唐孝林，周益凡，朱兆銀，張中兵，沈佳麗，晉良海

(1中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000；2 三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000)

隨著城市排水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程的逐步增多，管溝開挖與支護(hù)施工也越來越頻繁。城市管溝開挖基礎(chǔ)一般較深，埋設(shè)管道范圍廣，埋設(shè)地點(diǎn)一般臨近建筑物，易對臨近建筑物的地基造成損害，從而引發(fā)安全事故。且管道施工周期較短，開挖過程不確定因素多，對沉降、傾斜等數(shù)據(jù)要求較高，不利于對鄰近既有建筑的安全保護(hù)，特別是在建筑密集的城中村區(qū)域。因此，如何改進(jìn)傳統(tǒng)監(jiān)測手段來確保雨污管網(wǎng)工程施工中對鄰近既有建筑的安全保護(hù)，是城中村密集房屋區(qū)域雨污管網(wǎng)施工急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多利用機(jī)理分析方法，對地面沉降及監(jiān)測方法進(jìn)行研究。 Fang Y等[1]引入了代表縱向地面沉降槽寬度系數(shù)，對地面沉降過程進(jìn)行預(yù)測。謝飛鴻等[2]通過沉陷預(yù)計模型，實現(xiàn)了實測多點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合分析、一般條件下的地面變性計算。楊曉杰等[3]開展了基于MSARMA法的邊坡穩(wěn)定性定量評價與敏感性分析，建立了排水條件下邊坡穩(wěn)定性分析方法，并驗證了排水有效性。Xie X Y等[4]通過三維有限差分建模方法對城中村管網(wǎng)施工過程進(jìn)行模擬，總結(jié)了地面沉降影響因素和地面沉降控制規(guī)律。鐘登華等[5]提出土石方開挖的可視化設(shè)計方法，彌補(bǔ)了網(wǎng)格劃分不合理的問題。李悅等[6]基于BIM的基坑風(fēng)險源自動識別和風(fēng)險動態(tài)監(jiān)測評估實時感知與預(yù)警分析，進(jìn)行綜合集成管理極大地提高了管理效率，節(jié)約了成本。蔡濤[7]依據(jù)現(xiàn)場軟巖隧道預(yù)警頻率,確定周邊收斂的分級預(yù)警閾值,建立了周邊收斂預(yù)警體系,總結(jié)了實時監(jiān)測的適用條件。Ibrahim O等[8]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，支持高斯過程構(gòu)建地面沉降預(yù)測模型，對城中村施工過程中引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測。Pourtaghi M A等[9]基于小波理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建地面沉降預(yù)測分析模型，提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擬合能力和泛化能力。Wang F等[10]通過三維數(shù)值建模方式，對地面沉降主要影響參數(shù)進(jìn)行篩選。鄭文棠等[11]通過采用可視化模型與數(shù)值模型的結(jié)合和轉(zhuǎn)換，反映了地質(zhì)信息的仿真性和動態(tài)可修改性。薛強(qiáng)等[12]根據(jù)檢測手段，把滑坡變形過程分為初始變形、加速變形、變形破壞和減速變形4個階段。Satar M等[13]采用支持向量機(jī)構(gòu)建了地面沉降預(yù)測模型。Chen R P等[14]介紹了一個基于隨機(jī)森林的模型，利用幾何、地質(zhì)和城中村管網(wǎng)施工參數(shù)來預(yù)測管網(wǎng)施工引起的最大地表沉降。Yao B Z等[15]構(gòu)建了支持向量機(jī)模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測地面沉降，并通過比較發(fā)現(xiàn)向量機(jī)模型比人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有更高的預(yù)測精度。

從以上文獻(xiàn)可知，變形監(jiān)測水平目前停留在建立模型預(yù)測地面沉降方面，并在此基礎(chǔ)上不斷對模型進(jìn)行修改完善，未能構(gòu)建成熟的變形監(jiān)測可視化實時預(yù)警系統(tǒng)。本文提出地面沉降機(jī)理與數(shù)據(jù)分析過程進(jìn)行有機(jī)融合的理論方法，變形監(jiān)測系統(tǒng)將實現(xiàn)遠(yuǎn)程、實時、在線監(jiān)測，大量監(jiān)測不同對象的監(jiān)測工具將會組建成網(wǎng)絡(luò)，每個監(jiān)測結(jié)果將會通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心，由監(jiān)測中心統(tǒng)一安排和調(diào)度。對開挖施工地面沉降全生命周期的場景、流程、對象、問題和知識等進(jìn)行抽取和表達(dá)，生成數(shù)據(jù)-知識融合的地面沉降大數(shù)據(jù)分析模型，可視化評估臨近密集房屋區(qū)開挖施工的實時安全態(tài)勢，為施工安全風(fēng)險管控提供科學(xué)支撐。

1 施工安全監(jiān)測的可視化實時預(yù)警系統(tǒng)概述

基于數(shù)字孿生密集房屋建筑管溝施工安全監(jiān)測系統(tǒng)，利用各類傳感器實時監(jiān)測施工過程中的設(shè)備工作狀態(tài)和鄰近既有建筑的沉降、傾斜等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用于驅(qū)動施工系統(tǒng)數(shù)字孿生體仿真運(yùn)行，實時評估施工過程對鄰近既有建筑物安全的影響。本監(jiān)測系統(tǒng)為將信息技術(shù)與雨污管溝施工安全監(jiān)測相結(jié)合，形成線上與線下監(jiān)測，線上處理數(shù)據(jù)，早期安全預(yù)警相結(jié)合的安全監(jiān)測系統(tǒng)?；跀?shù)字孿生的鄰近既有建筑雨污管溝施工安全監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。

2 施工安全監(jiān)測的可視化實時預(yù)警系統(tǒng)原理分析

2.1 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)算法

為了提高城中村管網(wǎng)施工房屋建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的精確性，需要深入研究系統(tǒng)所涉及的主要算法。其中傾角撓度測量算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合算法等為本系統(tǒng)實現(xiàn)過程中核心算法。

2.1.1傾角撓度測量算法

傾角測量轉(zhuǎn)換示意見圖2，設(shè)一房梁上需布設(shè)N個傾角儀。假設(shè)房屋房梁正常狀態(tài)時處于水平狀態(tài)，在加荷載的作用下會發(fā)生曲線變形。若在某一時刻加載后第i個傾角儀監(jiān)測到其位置上的傾角α,則可通過式(1)求出第i個測點(diǎn)相對于第i-1個測點(diǎn)的撓度增量值Δy(i-1)i：

Δy(i-1)i=xi·tanαi(1

(1)

其中xi為第i測點(diǎn)到第i-1測點(diǎn)的房梁縱向水平位移。通過式(2)可以求出房梁第i個測點(diǎn)撓度值y(i-1)i:

(2)

圖2 城中村管網(wǎng)施工房屋建筑傾角撓度測量示意

2.1.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多傳感器數(shù)據(jù)融合算法分析

本文所分析的BP算法是有導(dǎo)師學(xué)習(xí)方式，其基本思想是:假設(shè)輸入的向量樣本為x1，x2，…，xn；對應(yīng)的輸出樣本為d1，d2，…，dn；y1，y2，…，yn為實際的輸出值，將預(yù)測輸出與實際輸出的誤差用于修改神經(jīng)元之間所連接的閾值和權(quán)值，若輸出正確，則加大連接的權(quán)值，反之減小連接的權(quán)值。設(shè)3層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的個數(shù)分別是m、s、n，隱藏層激活函數(shù)使用fj表示，輸出層激活函數(shù)使用fk表示，從而隱藏層輸出yi為：

(3)

式中Wji——輸入層、隱藏層兩者之間的連接權(quán)值；bj——閾值。輸出層的輸出通過式(4)計算得到：

(4)

式中bk——閾值；Wkj——隱藏層和輸出層兩者之間的連接權(quán)值。

設(shè)誤差函數(shù)為：

(5)

計算輸出層的權(quán)值變化為：

η(tk-yk)fkyk=ηδkjyj

(6)

式中η代表學(xué)習(xí)速率，η通常接近于1，而：

δkj=(tk-yk)fk=ekfk

(7)

ek=tk-yk

同理可得：

(8)

隱藏層的權(quán)值變化為：

(9)

同理可得：

Δbj=η·δji

(10)

經(jīng)過不斷的循環(huán)計算，直到網(wǎng)絡(luò)輸出誤差達(dá)到設(shè)定期望值為止。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測軟件架構(gòu)設(shè)計

由于城中村管網(wǎng)施工房屋工程結(jié)構(gòu)的巨大化、復(fù)雜化，需要在健康監(jiān)測系統(tǒng)上設(shè)置的觀測點(diǎn)也會增多，從而導(dǎo)致整個健康狀況的評估、分析算法復(fù)雜化，同時中間數(shù)據(jù)和健康狀況評估數(shù)據(jù)也越來越多，為了使數(shù)據(jù)能夠在沒有冗余情況下完成共享，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)也需要數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化管理，健康監(jiān)測系統(tǒng)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，完成對數(shù)據(jù)類型的分類。當(dāng)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)越來越復(fù)雜時，這些數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡(luò)共享分布在網(wǎng)絡(luò)各部分，形成分布式的數(shù)據(jù)庫管理集群。房屋建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 城中村管網(wǎng)施工房屋建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)有四大主要模塊，分別為：房屋健康監(jiān)測數(shù)據(jù)展示模塊，用戶或者管理員可以查看各類房屋結(jié)構(gòu)監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動根據(jù)實時的數(shù)據(jù)生成對應(yīng)的曲線走勢圖；房屋監(jiān)測管理模塊，在該系統(tǒng)中，房屋結(jié)構(gòu)監(jiān)測管理模塊的設(shè)計包含4個方面，分別是對監(jiān)測點(diǎn)、傳感器、監(jiān)測因素、拓?fù)鋱D等進(jìn)行管理。包括增、刪、改、查4項最基本的操作；房屋健康狀態(tài)評估模塊，健康狀況評估模塊的設(shè)計包含評分標(biāo)準(zhǔn)的建立、權(quán)重配置和整體評分。當(dāng)評分超出正常值時，交給后面的報警模塊來處理；平臺報警管理模塊，房屋結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測的主要目的就是監(jiān)測房屋的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常或者“亞健康”狀態(tài)時，系統(tǒng)需提醒管理員及時處理，避免事故發(fā)生。

3 案例分析

為驗證本項目開發(fā)的城中村管網(wǎng)施工過程房屋建筑安全監(jiān)測及評估技術(shù)，項目組選擇廣東省廣州市海珠區(qū)房屋密集住宅區(qū)域下田巷10號雨污分流管網(wǎng)Wi954井對應(yīng)巷道施工現(xiàn)場，部署城中村密集房屋區(qū)域安全監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行可視化實時預(yù)警研究，見圖4。

圖4 Wi 954井對應(yīng)巷道施工現(xiàn)場

Wi954井對應(yīng)巷道比較狹窄，僅有3 m左右寬，兩邊居民樓為老式7層磚混結(jié)構(gòu)樓，地基較淺，管網(wǎng)施工基坑設(shè)計深為約2 m，采用人工和小型挖機(jī)結(jié)合的方式開挖，施工過程對鄰近建筑有安全風(fēng)險。根據(jù)有限元分析結(jié)果，開挖現(xiàn)場鄰近建筑物為裙樓結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場施工強(qiáng)度造成房屋裂縫的可能性比較小，主要的風(fēng)險表現(xiàn)形式為沉降和房屋傾斜。鑒于此，部署系統(tǒng)時主要監(jiān)測鄰近建筑物的沉降、傾斜和環(huán)境因素。

城中村密集房屋區(qū)域施工安全監(jiān)測系統(tǒng)部署后，施工方開始開挖作業(yè)，對比有限元分析的結(jié)果與實際監(jiān)測到的沉降和傾斜數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化有限元的網(wǎng)格劃分，提高模型的精度。城中村管溝施工臨近建筑安全監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)主界面見圖5，可實時查看施工作業(yè)及回填后各監(jiān)測點(diǎn)位的數(shù)據(jù)變化，安全監(jiān)測模型根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時仿真預(yù)測并與預(yù)設(shè)閾值對比，評估施工過程對鄰近建筑物的安全影響。同時對傾角的監(jiān)測設(shè)定安全范圍內(nèi)的上下限，對沉降設(shè)定下限，若沉降或傾斜超過指定閾值的50%即通過短信方式給現(xiàn)場施工人員發(fā)出黃色預(yù)警；當(dāng)超過指定閾值的80%時，立即以聲光報警的形式告知現(xiàn)場施工人員立馬停止施工，采取必要的回填和支護(hù)措施。圖中可見沉降或傾斜均未超過上下限，在安全預(yù)警范圍內(nèi)。城中村管溝施工臨近建筑安全監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)表格見圖6，各點(diǎn)位監(jiān)測量隨時間變化曲線見圖7。從案例可以看出，施工過程中各監(jiān)測點(diǎn)位數(shù)據(jù)確實存在微小變化，但根據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》，均在安全范圍內(nèi)。

圖5 城中村密集房屋區(qū)域管溝施工臨近建筑安全監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)主界面

圖6 城中村管溝施工臨近建筑安全監(jiān)測數(shù)字孿生系統(tǒng)表格

a)測點(diǎn)5氣溫變化曲線

4 結(jié)論

a)基于數(shù)字孿生技術(shù)，利用物理實體、傳感器、檢測數(shù)據(jù)、數(shù)字模型等虛實件，集成多參數(shù)、多尺度、多情景的虛實映射系統(tǒng)，可視化評估建筑結(jié)構(gòu)的實時安全態(tài)勢、感知建筑物結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)，適應(yīng)了現(xiàn)代安全監(jiān)測、數(shù)字建造等先進(jìn)技術(shù)發(fā)展態(tài)勢，具有技術(shù)領(lǐng)先型、適用性。

b)案例結(jié)果表明：部署在雨污分流管網(wǎng)Wi954井對應(yīng)巷道的安全監(jiān)測系統(tǒng)，其結(jié)果顯示觀測點(diǎn)處的氣溫隨當(dāng)?shù)販夭畎l(fā)生波動，而傾角與位移均未發(fā)生明顯變化，或發(fā)生的微小波動在安全范圍內(nèi)，結(jié)果可作為評判密集房屋區(qū)管道施工安全性的重要指標(biāo)，對提高施工安全和縮短施工周期具有較好的工程價值和現(xiàn)實意義。