全面感知、智能过程控制、智能数据分析、智能成果应用。结合服务云平台、施工大数据深度挖掘，为建设管理单位提供有力的管理抓手，帮助灌浆工程师进行科学智能决策。 利用数偶原理和定位技术，建立灌浆资料时间和空间的联系，时间上管理施工进度施工分序，空间上管理设备分布、作业面工作等情况。通过时间序对灌浆数据进行格式化，动态展示工程的施工进度和工程量统计，建立以时间为序、设备定位信息为坐标的时空信息数偶，以密度分布方式统计灌浆施工强度、设备使用强度，为施工决策提供数据支撑。

3.3 灌浆在线监测数据防伪系统研究

灌浆数据造假问题，长期以来困扰着工程建设各相关单位，已成为灌浆行业关注的焦点问题。灌浆数据造假行为主要有偷换传感器、篡改仪器运行参数、设置数据波动范围、绕过仪器直接产生数据等几个方面。灌浆施工数据量多、面广，针对各种隐蔽性的数据造假，单纯靠人工核查数据不现实。在加大监管力度、改革招标方式的基础上，可以依靠科技手段加强监测监管能力，增加数据造假难度。灌浆在线监测数据防伪分析系统依托大数据采集平台、存储平台、分析平台和应用平台，利用数据处理分析生态链，结合经验算法和数据模型，实现对灌浆数据的在线监测和反造假智能识别，为灌浆质量监测提供精准的方向和科学依据。

灌浆施工现场加装视频监测系统，是有效防止人为干扰监测数据的方法之一，相当于给数据监测增加守护者。在各灌浆区域建立全覆盖、无死角的视频监测系统，对灌浆现场进行24小时监测。利用智能视频技术和视频分析算法，实现异常人员靠近报警，自动抓拍图片，与灌浆监测系统数据进行比对，实现趋势匹配核验。对故障、异常情况报警，并自动抓拍，智能判断数据是否处于正常合理区间。建立不同项目自动监测大数据分析模型和风险控制算法模型，综合自动监测数据、仪器运行和状态数据等，建立灌浆自动监测大数据分析评价体系。系统利用特征抽取、机器学习等方法，从超限、波动、箱体、零值和工况等多个方面，实现灌浆自动监测评估判断和报警，对灌浆数据自动监测和智能分析。利用灌浆画像技术，通过数据间的逻辑、不同时空的交叉印证，对灌浆数据的真实性进行甄别，为点穴式、预判式监管提供支撑，减少盲目的地毯式监管，将有限的监管力量集中到有针对性的工作中去，提高精准度的同时提升监管质量。

3.4 基于BIM+GIS技术的灌浆监测系统

BIM是建筑信息模型，以三维模型为载体，集建筑物在全生命周期中的各个阶段的工程信息、过程以及资源于一体；GIS是面向地理空间信息的技术，具有强大的三维可视化能力以及空间查询分析能力，可以弥补BIM对周围环境宏观处理以及可视化能力的不足。BIM+GIS分层管理系统注重灌浆全生命周期活动，使人和环境因素结合，反映了什么人，在什么时间，在哪儿，做了多少工作，在什么条件下进行，实现了基于过程的数据追溯。BIM+GIS将原本静态、孤立的信息放到时空的维度上去审视，提供了一个新的视角，让数据活起来。区块链是共享数据库，通过数字签名、加密算法、分布式存储等方式，保证了任何一方都不能单方面篡改数据，并声称自己的数据是可信的，任何一方的数据丢失或损毁都能够从其他方那里快速恢复。区块链技术这种可溯源、不可篡改的特点保证了参与方必须对自己操作的信息负责，因为所有参与方都能实现信息透明。利用区块链技术的这些特点，将其应用于灌浆数据管理中，将每一条灌浆数据进行规范化编码，并将其植入BIM+GIS中，形成灌浆构筑物全生命周期的信息资源。对灌浆工程质量进行科学监测，反向督促业主方、设计方、施工方、监理方、材料方及设备方等必须恪尽职守，责任到人，进而更好的保证灌浆工程的质量。

4 结 语

随着计算机、物联网、大数据、云计算和区块链等技术的不断发展，灌浆自动监测技术也将不断创新，为满足智能设计和智能建造技术发展的需要，智能化灌浆自动记录仪将在可靠性、可扩展性和技术先进性方面实现突破，以确保数据的真实性和完整性。而灌浆全过程智能监测云平台的推出，强化灌浆质量控制与分析，解决虚假灌浆数据问题，为灌浆施工监测管理提供科学依据；为隐蔽工程提供了可靠监测手段，有利于保障水电工程安全和工程质量，降低工程成本，提高工程建设管理信息化水平。