一、基本情況
（一）案例簡介
上海建工集團股份有限公司研制的深層地下隐蔽結構探測機器人具備對樁基、地連牆、重大管線等深層地下隐蔽結構安全的全自動化監測能力。針對深層地下隐蔽工程監測作業普遍存在的長距離、大體量、入地深、精度低、周邊環境複雜等難點，該機器人可以便捷高效的完成地下隐蔽結構的安全資訊資料擷取，以便開展後續安全狀态評估。該機器人通過螺旋驅動适應複雜管内空間，通過定位系統及姿态監測系統結合内置算法完成自動循迹，能夠實作對地連牆施工測斜、地下深埋管線沉降的全自動化監測，大幅降低監測人工作業強度，提高監測效率，進而提升整個工程項目的風險控制水準，確定施工安全品質及後期運維條件。
（二）申報機關簡介
上海建工集團股份有限公司業務和市場遍布海内外，擁有1個國家企業技術中心、15個上海市級企業技術中心、2個博士後工作站、1個上海市院士專家服務中心、1個上海市院士工作站以及22家國家高新技術企業。長期以來，上海建工堅持走“數字化、工業化、綠色化”三位一體融合發展之路，緻力于打造一流的科技創新與管理平台，建構平台共建、研發共創、成果共享機制，推動“産學研用”高效融合。
二、案例應用場景和技術産品特點
（一）案例應用場景
隐蔽結構在深層地下空間施工過程中難以探測，具有不可忽視的安全隐患。傳統的人工監測存在勞動強度大、施工效率低、資料分析不及時等問題。上海建工針對隐蔽工程常見的長距離、大體量、入地深、精度低、周邊環境複雜等特點，研發了深層地下隐蔽結構探測機器人系列工裝，廣泛适用于樁基、地連牆、重大管線等深層地下隐蔽結構安全的自動化監測。通過上海星港國際中心基坑工程監測中進行了現場應用，形成了微擾動深層地下隐蔽結構探測工藝，便捷高效的完成地下隐蔽結構進行安全資訊擷取、安全狀态評估，實作了地連牆施工的全自動測斜、地下深埋管線的自動化沉降監測。
（二）技術産品特點
本案例提出并設計研制了一種深層地下隐蔽結構探測機器人，具備高強度自行走循迹式驅動通道監測性能，包括驅動定位裝置、拉線裝置、管道定位系統、姿态檢測系統。
1.驅動裝置和定位裝置。驅動裝置采用螺旋驅動模式，通過傾斜一定角度的驅動輪旋轉驅動，并且在本機軸向旋轉保持固定的情況下，利用帶有一定角度的驅動輪結構。基于驅動輪對于管道内壁的摩擦力，就可以給探測裝置提供一定的側向力沿管道方向的軸向運動。本案例提出了螺旋式動力結構模式，提供了一種新型的“傘型驅動輪”的曲柄連杆張緊機構實作模式，如圖1-a)所示，并設計了一種連杆系統中心“抱管卡盤結構”，完成了第一代“自行式循迹測斜裝置”RCB-01的研制。後續針對初代産品在應用過程中所暴露的的設計缺陷，在對拉線裝置的改進後使其具備“自動提升”功能，對“傘型驅動輪”的改進使其進一步提升結構剛度進而能夠提供更大的扭矩傳輸。如圖1-b)所示。
a)傘狀動力結構 b）螺旋式動力結構
圖1驅動輪結構
采用定位輪張緊彈簧産生的彈性力通過連杆傳遞到定位輪上，如圖2所示。使定位輪緊壓管壁，當管道彎曲變形時由于彈簧力的作用會讓機器整體自動對中，同時克服機器人運動中産生的扭矩。該裝置對管道彎曲變形或管徑變化有較強的自适應性能，確定探測裝置受力均衡，運作平穩。
圖2 定位結構示意圖（曲柄滑塊結構）
2.拉線裝置。拉線裝置是用于探測機器人處于運動過程中時，對動力通訊繩索、保護鋼索的收放進行控制的部件，控制部件。是通過檢測裝置上繩索由于伸縮變化導緻的微小位移，實作對于收放線結構的控制。該結構目的是保證纜線收放運動能夠與機械運動過程相配合，對随動繩索的張緊情況進行回報控制。通過安裝在繩索與運動部件連接配接處的張力檢測結構，對于放線機構進行控制，如圖3所示。在備援松弛狀态進行收線，當進入過度張緊狀态時則執行放線操作。
圖3 張力檢測結構 剖視圖
3.管道定位系統。管道定位系統通過“運動計程”以及“定位點定位”相結合方式解決探測裝置在管道内的定位問題，保證管道内探測裝置的定位精度和分辨率。進一步實作機器人的管内自動化巡回及停泊，通過“參數設定”和“示教寫入”對其管内巡回路徑及停泊方案的設定，幫助現場操作人員輕松進行探測裝置路徑設定。
4.姿态檢測系統。姿态檢測系統用于了解探測裝置的姿态，并對管道的目前狀态進行描繪、檢測。在某些情況下可以對探測裝置目前位置進行判斷和估計。采用加速度傳感器與陀螺儀相結合的模式完成三自由度姿态檢測。其綜合檢測程式流程如圖4所示。探測機器人運動自由度較少，速度相對較慢，停泊時間較多，反也有利于加速度傳感器更準确的對于其姿态狀态進行确定。
圖4 裝備姿态綜合檢測程式流程圖
通過室内試驗及實際工程應用，形成了不同傳感器在隐蔽結構中的探測工藝。完成樣機制備及總裝測試，如圖5所示，并通過現場應用完成功能性驗證，開發一套“适用于工程現場的走線、計線裝置及方法”，形成完整的多樣化探測器的施工工藝。
a）探測裝置樣機 b）總裝效果圖
圖5 探測工裝圖
探測機器人可以大幅提升深層隐蔽結構探測的穩定性、可靠性及檢測效率；本系列工裝适用于管徑（90mm-3000mm）；換向能力(180°)；爬坡能力(0-90°)；承載重量(＜10kg)；檢測區域(水準360°，俯仰角-90°~+90°)；對比國内外同類技術性能名額，發現本機在适應管徑(90-3000mm)、爬坡能力(0°-90°)以及承載重量(＜10kg)等多個方面均處于較好水準。
三、案例實施情況
（一）工程概況
星港國際中心項目是位于上海虹口區的綜合開發項目，整個項目的規劃建設用地東西向長約220m，南北向寬約140m。其中，基坑工程周長約722.4m，總占地面積約30440㎡。項目建設主要包括2棟263m高主樓，總建築面積為416100㎡。地下室共計6層，基坑最深處達36m，這是迄今為止上海市房建領域最深的基坑之一。基坑北側緊鄰上海市軌道交通12号線提籃橋站，其部分主體及附屬結構位于基坑影響範圍内，提籃橋站南側約25m範圍内為由12号線項目公司代建的地下三層結構，已與提籃橋站同步建成。由于臨近地鐵區間車站，本工程将整個基坑劃分為“三大三小”六個分坑分階段施工，基坑之間由地下連續牆作臨時分隔，如圖6所示。
圖6 基坑分坑情況示意圖
（二）基坑監測布置
面對如此面積廣、深度深、緊鄰地鐵、施工過程複雜的軟土深基坑，必須加強基坑周邊環境的位移監測，不斷提高風險管控水準，對整個基坑的順利築底以及周邊緊鄰地鐵車站的建築物保護具有重要意義。本基坑工程在進一步加強人工監測密度的同時，出于降低監測人員工作量、提高監測資料連續實時性方面的考慮，充分結合現場深大地連牆結構監測難題，自主攻關研發了具有自動化監測能力的探測機器人系列工裝，并在部分重要測點位置進行初代産品的測試及應用，通過連續實時的自動化監測作業，提供高頻次的監測資料更新，為基坑安全順利施工提供預判條件。
在勘察現場，結合探測工裝裝置運作所需的硬體環境，在不影響人工監測的條件下，最終确定探測工裝的設定方位，如圖7所示。設定方位主要集中在中隔牆處，考慮在基坑開挖過程中，中隔牆處資料變化較大，施工中若有異常，及時采取補救措施，充分展現自動化監測的意義。
圖7 現場布設自動化探測裝置安裝位置示意圖
（三）自動化監測實施
結合深層地下隐蔽結構探測工裝的使用要求，地連牆測斜作業的傳感器采用的是具有測量範圍寬、高分辨率、高精度、高抗沖擊、良好的密封性等優異性能的固定式測斜儀，通過設定于測孔附近地面的動力裝置，用于對設定于測孔内的循迹驅動裝置和測斜裝置進行地面牽引，并實時的将監測資料進行雲端傳輸，如圖8所示。
圖8 基于探測機器人的自動化測斜原理示意圖
借助“網際網路+”技術，建立了深層地下隐蔽結構探測控制與分析平台，通過手機端APP即可遠端控制工地現場的各個探測機器人進入工作狀态，并自動化完成整個監測操作過程。如圖9所示，解決目前基坑測斜工作中人工任務量重、耗時長、資料受人工幹擾大、無法實作24小時不間斷實時監測的問題。
圖9 探測機器人控制終端
同時将實時監測到的大量資料自動傳輸至背景，背景進行統一分析處理，通過建立地下隐蔽結構預報警體系，同時自定義劃分報警級别，并個性化配置報警形式和報警對象。在預報警事件觸發後，在系統中采取閉環流程處理，可根據使用者自定義的職責體系，快速反應、推送預報警資訊及時處理。如圖10所示。
圖10 深層地下隐蔽結構安全智能預報警
（四）自動化監測成果展示
在現場施工進度處于第二道支撐（共計六道支撐）時，進場安裝自動化探測機器人裝置，計算機通過自動化探測機器人裝置的實體采集辦法，對現場的監測裝置設定固定監測頻率為每4小時讀取一次資料，可選擇實時采集資料或脫機狀态采集資料。
資料采集直至拆除第二道支撐，完整記錄了整個基坑開挖過程資料的變化，除偶然性（現場斷電、因現場施工切斷信号線等）資料中斷外，采集資料共計26萬多條，資料采集率高達95%。
在原始資料中提取所需資料，進入excel插件對資料進行整理，計算，對采集資料形成本次變化，累計變化，進行曲線分析，生成報表，如圖11所示。
圖11 自動化監測成果展示
選取人工監測與自動化監測在各道支撐施工期間的任意一天，取當日日變化量、累計變化量最大值進行比較，比較結果如下表所示。
探測機器人自動化監測與人工監測資料的差異性對比 表1
注：自動化監測累計變化量的起始值取自動化監測開始運作當天的人工監測累計變化量。
（五）案例實施結論
對采集的資料進行分析，出具曲線圖，與人工監測的資料進行對比，基本符合基坑變化。但在長期監測實踐中，發現自動化監測與人工監測資料有時候存在一定的差異。造成兩者資料不一緻的原因，既有偶然因素（施工現場車載帶來的影響、挖機鎬頭機帶來的震動等），也有系統性因素（監測起點時間不一緻、基準點不一緻等）。
總而言之，采用具有自動化監測能力的探測機器人系列工裝具有人為影響少、連續性水準高、監測資料實時傳輸等優點，極大提高了監測效率。采用具有自動化監測能力的探測機器人系列工裝是未來施工監測的趨勢。該系列工裝能為基坑的開挖施工提供及時、準确的資料，進而保證項目安全順利進行。
四、應用成效
（一）解決的實際問題
地下空間開發的安全風險控制極為關鍵，一旦管理失敗便會造成難以估計的損失。通過現場實測實施資訊化施工對確定地下工程的安全性具有關鍵性意義。該機器人工裝重點解決了深層地下空間開發過程中隐蔽結構監測存在勞工勞動強度大、監測效率低、資料采集不連續、資料分析不及時等問題，實作地下隐蔽結構的安全資訊的高效便捷擷取，判斷結構安全狀态，能夠很好地把握隐蔽結構施工品質和後期變形情況，降低施工風險。
以基坑工程超深地下連續牆測斜為例，人工測量與機器人測量兩者用時接近，大概在20分鐘左右，但人工逐孔測量則一個班組一天時間内隻能完成全場測斜孔的一個監測輪次，資料時效性相對較差。而采用機器人監測，則可以多個測孔同時進行資料測取，每隔半小時即可對全場測孔完成一次資料測取，資料具備同步更新性質，進而為基坑工程的安全風險管控提供充分的資料支撐。
（二）應用效果
針對深大基坑工程施工過程中面臨的開挖深度大、施工條件差、周圍環境保護要求高等難題，通過應用深層地下隐蔽結構探測機器人工裝，取得了以下成效。一是地下連續牆結構在整個基坑開挖過程中實施全自動測斜技術，實作了地下工程施工中地下連續牆水準位移的自動化、實時化、精準化回報為施工風險預測提供判定依據；二是地下深埋管線自動化實施監測技術，實作了對鄰近管線受地下工程施工引起的變形的自動化無損實時監測，大大提升了該項目的風險控制水準。
根據上海星港國際中心項目深基坑工程中的實際應用情況，從開挖至順利築底，整個施工周期8個月左右。通過該系列工裝進行現場測試，并同時采用傳統的人工監測進行亮相對比，結果證明人工監測資料與探測機器人兩者監測資料兩者差異能保持在10%以内，考慮到地下工程的複雜性、時效性特征，施工現場的偶然性因素等，監測結果在這個量級内的差異屬于合理有效範圍。
本次應用重點針對地連牆、深埋管線等深層隐蔽結構工程的探測技術難點，能夠高效友善進行地下隐蔽結構的變形資料及安全資訊擷取，判斷結構安全狀态，能夠很好地把握隐蔽結構施工品質和後期變形情況，降低施工風險，具有良好的應用前景。同時，本次應用改變了以前多個傳感器需要多個動力裝置以及多種計算系統，簡化了探測流程，并大大節省能耗成本。建立了深層地下隐蔽結構探測控制與分析平台，實作了資料傳輸的自動化，實作多項目傳感器的平行管理以及海量資料的分析，大大減少了人工以及後期海量資料分析工作量，大幅減少人力成本。
（三）應用價值
通過本次應用，重點圍繞具有高強度自行走循迹式驅動性能的探測機器人工裝，建立微擾動深層隐蔽結構探測工藝，提升了深層隐蔽結構探測裝備的穩定性和可靠性，也提升了工程現場的檢測效率；可以友善對接包含位移、應力、視訊、照片資訊等多種類探測傳感器，适用性比較強，應用範圍廣泛；采用該類精确穩定的探測手段保障了各類隐蔽結構的施作安全，并對基坑、隧道等地下高風險項目的安全風險管理提供有力支撐，具有巨大的應用前景及社會效益。
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