无线自组网式钢支撑应力监测系统在地铁车站深基坑施工中的应用

黄卫华

(中铁隧道集团四处有限公司，南宁 530003)

0 引言

在地铁车站深基坑施工中，钢支撑正确安装和应力监控是动态反映基坑安全情况的重要指标。在以往施工中，钢支撑应力监测以人工监测为主，存在着劳动强度大、容易出现人为误差等问题［1－2］。在相邻深基坑施工中，文献［3－4］通过PLC控制自适应钢支撑系统解决了基坑变形有苛刻控制要求的难题，但存在着安装和更换困难，投入成本较高，设备复杂，不能自动反馈等问题。随着微处理器技术的发展，WSM(无线传感器)技术已经广泛应用在军事和民用等领域，可实现智能抄表、数据监测回馈等功能［5－8］。在一些施工项目中，钢支撑应力监测采用基于ZIGBEE标准无线网络协议为基础，通过终端采集结点、路由器以及主控器组成的无线传感网络的方法，但存在着数据有效传输距离短、容易受干扰等问题［9－10］。

本文详细介绍了无线自组网式钢支撑应力监测系统的组成和工作原理，以便监测人员及时采取对策，确保工程的施工安全，同时降低工人的劳动强度，避免人为误差的出现，解决数据传输距离受限和受干扰的问题，使用的设备也相对统一、设备安装简单。该系统的运用为深基坑钢支撑轴力监测提供的一种自动监测新方法。通过对比分析介绍该系统的优缺点，可以看到该系统存在着造价高、数据更新繁琐等缺点。

1 工程概况

1.1 工程简介

南宁市大学—明秀路口综合交通工程是南宁市轨道交通工程一号线近期工程的第8个站—广西大学站。位于大学东路和明秀西路交叉的十字路口，起讫里程为YDK17+536.8～YDK18+001.8(包括存车线和站台)，车站总长度465 m。广西大学站总平面图如图1所示。

广西大学站的基坑标准断面宽度为20.7 m，为地下2层岛式车站。顶板覆土厚度大于3 m。基坑开挖深度为16.88～19.23 m，基坑开挖宽度为20.7～26.1 m。广西大学站分为车站主体、两端盾构始发井、出入口、风亭和冷却塔等。

图1 广西大学站平面图Fig.1 Plan layout of Guangxi University Station

根据设计要求，广西大学站围护结构采用地下连续墙+3道内支撑+1道换撑的支护形式。第1道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸为800 mm×900 mm，冠梁同时作为第1道钢筋混凝土支撑的围檩;第2，3道支撑及换撑使用钢支撑，直径为609 mm，壁厚为16 mm，斜撑段采用800 mm×1 000 mm钢筋混凝土腰梁，其余为2×I45C钢围檩。基坑中间用2×40C槽钢和δ12 mm钢板对焊加工成临时中立柱，临时中立柱顶部与第1道钢筋混凝土支撑连接，第2，3道支撑架设在纵向横梁上，在纵向横梁上焊接限位装置限制钢支撑的纵向移动，钢支撑间距为3 m，每隔3个钢支撑布设一个钢支撑应力计。

1.2 工程地质

沿线出露地层为第四系上更新统望高组上段(Q3W)，是河流冲积形成的黏土、粉土、砾砂和圆砾等;下伏地层为第三系(E3b)北湖组湖相沉积的泥岩、粉砂岩等;表层为素填土(Qml4)所覆盖。根据钻探揭露的岩土层，按顺序自上至下分11层，分别为:素填土、硬塑状粉质黏土、可塑状粉质黏土、可塑粉质黏土、软塑粉质黏土、粉土、细砂、砾砂、圆砾、泥岩(上段)、泥岩(下段)和粉砂岩。设计连续墙入泥岩不少于1 m，车站主体底板位于圆砾层。

2 自组网式结构组成和工作原理

2.1 WSM(无线传感器)自组网络系统简介

WSN系统是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。它的英文是 Wireless Sensor Network，简称WSN。具有无中心、分布式协作、自组织、多跳无线组网形式，每个节点都具有路由转发功能，WSN主要面向“物与物、人与物”之间的信息交互，其具有快速部署、自组织、高容错性等特点。

2.2 无线自组网式钢支撑应力监测系统的组成

无线自组网式钢支撑应力监测系统由监控中心服务器、WSN(无线传感器网络)协调器、WSN路由器、WSN采集器以及应力传感器组成。WSN协调器、WSN路由器以及WSN采集器构成无线传感器网络，实现监测系统信息采集和汇总。由上述组成单元构成的钢支撑应力监测系统网络拓扑结构如图2和图3所示。

2.3 无线自组网式钢支撑应力监测系统工作原理

应力传感器负责钢支撑受力检测与钢支撑直接相连。WSN采集器由电池供电，负责与其连接的应力传感器的数据采集和上传，并将应力值进行量化，负责该监测点应力数据分析以及报警状态指示。WSN路由器负责无线数据帧路由转发。根据该系统实际应用环境及范围，适量的WSN路由器组建WSN基干网，负责WSN协调器与WSN采集器之间的数据交互。由WSN路由器组建的WSN基干网覆盖该子网中的所有WSN采集器，并提供自维护、自修复的通信链路，WSN路由器有效采集距离为200 m。WSN协调器负责其管理范围内的WSN路由器以及WSN采集器的组织和维护，负责应力传感器数据汇总，并提供internet或者移动接入(GPRS、3G)接口，将WSN采集器采集到的监测点应力数据上传到监控中心服务器，WSN协调器有效距离为300 m。监控中心服务器由计算机软硬件组成，完成整个系统中所有设备信息维护，为用户提供远程数据分析和查询统计等功能。具有访问权限的用户可以远程登录，查询不同区域已经接入该系统的所有监测点运行以及报警状况等。

2.4 无线自组网式钢支撑应力监测系统布置情况

现场平面布置如图4所示，WSN协调器放置在基坑中间，WSN路由器对称布置在基坑两侧。

图4 广西大学站无线自组网络系统布置图Fig.4 Layout of wireless ad-hoc network system in Guangxi University Station

广西大学站基坑总长度465 m，钢支撑间距为3 m，每隔3个钢支撑布设1个钢支撑应力计。WSN采集器与钢支撑应力计通过导线连接，安装在钢支撑表面上，使用螺钉固定(如图5所示)，WSN采集器采用电池供电，供电有效时间为2年。WSN路由器有效采集距离为200 m，基坑两侧对称布置，2个距离相距150～160 m，并覆盖整个基坑，WSN路由器安装在电箱侧，并做好接地和屏蔽(如图6所示)。WSN协调器放置在基坑的中间位置，有效距离半径300 m，可以覆盖整个基坑，与监控中心服务器连接，监控中心服务器放置在基坑中间的值班房内，WSN协调器放置在值班房外侧。

2.5 监控中心的数据分析

2.5.1 即时数据查看

点击基坑中的节点层，弹出该节点层中所有节点的编号信息，勾选相应的节点，在右侧页面中将弹出该节点今日所有已抄读到的数据，包括钢支撑压力信息、钢支撑温度信息以及传感器电池电量信息。对节点数据信息状态用红蓝黑3种颜色标示加以区分，蓝色表示采集数据超过预警值，红色表示采集数据超过报警值，黑色表示采集数据正常。最后一栏状态栏表示该节点的压力值状态，如超过报警值将用红色加粗字体显示“危险!”，超过预警值但低于报警值将用蓝色加粗字体显示“警告”，低于预警值将用黑色字体显示“正常”。即时数据列表如图7所示。

2.5.2 历史数据查看

单击“历史数据”链接，将显示的是该钢支撑传感器节点当天的数据。选择日期和时间之后，将显示从起始时间到结束时间之内该节点的所有采集数据，包括支撑钢压力信息、支撑钢温度信息以及传感器电池电量信息。对节点数据信息也是用红蓝黑3种颜色标示加以区分，颜色表示信息同2.5.1。历史数据列表如图8所示。

3 无线自组网式钢支撑应力监测系统与普通系统的比较

3.1 系统对比

见表1。

3.2 系统的优点

1)具有全面感知性和智能分析功能。系统采用新兴无线传感网技术设计，具备全面感知、网络传输以及智能分析处理等特点，是典型物联网应用工程。

2)自组性、覆盖面广。系统基于自主设计的无线传感器网络协议设计，具备自组网、自组织、自维护功能;支持多种传输方式，具有工作频段灵活，可扩展性好，网络容量大，覆盖范围广等特点。

3)直观性。为用户提供友好的Web界面，直观显示无线传感网网络拓扑结构、基坑地理位置以及钢支撑三维安装结构。

表1 无线自组网式钢支撑应力监测系统与普通系统的比较Table 1 Comparison and contrast between wireless ad-hoc network system and traditional monitoring system

4)实时跟踪分析功能。系统对基坑施工现场的钢支撑受力状况进行实时跟踪分析，原始数据采集和处理完全不用人工参与，避免人为因素操作造成错误分析。

5)抗干扰。采用分布式采集方式，将数据采集单元分散布置在靠近传感器的地方，完成所辖测点传感器的激励、测量、数据暂存以及数据通讯等功能，减少模拟量的传输距离，提高了系统的抗外界干扰能力。

4 系统应用效果和评价

1)通过即时数据列表和历史数据列表可以轻松实现即时数据曲线和历史数据曲线的查询，即时反映钢支撑应力的变化情况，给施工方提供第一手直观资料。

2)WSN协调器、WSN路由器以及WSN采集器3种设备是基于具有自主知识产权的无线传感网协议设计，具备自组网、自组织、自维护功能，可以极大地降低工人的劳动强度。

3)无线自组网式钢支撑应力监测系统同时展示该钢支撑实时受力大小、温度值、报警状态以及通信质量等信息，可以通过远程监控快速实现所有监测点实时数据查询、实时数据曲线分析、历史数据查询和历史数据分析等功能。

5 结论和讨论

南宁市轨道交通1号线广西大学站通过使用无线自组网式钢支撑应力监测系统实现了钢支撑应力信息的实时监控，与施工现场结合紧密，很好地指导了施工，确保了工程的施工安全，同时大大降低了工人的劳动强度。但也存在着造价高、数据更新繁琐等缺点，将在今后的工作中不断改善和提高。本文为深基坑钢支撑轴力监测提供的一种自动监测新方法，在深基坑监测中，钢支撑轴力只是深基坑监测内容的一部分，深基坑墙体的测斜、沉降、基坑水位等监测也是确保深基坑安全的重要指标，如何使用无线自组网式监测系统动态监测深基坑墙体的测斜、沉降、基坑水位等指标，如何将各监测子系统兼容于一个主系统，是今后科技攻关的一个主要方向。

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