应急抢险工程中的监测技术的应用与探索

张建宁,刘泽斌, 朱跃武

深圳中建院建筑科技有限公司 广东深圳 510058

【摘要】应急项目不会经常发生，一旦发生均是伴随着天灾人祸等因素，情况紧急、人命关天，特别当人员被埋，及时抢救人员至关重要，但在抢救别人的同时首先要保障自身的安全，因此抢险救灾是个具有组织体系的、大家协作的工程。准确、及时预报周边环境、遇险建筑物的变形和发展，对实现安全抢险减少和避免次生灾害至关重要，因此在人工监测的同时配合使用健康监测技术，具有实时及时，非常适合恶劣气候、夜晚的应急抢险工作。

【关键词】健康监测；人工监测；人工巡查；应急抢险；声发射

一、案例概况

2004年8月31日 深圳某二线关一处城中村挡土墙受台风“艾利”和较长时间强降水的影响导致边坡挡土墙倒塌，造成坡底2人被埋，倒塌边坡致使坡顶上方一栋11层自建房桩基裸露，建筑物倾斜，在营救2位母子过程中，要确保营救人员的安全，需要对未倒边坡和建筑物进行日夜不停的人工连续监测，发现问题及时预警。

2008年6月30日，深圳连续多日降雨导致布吉某社区发生边坡滑坡事件，造成坡底多栋建筑物损坏，事故造成多人死亡，其中在一栋已经倾斜的建筑物下方内部墙体倒塌，将一人的双腿压在倒塌的墙体下方，面对即将倒塌的建筑物，救人是首要任务，为确保深入废墟内救人的消防队员安全，采用全站仪和人工巡查方法在多个角度进行实时监测，在建筑物出现二次倒塌前30秒计时及时预警，撤离内部营救人员，未造成二次人员伤害。

2018年8月30日凌晨，强降雨导致深圳布吉某临山而建的小区距离8m左右高度超过100米的山体出现滑坡，滑坡直接危及小区内数栋高层建筑物的安全，为防止发生群死群伤事故，及时对小区建筑物内的人员采取空楼措施。此时降雨还在继续，为此抢险人员冒着风险对山体位移、挡土墙倾斜进行连续监测。

所用的应急事件的发生均处于非常复杂和恶劣环境并伴随可能发生的次生灾害，采用传统监测与人工巡查手段不可缺少，但由于夜晚和风雨影响，传统的监测手段会受到影响。如果配合采用自动化、不受气候、昼夜影响的健康监测手段，将会克服传统监测手段的不足，这是我们针对应急抢险项目应该积极探索的监测技术。

二、结构健康监测技术的发展

随着传感器、数据的采集、数据传输系统、数据存储和处理与管理系统不断成熟以及结构状态识别和健康评估系统及物联网技术的不断创新发展，健康监测在桥梁、公路、铁路，以及地下涵洞领域发展迅速，同样房屋健康监测技术也在近几年迅速发展，国家为此颁布了《结构健康监测系统设计标准》，此标准为大跨度，复杂结构等施工、运行提供实时监测数据，对提高施工质量和安全；对建筑物的正常使用和管理提供了科学有效的技术和数据支持。

我公司曾对深圳某空中泳池，下部支承结构为钢桁架结构形式，桁架跨度约25m，上下弦钢梁顶标高分别为68.83m和67.48m，坐落在本小区第3栋和第4栋建筑物之间，其下部与3栋的连接采用可滑动转动的成品支座，连接形式为弱连接；与4栋则是与劲性柱、劲性梁刚接。桁架主要杆件采用焊接H型钢。

由于结构形式为高层连体，且跨度大、泳池水荷载较大。为了解泳池钢结构安装完成后在泳池装修、灌水及运营阶段的结构变形与受力情况，确保结构的使用安全，决定在进行施工与使用过程对该泳池进行自动化实时监测，在结构上设置静力水准仪、位移计、应力计等多种监测传感器，历经6个月的不间断的自动化监测，为设计和施工提供了变形、位移和应力的实时监测数据变化，确保施工过程安全，为验收提供合理的依据。常规建筑物的健康监测手段为应急监测提供了可以借鉴的经验。

三、健康监测在应急抢险项目中的应用

应急工程具有突发性和偶发性及不可预测性，如何应对建筑物的可能出现的突发事件，在确保抢险人员安全的前提下，及时抢救受险群众的生命财产是一项非常重要的事项。

像第一节介绍的几起突发应急事件中，均是事故发生突然，环境恶劣，特别是当需要抢救遇险人员时，参与抢险人员将面对巨大的挑战，一方面要保护自己，另一方面还要把被困人员救出来。而每逢灾难发生时一定伴随着各种自然灾害的影响，如地震、台风、连续暴雨以及夜晚和视线不佳、人员疲劳等因素均会造成在危险发生前不能及时发现，造成的意想不到的次生灾害，如果采用成熟的自动化健康监测手段，结合人工监测的补充可以克服上述诸多不利因素的影响，为及时发现可能的危险，采取应对措施提供可靠的依据，避免和减少次生灾害可能的影响。

为了尝试将自动化健康监测技术应用到应急抢险工程上，我们做了大胆尝试和探索，收到了较好的效果。

2020年4月中旬深圳某城中村多栋建筑物因建筑物周边开挖深基坑、地铁施工和汛前降雨等多种因素共同影响，导致多栋建筑物出现周边地坪、建筑沉降、围墙开裂等迹象，考虑到汛期、台风、暴雨频繁和该区域地质勘探和物探发现区域内地质钻孔见洞隙率为52.6%，线岩溶率约为58.5%，岩溶强发育等因素，且周边地铁隧道、深基坑还未竣工，该区域地质复杂，人口稠密，为了确保安全对辖区34栋建筑物根据不同特点安装静力水准仪、倾角仪和裂缝计等自动化监测设备。

2021年5月16日至17日深夜凌晨，该区域215号一栋6层混凝土框架结构中的2个倾角仪突然变化，静力水准仪沉降加剧，日沉降达到15mm，地面出现较大的凹坑，倾斜向凹坑方向的倾斜率由1.0%突变到2.6%，沉降一侧背面的混凝土框架柱的根部出现受拉开裂的变形裂缝。215沉降建筑物变形前后的示意图见图（1）所示。

图1 倾斜前和倾斜后的建筑物示意图

215号建筑物对应的沉降监测记录显示当日最大沉降15mm。沉降监测曲线见图（2）所示，

图2 建筑物的沉降变化曲线

自动化监测数据报警后，立即启动应急方案，及时对215建筑物及周边建筑物内的人员进行空楼。并启动应急鉴定程序，根据建筑物的倾斜率和建筑结构已出现的裂缝，依据《危险房屋鉴定标准》该楼房已属于危险建筑物，建议立即拆除。

采用自动化健康监测手段可及时发现了危险的发生，本次危险发生是在深夜，采用自动化监测手段可以及时发现险情，及时预警，为迅速采取应急措施赢得宝贵时间，也为相关部门决策落实空楼措施提供可靠的数据支持，避免一次即将发生的楼房倒塌事件，起到了非常好社会和经济效果。

四、健康监测需要探索的方向

建筑物是一种特殊结构，它是由地基、基础和梁、板、柱、墙体等构件组成的，它们共同形成一个承载体系，相互之间共同作用，形成一个极限平衡状态，正常荷载环境下，如果某些原因，如超载、改变用途等人为活动打破这种平衡，结构内力将重新分配，抵御变形的发生，开始一个新的平衡，而重新平衡的过程，内力的重新分配，将使某些结构出现受压、受拉、受剪和扭曲等内力变化，导致混凝土与钢筋握裹力出现变化或出现钢筋屈服等现象，结构上的表现一般是产生裂缝变形，而这些过程一定伴随着某种声音的发生。

一旦出现偶发荷载，地震、爆炸和地陷等，突发的巨变，建筑物的变形更会导致建筑物混凝土受压，而钢筋压屈或拉伸，一定会产生巨大声音。

考虑到大多数建筑物是属于钢筋混凝土或钢结构建筑物，建筑物受外力影响时，钢筋和混凝土之间因本身特性的不同，变形会存在一定的差异，因此会由于握裹力的变化或钢结构节点焊缝和螺栓的变形而产生声音，考虑到声音传播具有方向性，在不同介质中传播速度、衰减不同，通过捕捉声音的来源，振幅、频率和相位可以判读判断位置和损伤程度，采用声发射监测技术，对实时监测建筑物的变化和危险具有深远的现实意义。

如果在建筑结构施工时每栋建筑物的柱子钢筋上串联几个声发射传感器连接套，施工完好安装上声发射传感器和数据采集设备，每栋建筑物几个声发射传感器可以有效监测建筑物内力的分布和变化，特别当紧急事件发生时，与其他监测设备一起监测结构变形，采集所产生的声音，及时传递给控制终端，发出预警信息，会收到更好的实时监测效果。

五、小结

1、目前自动化健康监测所采用的沉降、倾斜、应力应变和位移监测手段，极大方便在恶劣环境下建筑工程的实时监测工作，对信息化、可视化管理具有重大的社会与经济效益。

2、 健康监测不但可以用于在建建筑物的施工和运行管理监测，也可以用于应急工程的抢险监测工作。

3、采用健康监测技术对既有房屋或应急抢险项目的应用表明，健康监测技术具有实时、及时性，对于恶劣气候，特别是晚上出现的可能影响结构安全环境变化的相关信息能及时发现，可对有效实施抢险措施提供及时可靠的信息。

4、应该深入研究开发声发射健康监测技术，制作特殊的钢筋接头，将接头串联在钢筋上，声发射传感器可以随时与其连接，采集因各种原因引起发的钢筋混凝土内力的变化引发的声发射数据，采用仿生学手段监控建筑物的内力变化，相信会对已有健康监测技术是一个很好的补充。

7 对于应急监测除采用自动化监测手段外，人工监测、人工巡查工作必不可少。在抢险工作完全进入稳定期后，即危险源相对稳定后，才可取消人工监测手段，但人工巡查工作应配合自动化监测工作一同实施，发现异常及时上报。

【参考文献】

【1】中国工程建设协会标准《结构健康监测系统设计标准》中国建筑工业出版社出版、发行

【2】杨智春，于哲峰，《结构健康监测中的损伤检测研究进展》力学进展

【3】朱跃武 石永等，《关于木棉湾6.29地质灾害发生后的思考》建筑结构2010.6.5第40卷增刊

【4】朱跃武 罗宾，朱俊峰，张建宁平等《深圳龙岗区某坍塌边坡挡墙的检测与分析》工程质量 2006年No10

作者简介：张建宁（1981.08—），男，本科学历，工程师职称，研究方向为检测技术在应急抢险中的应用