劉士李, 朱曉虎, 陳付雷, 方天睿

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司,經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，安徽,合肥 230007)

0 引言

城市地下綜合管廊能夠整合電力、排水、給水、廣播電視、供暖、通信、燃?xì)獾裙艿?，形成城市地下的一條公共通道，是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[1-3]。在地下綜合管廊的施工過程中，地層條件與物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)與施工方案會(huì)存在一些不足，需要利用一些監(jiān)測手段對(duì)開挖后的管廊圍巖、周邊情況進(jìn)行監(jiān)測，保證及時(shí)地發(fā)現(xiàn)施工過程中出現(xiàn)的變形、位移以及沉降情況，積極改進(jìn)施工工藝或參數(shù)，并以此來指導(dǎo)管廊支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工，保證施工順利進(jìn)行[4-5]。傳統(tǒng)的施工監(jiān)測系統(tǒng)在大型施工現(xiàn)場中，對(duì)于管廊施工變形的監(jiān)測精度較低，因此設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器技術(shù)的城市地下綜合管廊施工監(jiān)測系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是近年來基于計(jì)算技術(shù)發(fā)展起來的儀器測量、控制技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測量、控制、數(shù)據(jù)采集進(jìn)行整合，完成數(shù)據(jù)的可視化與分析處理。

1 基于虛擬儀器技術(shù)的城市地下綜合管廊施工監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

施工監(jiān)測系統(tǒng)中的硬件是虛擬儀器的運(yùn)行基礎(chǔ)，為虛擬儀器的運(yùn)行提供功能上的支持。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)屬于一種實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，需要多種硬件設(shè)備配合共同完成采集任務(wù)[6-7]。在實(shí)際施工的過程中，一些參數(shù)比較微小，但如果不重視這些細(xì)小參數(shù)的改變，有可能會(huì)造成嚴(yán)重的損失。這些參數(shù)會(huì)通過傳感器轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)，但這樣微弱的電信號(hào)難以采樣和保存，并且由于一些硬件的缺陷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在各種誤差，因此需要對(duì)得到的測量值進(jìn)行放大和濾波處理[8-9]。利用放大電路作為橋梁，將其放大到能夠適應(yīng)采集卡的模擬輸入量參考電壓范圍，并傳輸?shù)讲杉ㄖ?。本文采用的放大電路的類型為儀表放大器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儀表放大器結(jié)構(gòu)

圖1中，U2表示傳感器的輸出電壓，測量電信號(hào)首先經(jīng)過RC電路完成濾波，通過R5可以改變?cè)鲆?，A3會(huì)造成失調(diào)電流，從而引起溫漂和輸出失調(diào)，因此其周圍運(yùn)放的電阻大小需要完全匹配，R9的阻值盡量小一些，以此來抑制共模信號(hào)。儀表放大器將處理好的電信號(hào)傳送至數(shù)據(jù)采集卡中，采集卡的板卡不同，其采樣頻率和成本也會(huì)有所不同，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)之前，需要確定采集卡的各項(xiàng)參數(shù)[10]，根據(jù)實(shí)際情況選擇了M系列的USB-6210板卡，本文選擇的數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)

本文選擇的板卡是新一代的多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其中集成了新一代的控制、方法和校準(zhǔn)技術(shù)，能夠提高精度和更多的I/O，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的信號(hào)可以經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)的虛擬儀器工作環(huán)境。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)

施工監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測種類比較多，監(jiān)測的頻率也比較高，系統(tǒng)中還具備多源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析功能，導(dǎo)致了系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)量大、類型多而復(fù)雜的特點(diǎn)。為了保證能夠方便快捷地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)中的信息，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的編碼主要包括項(xiàng)目編碼和監(jiān)測點(diǎn)編碼，項(xiàng)目編碼由項(xiàng)目名稱和開始時(shí)間構(gòu)成[11-13]；監(jiān)測點(diǎn)編碼主要分為洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)編碼、洞外監(jiān)測點(diǎn)編碼和傾斜監(jiān)測點(diǎn)編碼，這3種編碼方式如圖2所示。

(a)

圖2中，圖2(a)為洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)編碼，洞內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)分為3段，首位字母表示監(jiān)測點(diǎn)在斷面上的位置，L代表左幫點(diǎn)，C代表拱頂點(diǎn)，R代表右?guī)忘c(diǎn)，虛線框內(nèi)代表了斷面里程，末尾數(shù)字代表斷面的位置點(diǎn)號(hào)，圖2(a)代表了K17+122斷面左幫第一點(diǎn)；圖2(b)表示洞外監(jiān)測點(diǎn)編碼，主要涉及到地表沉降以及鄰近的建筑物沉降、傾斜等情況，首位字母為D時(shí)表示地表沉降，J表示建筑物沉降，虛線框內(nèi)代表斷面里程，最后的末尾數(shù)字表示點(diǎn)位編號(hào)，對(duì)地表沉降按中心為0，左奇右偶編號(hào)，對(duì)建構(gòu)筑物沉降可順序編號(hào)；圖2(c)中首字母為T時(shí)表示頂部，B表示底部(圖中未出現(xiàn))，末尾數(shù)字表示點(diǎn)位編號(hào)，要求同一軸線編號(hào)一致，不同軸線按順序編號(hào)。至此完成編碼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.2.2 計(jì)算預(yù)警參數(shù)

對(duì)城市地下綜合管廊的施工進(jìn)行監(jiān)測，主要目標(biāo)是保證施工的順利進(jìn)行，監(jiān)測信息是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的分析是手段，最終目的是在施工產(chǎn)生偏差時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)險(xiǎn)情預(yù)警。施工現(xiàn)場監(jiān)測能夠及時(shí)識(shí)別變形、判斷變形，最后通過輔助措施來減少風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的損失[14-15]。因此預(yù)警算法在監(jiān)測系統(tǒng)中的地位是顯而易見的。要想預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，首先要計(jì)算施工載荷，根據(jù)《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》中各個(gè)材料的重度取值，計(jì)算綜合管廊施工過程中混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力,如式(1)，

(1)

式中，F(xiàn)代表施工中新澆鑄混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，γc代表混凝土的單位重度，單位為kN/m3，V代表混凝土澆鑄速度，單位為m/h，t0代表初步凝結(jié)時(shí)間，需要根據(jù)混凝土溫度進(jìn)行計(jì)算，本文取25 ℃，β1代表混凝土中緩凝劑的影響修正系數(shù)，β2代表混凝土坍落度影響系數(shù)。通過對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算，在施工過程中對(duì)混凝土的澆鑄參數(shù)有一個(gè)約束，從一定程度上能夠防止位移變形。在設(shè)置報(bào)警值時(shí)，需要綜合考慮質(zhì)量經(jīng)濟(jì)因素，滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求，寧小勿大，能夠達(dá)到保護(hù)的目的。在實(shí)際報(bào)警時(shí)，設(shè)置預(yù)警值和報(bào)警值，達(dá)到預(yù)警值時(shí)，要在可能的情況下盡快采取措施，防止數(shù)據(jù)惡化，達(dá)到報(bào)警值時(shí)，說明數(shù)據(jù)已經(jīng)處于危險(xiǎn)狀態(tài)，必須采取措施保證安全。周圍管線發(fā)生變形時(shí)，可以將管線的曲率半徑作為報(bào)警值，將管道視為彈性地基上的梁，需要按照彈性地梁的方法計(jì)算彎曲應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 彈性地基梁計(jì)算模型

如圖3所示，當(dāng)?shù)貙訜o下沉情況時(shí)，則有式(2),

q=KWp

(2)

式中,q為作用在管道上的壓力，K為基床系數(shù)，Wp為管道位移，當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)下沉情況時(shí)，則有式(3),

q=KWp-KW

(3)

式中,W表示管道處地層沉降量，由此可以計(jì)算出管道的變形與曲率半徑。根據(jù)允許的彎曲量，設(shè)置預(yù)警值和報(bào)警值。至此完成施工監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程概況

本文選取某市的地下綜合管廊建設(shè)工程，項(xiàng)目起自A道路，至B道路止。途徑13條被交道路，該市的綜合管廊建設(shè)工程主要包括綜合管廊、管廊控制中心以及污水管線3部分內(nèi)容。綜合管廊全長7 740米，主要包含了電力、綜合、熱力、排水、燃?xì)鈳讉€(gè)分艙，共分成3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷面，斷面1與斷面2均為5艙斷面，斷面3為4艙斷面，斷面1總長2 575.6 m，斷面寬度為19.2 m，斷面2總長3 209.4 m。斷面3總長1 955 m，斷面寬度為14.6 m。工程截面如圖4所示。

圖4 工程截面示意圖

這個(gè)工程所處地貌為丘陵斜坡，地坪相對(duì)平緩，圍巖為砂質(zhì)泥巖，洞頂巖層為砂質(zhì)泥巖夾砂巖薄層或透鏡體，與現(xiàn)場工程監(jiān)測相關(guān)的巖體力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)

綜合管廊的洞身圍巖級(jí)別為IV級(jí)，地下水狀態(tài)為I級(jí)，根據(jù)上表的參數(shù)可知，地應(yīng)力的條件與地質(zhì)構(gòu)造都相對(duì)簡單，區(qū)內(nèi)沒有斷層。

2.2 監(jiān)測控制網(wǎng)的布設(shè)與施測

根據(jù)上述的工程基本概況，可以對(duì)城市地下綜合網(wǎng)管廊的變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，最終監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)示意圖

如圖5所示，4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(BS_1～BS_4)的位置構(gòu)成了一個(gè)四邊形，設(shè)置了兩個(gè)施工控制點(diǎn)對(duì)BS_1、BS_2、BS_3監(jiān)視，現(xiàn)場的布置如圖6所示。

圖6 工程測試現(xiàn)場布置圖

在本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)時(shí)，納入了3個(gè)監(jiān)測工作基點(diǎn)，方便監(jiān)測與施工之間的聯(lián)系，通過基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)形觀測、聯(lián)測、獲取工作基點(diǎn)坐標(biāo)完成施測。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有一定的有效性，將原有系統(tǒng)作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。本文試驗(yàn)分別使用2個(gè)系統(tǒng)對(duì)該工程某段的支護(hù)拱頂沉降、支護(hù)凈空收斂以及地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，除此之外，在實(shí)際應(yīng)用過程中實(shí)時(shí)記錄設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所監(jiān)測的混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力以及彎曲應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，以此來計(jì)算分析預(yù)警參數(shù)，從而分析設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測的穩(wěn)定性及有效性能，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測目的。

2.3 監(jiān)測結(jié)果與分析

在上述的實(shí)驗(yàn)條件下，分別于3個(gè)監(jiān)測工作基點(diǎn)記錄監(jiān)測結(jié)果。在設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，得到儀器放大器的性能參數(shù)如表3所示。

表3 儀器放大器性能參數(shù)

通過對(duì)比表3與表1分析得知，設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)能夠?qū)x器放大器處理后的電信號(hào)有效傳輸?shù)讲杉ㄖ?，以供?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分析處理。

綜上所述，該技術(shù)通過計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測量、控制、數(shù)據(jù)采集進(jìn)行電信號(hào)數(shù)據(jù)整合，記錄該工程某段的混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力、彎曲應(yīng)力變化數(shù)據(jù)結(jié)果，此外，基于虛擬儀器技術(shù)得到支護(hù)拱頂沉降、支護(hù)凈空收斂以及地表沉降數(shù)據(jù)的結(jié)果，對(duì)比如下。

2.3.1 計(jì)算混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力結(jié)果

在上述的實(shí)驗(yàn)條件下，通過虛擬儀器技術(shù)計(jì)算得到混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力結(jié)果顯示如圖7所示。

圖7 混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選取同時(shí)間段的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析，從上圖可以看出，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件能夠通過采集卡所收集的電信號(hào)數(shù)據(jù)信息計(jì)算出混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力，并且與實(shí)際測量值誤差較小，由此可見，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的準(zhǔn)確性。

2.3.2 計(jì)算彎曲應(yīng)力變化數(shù)據(jù)結(jié)果

彎曲應(yīng)力變化數(shù)據(jù)結(jié)果顯示如圖8所示。

圖8 彎曲應(yīng)力變化數(shù)據(jù)結(jié)果

通過對(duì)圖中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件能夠通過采集卡所收集的電信號(hào)數(shù)據(jù)信息計(jì)算出彎曲應(yīng)力，本文系統(tǒng)軟件的計(jì)算更加接近真實(shí)值，通過結(jié)果對(duì)比可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件在實(shí)際應(yīng)用中具有數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。

2.3.3 支護(hù)拱頂沉降監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2個(gè)系統(tǒng)的支護(hù)拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果顯示如圖9所示。

圖9 拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)選取同時(shí)間段的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，從圖9可以粗略的看出，本文系統(tǒng)的監(jiān)測值更加接近真實(shí)值。通過對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算可以得出，本文系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與拱頂沉降的實(shí)際值平均誤差為0.47 mm，原有系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與拱頂沉降的實(shí)際值平均誤差為0.89 mm。

2.3.4 支護(hù)凈空收斂監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

兩系統(tǒng)的凈空收斂監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 支護(hù)凈空收斂監(jiān)測結(jié)果

本文系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與支護(hù)凈空收斂的實(shí)際值平均誤差為0.247 mm，原有系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與拱頂沉降的實(shí)際值平均誤差為1.48 mm。

2.3.5 地表沉降監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2個(gè)系統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測結(jié)果如圖11所示。

圖11 地表沉降監(jiān)測結(jié)果

本文系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與地表沉降的實(shí)際值平均誤差為0.29 mm，原有系統(tǒng)的60次監(jiān)測數(shù)據(jù)與拱頂沉降的實(shí)際值平均誤差為1.55 mm。

根據(jù)上面幾組實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效輸入監(jiān)測數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測目的，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)方面具有良好性能；在混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力以及彎曲應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果均約等同于實(shí)際測量值，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)方面具有一定的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；在拱頂沉降、支護(hù)凈空收斂以及地表沉降的監(jiān)測誤差均小于原有系統(tǒng)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)在監(jiān)測方面具有更好的優(yōu)越性能。

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的基于虛擬儀器技術(shù)的城市地下綜合管廊施工監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的技術(shù)，硬件與軟件之間的架構(gòu)合理，通過硬件監(jiān)測到的信息能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的傳送，實(shí)現(xiàn)地下管廊施工過程中變形監(jiān)測、管線監(jiān)測的自動(dòng)化和智能化。但是本文系統(tǒng)還有一些不足之處，在今后的研究中，可以以本文系統(tǒng)作為基礎(chǔ)逐步建立預(yù)案、知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)城市地下綜合管廊從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行一體化的監(jiān)測管理。