一、基本情况
（一）案例简介
上海建工集团股份有限公司研制的深层地下隐蔽结构探测机器人具备对桩基、地连墙、重大管线等深层地下隐蔽结构安全的全自动化监测能力。针对深层地下隐蔽工程监测作业普遍存在的长距离、大体量、入地深、精度低、周边环境复杂等难点，该机器人可以便捷高效的完成地下隐蔽结构的安全信息数据获取，以便开展后续安全状态评估。该机器人通过螺旋驱动适应复杂管内空间，通过定位系统及姿态监测系统结合内置算法完成自动循迹，能够实现对地连墙施工测斜、地下深埋管线沉降的全自动化监测，大幅降低监测人工作业强度，提高监测效率，从而提升整个工程项目的风险控制水平，确保施工安全质量及后期运维条件。
（二）申报单位简介
上海建工集团股份有限公司业务和市场遍布海内外，拥有1个国家企业技术中心、15个上海市级企业技术中心、2个博士后工作站、1个上海市院士专家服务中心、1个上海市院士工作站以及22家国家高新技术企业。长期以来，上海建工坚持走“数字化、工业化、绿色化”三位一体融合发展之路，致力于打造一流的科技创新与管理平台，构建平台共建、研发共创、成果共享机制，推动“产学研用”高效融合。
二、案例应用场景和技术产品特点
（一）案例应用场景
隐蔽结构在深层地下空间施工过程中难以探测，具有不可忽视的安全隐患。传统的人工监测存在劳动强度大、施工效率低、数据分析不及时等问题。上海建工针对隐蔽工程常见的长距离、大体量、入地深、精度低、周边环境复杂等特点，研发了深层地下隐蔽结构探测机器人系列工装，广泛适用于桩基、地连墙、重大管线等深层地下隐蔽结构安全的自动化监测。通过上海星港国际中心基坑工程监测中进行了现场应用，形成了微扰动深层地下隐蔽结构探测工艺，便捷高效的完成地下隐蔽结构进行安全信息获取、安全状态评估，实现了地连墙施工的全自动测斜、地下深埋管线的自动化沉降监测。
（二）技术产品特点
本案例提出并设计研制了一种深层地下隐蔽结构探测机器人，具备高强度自行走循迹式驱动通道监测性能，包括驱动定位装置、拉线装置、管道定位系统、姿态检测系统。
1.驱动装置和定位装置。驱动装置采用螺旋驱动模式，通过倾斜一定角度的驱动轮旋转驱动，并且在本机轴向旋转保持固定的情况下，利用带有一定角度的驱动轮结构。基于驱动轮对于管道内壁的摩擦力，就可以给探测装置提供一定的侧向力沿管道方向的轴向运动。本案例提出了螺旋式动力结构模式，提供了一种新型的“伞型驱动轮”的曲柄连杆张紧机构实现模式，如图1-a)所示，并设计了一种连杆系统中心“抱管卡盘结构”，完成了第一代“自行式循迹测斜装置”RCB-01的研制。后续针对初代产品在应用过程中所暴露的的设计缺陷，在对拉线装置的改进后使其具备“自动提升”功能，对“伞型驱动轮”的改进使其进一步提升结构刚度从而能够提供更大的扭矩传输。如图1-b)所示。
a)伞状动力结构b）螺旋式动力结构
图1驱动轮结构
采用定位轮张紧弹簧产生的弹性力通过连杆传递到定位轮上，如图2所示。使定位轮紧压管壁，当管道弯曲变形时由于弹簧力的作用会让机器整体自动对中，同时克服机器人运动中产生的扭矩。该装置对管道弯曲变形或管径变化有较强的自适应性能，确保探测装置受力均衡，运行平稳。
图2定位结构示意图（曲柄滑块结构）
2.拉线装置。拉线装置是用于探测机器人处于运动过程中时，对动力通讯绳索、保护钢索的收放进行控制的部件，控制部件。是通过检测设备上绳索由于伸缩变化导致的微小位移，实现对于收放线结构的控制。该结构目的是保证缆线收放运动能够与机械运动过程相配合，对随动绳索的张紧情况进行反馈控制。通过安装在绳索与运动部件连接处的张力检测结构，对于放线机构进行控制，如图3所示。在冗余松弛状态进行收线，当进入过度张紧状态时则执行放线操作。
图3张力检测结构剖视图
3.管道定位系统。管道定位系统通过“运动计程”以及“定位点定位”相结合方式解决探测装置在管道内的定位问题，保证管道内探测装置的定位精度和分辨率。进一步实现机器人的管内自动化巡回及停泊，通过“参数设置”和“示教写入”对其管内巡回路径及停泊方案的设定，帮助现场操作人员轻松进行探测装置路径设定。
4.姿态检测系统。姿态检测系统用于了解探测装置的姿态，并对管道的当前状态进行描绘、检测。在某些情况下可以对探测装置当前位置进行判断和估计。采用加速度传感器与陀螺仪相结合的模式完成三自由度姿态检测。其综合检测程序流程如图4所示。探测机器人运动自由度较少，速度相对较慢，停泊时间较多，反也有利于加速度传感器更准确的对于其姿态状态进行确定。
图4装备姿态综合检测程序流程图
通过室内试验及实际工程应用，形成了不同传感器在隐蔽结构中的探测工艺。完成样机制备及总装测试，如图5所示，并通过现场应用完成功能性验证，开发一套“适用于工程现场的走线、计线装置及方法”，形成完整的多样化探测器的施工工艺。
a）探测装置样机b）总装效果图
图5探测工装图
探测机器人可以大幅提升深层隐蔽结构探测的稳定性、可靠性及检测效率；本系列工装适用于管径（90mm-mm）；换向能力(°)；爬坡能力(0-90°)；承载重量(＜10kg)；检测区域(水平°，俯仰角-90°~+90°)；对比国内外同类技术性能指标，发现本机在适应管径(90-mm)、爬坡能力(0°-90°)以及承载重量(＜10kg)等多个方面均处于较好水平。
三、案例实施情况
（一）工程概况
星港国际中心项目是位于上海虹口区的综合开发项目，整个项目的规划建设用地东西向长约m，南北向宽约m。其中，基坑工程周长约.4m，总占地面积约㎡。项目建设主要包括2栋m高主楼，总建筑面积为㎡。地下室共计6层，基坑最深处达36m，这是迄今为止上海市房建领域最深的基坑之一。基坑北侧紧邻上海市轨道交通12号线提篮桥站，其部分主体及附属结构位于基坑影响范围内，提篮桥站南侧约25m范围内为由12号线项目公司代建的地下三层结构，已与提篮桥站同步建成。由于临近地铁区间车站，本工程将整个基坑划分为“三大三小”六个分坑分阶段施工，基坑之间由地下连续墙作临时分隔，如图6所示。
图6基坑分坑情况示意图
（二）基坑监测布置
面对如此面积广、深度深、紧邻地铁、施工过程复杂的软土深基坑，必须加强基坑周边环境的位移监测，不断提高风险管控水平，对整个基坑的顺利筑底以及周边紧邻地铁车站的建筑物保护具有重要意义。本基坑工程在进一步加强人工监测密度的同时，出于降低监测人员工作量、提高监测数据连续实时性方面的考虑，充分结合现场深大地连墙结构监测难题，自主攻关研发了具有自动化监测能力的探测机器人系列工装，并在部分重要测点位置进行初代产品的测试及应用，通过连续实时的自动化监测作业，提供高频次的监测数据更新，为基坑安全顺利施工提供预判条件。
在勘察现场，结合探测工装设备运行所需的硬件环境，在不影响人工监测的条件下，最终确定探测工装的设置方位，如图7所示。设置方位主要集中在中隔墙处，考虑在基坑开挖过程中，中隔墙处数据变化较大，施工中若有异常，及时采取补救措施，充分体现自动化监测的意义。
图7现场布设自动化探测设备安装位置示意图
（三）自动化监测实施
结合深层地下隐蔽结构探测工装的使用要求，地连墙测斜作业的传感器采用的是具有测量范围宽、高分辨率、高精度、高抗冲击、良好的密封性等优异性能的固定式测斜仪，通过设置于测孔附近地面的动力装置，用于对设置于测孔内的循迹驱动装置和测斜装置进行地面牵引，并实时的将监测数据进行云端传输，如图8所示。
图8基于探测机器人的自动化测斜原理示意图
借助“互联网+”技术，建立了深层地下隐蔽结构探测控制与分析平台，通过手机端APP即可远程控制工地现场的各个探测机器人进入工作状态，并自动化完成整个监测操作过程。如图9所示，解决目前基坑测斜工作中人工任务量重、耗时长、数据受人工干扰大、无法实现24小时不间断实时监测的问题。
图9探测机器人控制终端
同时将实时监测到的大量数据自动传输至后台，后台进行统一分析处理，通过建立地下隐蔽结构预报警体系，同时自定义划分报警级别，并个性化配置报警形式和报警对象。在预报警事件触发后，在系统中采取闭环流程处理，可根据用户自定义的职责体系，快速反应、推送预报警信息及时处理。如图10所示。
图10深层地下隐蔽结构安全智能预报警
（四）自动化监测成果展示
在现场施工进度处于第二道支撑（共计六道支撑）时，进场安装自动化探测机器人设备，计算机通过自动化探测机器人设备的物理采集办法，对现场的监测设备设定固定监测频率为每4小时读取一次数据，可选择实时采集数据或脱机状态采集数据。
数据采集直至拆除第二道支撑，完整记录了整个基坑开挖过程数据的变化，除偶然性（现场断电、因现场施工切断信号线等）数据中断外，采集数据共计26万多条，数据采集率高达95%。
在原始数据中提取所需数据，进入excel插件对数据进行整理，计算，对采集数据形成本次变化，累计变化，进行曲线分析，生成报表，如图11所示。
图11自动化监测成果展示
选取人工监测与自动化监测在各道支撑施工期间的任意一天，取当日日变化量、累计变化量最大值进行比较，比较结果如下表所示。
探测机器人自动化监测与人工监测数据的差异性对比表1
注：自动化监测累计变化量的起始值取自动化监测开始运行当天的人工监测累计变化量。
（五）案例实施结论
对采集的数据进行分析，出具曲线图，与人工监测的数据进行对比，基本符合基坑变化。但在长期监测实践中，发现自动化监测与人工监测数据有时候存在一定的差异。造成两者数据不一致的原因，既有偶然因素（施工现场车载带来的影响、挖机镐头机带来的震动等），也有系统性因素（监测起点时间不一致、基准点不一致等）。
总而言之，采用具有自动化监测能力的探测机器人系列工装具有人为影响少、连续性水平高、监测数据实时传输等优点，极大提高了监测效率。采用具有自动化监测能力的探测机器人系列工装是未来施工监测的趋势。该系列工装能为基坑的开挖施工提供及时、准确的数据，从而保证项目安全顺利进行。
四、应用成效
（一）解决的实际问题
地下空间开发的安全风险控制极为关键，一旦管理失败便会造成难以估计的损失。通过现场实测实施信息化施工对确保地下工程的安全性具有关键性意义。该机器人工装重点解决了深层地下空间开发过程中隐蔽结构监测存在工人劳动强度大、监测效率低、数据采集不连续、数据分析不及时等问题，实现地下隐蔽结构的安全信息的高效便捷获取，判断结构安全状态，能够很好地把握隐蔽结构施工质量和后期变形情况，降低施工风险。
以基坑工程超深地下连续墙测斜为例，人工测量与机器人测量两者用时接近，大概在20分钟左右，但人工逐孔测量则一个班组一天时间内只能完成全场测斜孔的一个监测轮次，数据时效性相对较差。而采用机器人监测，则可以多个测孔同时进行数据测取，每隔半小时即可对全场测孔完成一次数据测取，数据具备同步更新性质，从而为基坑工程的安全风险管控提供充分的数据支撑。
（二）应用效果
针对深大基坑工程施工过程中面临的开挖深度大、施工条件差、周围环境保护要求高等难题，通过应用深层地下隐蔽结构探测机器人工装，取得了以下成效。一是地下连续墙结构在整个基坑开挖过程中实施全自动测斜技术，实现了地下工程施工中地下连续墙水平位移的自动化、实时化、精准化反馈为施工风险预测提供判定依据；二是地下深埋管线自动化实施监测技术，实现了对邻近管线受地下工程施工引起的变形的自动化无损实时监测，大大提升了该项目的风险控制水平。
根据上海星港国际中心项目深基坑工程中的实际应用情况，从开挖至顺利筑底，整个施工周期8个月左右。通过该系列工装进行现场测试，并同时采用传统的人工监测进行亮相对比，结果证明人工监测数据与探测机器人两者监测数据两者差异能保持在10%以内，考虑到地下工程的复杂性、时效性特征，施工现场的偶然性因素等，监测结果在这个量级内的差异属于合理有效范围。
本次应用重点针对地连墙、深埋管线等深层隐蔽结构工程的探测技术难点，能够高效方便进行地下隐蔽结构的变形数据及安全信息获取，判断结构安全状态，能够很好地把握隐蔽结构施工质量和后期变形情况，降低施工风险，具有良好的应用前景。同时，本次应用改变了以前多个传感器需要多个动力装置以及多种计算系统，简化了探测流程，并大大节省能耗成本。建立了深层地下隐蔽结构探测控制与分析平台，实现了数据传输的自动化，实现多项目传感器的平行管理以及海量数据的分析，大大减少了人工以及后期海量数据分析工作量，大幅减少人力成本。
（三）应用价值
通过本次应用，重点围绕具有高强度自行走循迹式驱动性能的探测机器人工装，建立微扰动深层隐蔽结构探测工艺，提升了深层隐蔽结构探测装备的稳定性和可靠性，也提升了工程现场的检测效率；可以方便对接包含位移、应力、视频、照片信息等多种类探测传感器，适用性比较强，应用范围广泛；采用该类精确稳定的探测手段保障了各类隐蔽结构的施作安全，并对基坑、隧道等地下高风险项目的安全风险管理提供有力支撑，具有巨大的应用前景及社会效益。