(根据日本神户大学教授、日本OSV研究会会长S. Akutagawa(芥川)教授2010年9月15日在同济大学举行专家学术报告会材料整理)
工程监测已经成为现代土木工程的重要组成部分,工程监测的质量与工程安全息息相关。传统的工程监测手段往往需要通过传感器将位移、应变等信息进行转化并将结果输入计算机,在计算机中进行分析比较,从而判断工程安全性并决策是否需要通报相关工程人员。由于传统的监测技术过程较为繁复,所以险情的通告往往有滞后效应,从而减少了应急时间,事故预警效果欠佳。
鉴于传统的工程监测技术在事故预警方面存在的缺陷,日本神户大学的Akutagawa教授提出一种新的工程监测及预警方式:OSV(On Site Visualization)。OSV即工程原位可视化监测,在工程原位将传感器与LED警示灯直接相连,通过LED警示灯实时显示工程安全状态,因此具有较好的预警效果。
光发射变形传感器(LEDS)是基于OSV技术开发出的第一代产品,主要用于位移监测,如图1所示。光发射变形传感器可以用来测量A、B两点间的相对位移。传感器两端A、B用串联的一根弹簧和一根刚性的钢索连接。弹簧的刚度远远小于钢索,因此,当A、B两点发生相对位移时,几乎全部由弹簧的(伸长或缩短)变形来承担。变形被颜色定位转换板测量到,并且由一串LED灯显示出来。光发射变形传感器的基本构造如图2所示。
光发射变形传感器一般默认位移量程为10mm,每2mm的位移对应一种不同的颜色,共计5种颜色,警示级别从低到高依次为:深蓝、浅蓝、绿、黄、红。该设备可以通过与其他辅助设施单元的联合使用可以将量程调整为2~50mm;通过更改转换板设计,可以得到任意对应的颜色和位移组合。
图1光发射变形传感器(LEDS)
图2 光发射变形传感器(LEDS)基本结构图
光发射转换器(LEC)是基于OSV技术开发出的第二代产品,光发射转换器是带有LED灯的数据记录器,可以与任意类型的传感器相连,如图3所示。光发射转换器可以结合传感器的信号,通过LED预警灯将工程实时的安全状况显示出来,并可以更改预警值。光发射转换器支持计算机连接,可以将数据记录在计算机硬盘中保存。多个光发射转换器和传感器的组合可以连接在一起(最大支持100组),并且可以将数据集中于计算机中进行集中处理,如图4所示。
图3 光发射转换器(LEC)
图4 光发射转换器数据连接示意图
激光指针(LP)是基于OSV技术开发出的第二代产品,主要用来测量转角,具有较高的灵敏度。激光指针的基本原理为利用距离将微小转角引起的激光束偏移放大(见图5),从而方便监测。激光指针的使用需要一个可以进行精确位置调整的基座,用以确定激光束的发射方向,使得激光束可以投射到指定的投射区域,从而根据激光束的投射位置判断工程的安全等级(见图6)
。
图5 激光指针原理示意图
图6 激光束投射区安全等级示意图
目前OSV技术还处于新兴阶段,主要应用于边坡、基坑开挖、新奥法隧道中。OSV技术最为典型的综合应用是2010年3月至6月在印度新德里地铁施工中的应用。其应用主要集中在基坑开挖及高架桥施工过程中,使用的设备包括光发射变形传感器(LEDS)、光发射转换器(LEC)、激光指针(LP)。在地铁开挖施工过程中,主要针对维护墙体变形、支撑应变、土压力进行监测控制,使用到的主要设备包括光发射变形传感器、光发射转换器。此外,在高架施工中,还有应用激光指针对大型预制构件的安装定位实施精确控制的例子。
鉴于OSV技术的优势主要存在于原位实时显示工程安全状态,故对于一线工人的相关培训十分有必要。新德里地铁施工中OSV预警指示灯采用5色准则。其中,深蓝、浅蓝、绿色表示工程安全,可以继续施工;黄色表示应引起注意,需要向安全管理人员报告;红色表示危险,需要进行工程场地疏散,保证人员安全,远离危险区域。工程实践表明,经过培训,一线施工人员能够充分利用现场的可视化信息,在预警指示灯显示工程进入危险状态时,所有工作人员均自觉撤离危险区域。据此,可以验证OSV技术具有安全预警优势。
OSV技术作为一种新兴的工程监测技术具有易于识别、高效预警的特点,应用于土木工程领域可以有效地规避工程事故的发生,降低工程事故的损失。目前OSV技术已经在隧道、桥梁、边坡、基坑工程中得到应用,并取得良好的监测和预警效果。但由于目前OSV技术仍然处于技术研发阶段,工程产品尚未形成系统规模,如何集成各种信息综合,给出更加全面合理的安全预警指标是今后的研究方向。
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