基于虚拟仪器技术的城市地下综合管廊施工监测系统设计

刘士李, 朱晓虎, 陈付雷, 方天睿

(国网安徽省电力有限公司,经济技术研究院，安徽,合肥 230007)

0 引言

城市地下综合管廊能够整合电力、排水、给水、广播电视、供暖、通信、燃气等管道，形成城市地下的一条公共通道，是城市基础设施的重要组成部分[1-3]。在地下综合管廊的施工过程中，地层条件与物理力学性质相对复杂，设计与施工方案会存在一些不足，需要利用一些监测手段对开挖后的管廊围岩、周边情况进行监测，保证及时地发现施工过程中出现的变形、位移以及沉降情况，积极改进施工工艺或参数，并以此来指导管廊支护结构的设计和施工，保证施工顺利进行[4-5]。传统的施工监测系统在大型施工现场中，对于管廊施工变形的监测精度较低，因此设计一种基于虚拟仪器技术的城市地下综合管廊施工监测系统。虚拟仪器技术是近年来基于计算技术发展起来的仪器测量、控制技术，该技术能够将计算机资源和仪器硬件的测量、控制、数据采集进行整合，完成数据的可视化与分析处理。

1 基于虚拟仪器技术的城市地下综合管廊施工监测系统设计

1.1 硬件设计

施工监测系统中的硬件是虚拟仪器的运行基础，为虚拟仪器的运行提供功能上的支持。本文设计的监测系统属于一种实时采集系统，需要多种硬件设备配合共同完成采集任务[6-7]。在实际施工的过程中，一些参数比较微小，但如果不重视这些细小参数的改变，有可能会造成严重的损失。这些参数会通过传感器转换为微弱的电信号，但这样微弱的电信号难以采样和保存，并且由于一些硬件的缺陷，导致数据存在各种误差，因此需要对得到的测量值进行放大和滤波处理[8-9]。利用放大电路作为桥梁，将其放大到能够适应采集卡的模拟输入量参考电压范围，并传输到采集卡中。本文采用的放大电路的类型为仪表放大器，结构如图1所示。

图1 仪表放大器结构

图1中，U2表示传感器的输出电压，测量电信号首先经过RC电路完成滤波，通过R5可以改变增益，A3会造成失调电流，从而引起温漂和输出失调，因此其周围运放的电阻大小需要完全匹配，R9的阻值尽量小一些，以此来抑制共模信号。仪表放大器将处理好的电信号传送至数据采集卡中，采集卡的板卡不同，其采样频率和成本也会有所不同，在进行硬件设计之前，需要确定采集卡的各项参数[10]，根据实际情况选择了M系列的USB-6210板卡，本文选择的数据采集卡参数如表1所示。

表1 数据采集卡性能参数

本文选择的板卡是新一代的多功能数据采集设备，其中集成了新一代的控制、方法和校准技术，能够提高精度和更多的I/O，经过A/D转换后的信号可以经过数据采集卡传输给计算机的虚拟仪器工作环境。

1.2 软件设计

1.2.1 设计数据编码结构

施工监测系统的监测种类比较多，监测的频率也比较高，系统中还具备多源数据的存储分析功能，导致了系统中的数据呈现量大、类型多而复杂的特点。为了保证能够方便快捷地获取监测数据中的信息，需要对数据进行编码。系统数据的编码主要包括项目编码和监测点编码，项目编码由项目名称和开始时间构成[11-13]；监测点编码主要分为洞内监测点编码、洞外监测点编码和倾斜监测点编码，这3种编码方式如图2所示。

(a)

图2中，图2(a)为洞内监测点编码，洞内监测点分为3段，首位字母表示监测点在断面上的位置，L代表左帮点，C代表拱顶点，R代表右帮点，虚线框内代表了断面里程，末尾数字代表断面的位置点号，图2(a)代表了K17+122断面左帮第一点；图2(b)表示洞外监测点编码，主要涉及到地表沉降以及邻近的建筑物沉降、倾斜等情况，首位字母为D时表示地表沉降，J表示建筑物沉降，虚线框内代表断面里程，最后的末尾数字表示点位编号，对地表沉降按中心为0，左奇右偶编号，对建构筑物沉降可顺序编号；图2(c)中首字母为T时表示顶部，B表示底部(图中未出现)，末尾数字表示点位编号，要求同一轴线编号一致，不同轴线按顺序编号。至此完成编码结构的设计。

1.2.2 计算预警参数

对城市地下综合管廊的施工进行监测，主要目标是保证施工的顺利进行，监测信息是基础，数据的分析是手段，最终目的是在施工产生偏差时能够实现险情预警。施工现场监测能够及时识别变形、判断变形，最后通过辅助措施来减少风险产生的损失[14-15]。因此预警算法在监测系统中的地位是显而易见的。要想预判风险，首先要计算施工载荷，根据《建筑施工模板安全技术规范》中各个材料的重度取值，计算综合管廊施工过程中混凝土对模板的侧压力,如式(1)，

(1)

式中，F代表施工中新浇铸混凝土对模板的侧压力，γc代表混凝土的单位重度，单位为kN/m3，V代表混凝土浇铸速度，单位为m/h，t0代表初步凝结时间，需要根据混凝土温度进行计算，本文取25 ℃，β1代表混凝土中缓凝剂的影响修正系数，β2代表混凝土坍落度影响系数。通过对荷载进行计算，在施工过程中对混凝土的浇铸参数有一个约束，从一定程度上能够防止位移变形。在设置报警值时，需要综合考虑质量经济因素，满足设计计算要求，宁小勿大，能够达到保护的目的。在实际报警时，设置预警值和报警值，达到预警值时，要在可能的情况下尽快采取措施，防止数据恶化，达到报警值时，说明数据已经处于危险状态，必须采取措施保证安全。周围管线发生变形时，可以将管线的曲率半径作为报警值，将管道视为弹性地基上的梁，需要按照弹性地梁的方法计算弯曲应力，如图3所示。

图3 弹性地基梁计算模型

如图3所示，当地层无下沉情况时，则有式(2),

q=KWp

(2)

式中,q为作用在管道上的压力，K为基床系数，Wp为管道位移，当地层出现下沉情况时，则有式(3),

q=KWp-KW

(3)

式中,W表示管道处地层沉降量，由此可以计算出管道的变形与曲率半径。根据允许的弯曲量，设置预警值和报警值。至此完成施工监测系统的设计。

2 系统实际应用

2.1 工程概况

本文选取某市的地下综合管廊建设工程，项目起自A道路，至B道路止。途径13条被交道路，该市的综合管廊建设工程主要包括综合管廊、管廊控制中心以及污水管线3部分内容。综合管廊全长7 740米，主要包含了电力、综合、热力、排水、燃气几个分舱，共分成3个标准断面，断面1与断面2均为5舱断面，断面3为4舱断面，断面1总长2 575.6 m，断面宽度为19.2 m，断面2总长3 209.4 m。断面3总长1 955 m，断面宽度为14.6 m。工程截面如图4所示。

图4 工程截面示意图

这个工程所处地貌为丘陵斜坡，地坪相对平缓，围岩为砂质泥岩，洞顶岩层为砂质泥岩夹砂岩薄层或透镜体，与现场工程监测相关的岩体力学参数如表2所示。

表2 岩体力学参数

综合管廊的洞身围岩级别为IV级，地下水状态为I级，根据上表的参数可知，地应力的条件与地质构造都相对简单，区内没有断层。

2.2 监测控制网的布设与施测

根据上述的工程基本概况，可以对城市地下综合网管廊的变形监测基准网布设进行合理设计，最终监测基准网布设结果如图5所示。

图5 监测基准网布设示意图

如图5所示，4个基准点(BS_1～BS_4)的位置构成了一个四边形，设置了两个施工控制点对BS_1、BS_2、BS_3监视，现场的布置如图6所示。

图6 工程测试现场布置图

在本文设计的监测基准网布设时，纳入了3个监测工作基点，方便监测与施工之间的联系，通过基准网进形观测、联测、获取工作基点坐标完成施测。为了验证本文设计的系统具有一定的有效性，将原有系统作为对照组进行对比试验。本文试验分别使用2个系统对该工程某段的支护拱顶沉降、支护净空收敛以及地表沉降进行监测，并将监测结果进行对比分析，除此之外，在实际应用过程中实时记录设计的系统所监测的混凝土对模板的侧压力以及弯曲应力变化数据，以此来计算分析预警参数，从而分析设计的系统监测的稳定性及有效性能，以实现监测目的。

2.3 监测结果与分析

在上述的实验条件下，分别于3个监测工作基点记录监测结果。在设计的硬件系统运作时，得到仪器放大器的性能参数如表3所示。

表3 仪器放大器性能参数

通过对比表3与表1分析得知，设计的硬件系统能够将仪器放大器处理后的电信号有效传输到采集卡中，以供计算机网络分析处理。

综上所述，该技术通过计算机资源和仪器硬件的测量、控制、数据采集进行电信号数据整合，记录该工程某段的混凝土对模板的侧压力、弯曲应力变化数据结果，此外，基于虚拟仪器技术得到支护拱顶沉降、支护净空收敛以及地表沉降数据的结果，对比如下。

2.3.1 计算混凝土对模板的侧压力结果

在上述的实验条件下，通过虚拟仪器技术计算得到混凝土对模板的侧压力结果显示如图7所示。

图7 混凝土对模板的侧压力结果

本实验中随机选取同时间段的60次监测数据进行结果分析，从上图可以看出，本文设计的系统软件能够通过采集卡所收集的电信号数据信息计算出混凝土对模板的侧压力，并且与实际测量值误差较小，由此可见，本文设计的系统软件在实际应用中具有一定的准确性。

2.3.2 计算弯曲应力变化数据结果

弯曲应力变化数据结果显示如图8所示。

图8 弯曲应力变化数据结果

通过对图中数据进行分析，本文设计的系统软件能够通过采集卡所收集的电信号数据信息计算出弯曲应力，本文系统软件的计算更加接近真实值，通过结果对比可知，本文设计的系统软件在实际应用中具有数据分析的准确性。

2.3.3 支护拱顶沉降监测实验结果与分析

2个系统的支护拱顶沉降监测结果显示如图9所示。

图9 拱顶沉降监测结果

本实验中随机选取同时间段的60次监测数据进行对比，通过对数据的分析，从图9可以粗略的看出，本文系统的监测值更加接近真实值。通过对监测数据进行详细计算可以得出，本文系统的60次监测数据与拱顶沉降的实际值平均误差为0.47 mm，原有系统的60次监测数据与拱顶沉降的实际值平均误差为0.89 mm。

2.3.4 支护净空收敛监测实验结果与分析

两系统的净空收敛监测结果如图10所示。

图10 支护净空收敛监测结果

本文系统的60次监测数据与支护净空收敛的实际值平均误差为0.247 mm，原有系统的60次监测数据与拱顶沉降的实际值平均误差为1.48 mm。

2.3.5 地表沉降监测实验结果与分析

2个系统的地表沉降监测结果如图11所示。

图11 地表沉降监测结果

本文系统的60次监测数据与地表沉降的实际值平均误差为0.29 mm，原有系统的60次监测数据与拱顶沉降的实际值平均误差为1.55 mm。

根据上面几组实验的监测结果可以看出，本文设计的基于虚拟仪器技术的监测系统能够有效输入监测数据，以实现监测目的，验证了本文系统在硬件设计方面具有良好性能；在混凝土对模板的侧压力以及弯曲应力的计算结果均约等同于实际测量值，验证了本文系统在软件设计方面具有一定的稳定性和准确性；在拱顶沉降、支护净空收敛以及地表沉降的监测误差均小于原有系统，验证了本文系统在监测方面具有更好的优越性能。

3 总结

本文设计的基于虚拟仪器技术的城市地下综合管廊施工监测系统采用先进的技术，硬件与软件之间的架构合理，通过硬件监测到的信息能够实现实时的传送，实现地下管廊施工过程中变形监测、管线监测的自动化和智能化。但是本文系统还有一些不足之处，在今后的研究中，可以以本文系统作为基础逐步建立预案、知识、标准数据库，实现城市地下综合管廊从设计、施工、运行一体化的监测管理。