基于无线传感的物联网在隧道施工监测中的应用

王亚琼，黄忆霖，王开运，李俊锋，赖金星

(1.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.云南省交通运输厅工程质量监督局，云南 昆明 650214)

基于无线传感的物联网在隧道施工监测中的应用

王亚琼1，黄忆霖2，王开运2，李俊锋3，赖金星1

(1.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.云南省交通运输厅工程质量监督局，云南 昆明 650214)

隧道工程所处地质条件复杂多变，施工中易发生各类工程事故，严重威胁施工与运营期间人员生命与财产安全。加强施工期间的监控量测，对保证隧道工程能否安全经济的完成具有重要的意义。为研究隧道施工过程中监控量测所面临的频率不足、费时费工等问题，采用物联网基础理论与技术，分析了物联网技术与隧道施工之间的契合度关系，利用现有物联网技术体系所拥有的全面感知，可靠传输与智能辅助技术，提出基于物联网的隧道施工监控量测技术，并成功应用于大宝山隧道工程。基于物联网技术的隧道施工监控量测技术能够对隧道工程的设计与施工提供足够的信息指导与反馈，与隧道施工区作业安全与质量管理契合度较高，充分实现施工过程智能化、信息化，起到科学有效的监控和预警作用，并且降低了整个工程的工程造价，具有一定的工程价值。

隧道工程；物联网；传感器网络；隧道施工；隧道监控量测；围岩压力

0 引 言

隧道工程的隐蔽性是隧道设计施工与其他地面工程有较大差异的主要因素，由于周围地质条件和围岩性状的复杂多变，造成地质条件和岩体性质难以全面掌握，力学参数难以确定，给设计施工带来了极大的盲目性。加上隧道修筑区域周边地质岩体环境复杂，以及施工方对质量安全的把控不过关，为追求工期和效益盲目施工，导致施工中经常出现塌方、冒顶、突水、涌泥等工程事故，引发生态环境灾害，轻则影响进度、增加费用，重则造成人员伤亡。为保证设计与施工的可靠性，必须强化施工期间的监控量测工作，对开挖面进行地质观察和预报，对围岩的力学性能进行动态评价，进而对施工方法、断面开挖步骤、初支的支护参数进行合理的调整，做到信息化施工，保证围岩稳定、支护经济、施工质量过关。由于目前大部分隧道工程的监控量测还处于人工监测阶段，导致监测频率与精度很难满足要求，不能及时反映施工中出现的问题。

随着物联网技术的出现，其特点与施工安全监测、质量管理的高契合度，使得物联网技术在公路交通领域得到大范围的应用。进入21世纪后，随着RFID技术、传感器技术、远程通信技术等物联网核心技术的逐步成熟，物联网技术开始在工程监测领域发挥作用。在国际上，日本Masao Yamada等人利用物联网技术，开发出远程自动化监测系统，应用于滑坡各种模式的监测[1]；瑞士 Solexperts公司开发的GeoMomtor自动监测系统也引入了物联网相关技术，可以满足不同工程的需求[2]；加拿大新步伦瑞克大学的DIMONS预警系统已成功应用到加州钻石湖监测中[3]；瑞士徕卡公司的GeoMoS系统可连接不同型号的测量机器人和传感器，在安全监测领域得到了广泛认可[4-5]。国内对物联网技术的研究起步较晚，韩晖研究了基于物联网技术的隧道监测体系的软硬件实施以及隧道内应急指挥系统的分析与设计[6]；谢雄耀等基于无线传感器网络进行了地铁隧道结构的健康监测，对其在地铁监测中面临的挑战进行了分析和总结[7]；李白萍等分析煤矿油田等危险环境特点，提出了1种适用于煤矿、油田等危险环境监控的无线传感器网格的体系结构，并分析了该体系结构在危险环境监控中的优势[8]。张国柱等研发了适用于隧道结构内部和表面健康监测的组装式无线传感器，并以伦敦某地铁隧道的结构变形监测案例进行了介绍[9]。

受到地质条件限制和技术方面等因素的限制，目前国内物联网的应用范围更多的是应用在智能交通方面，在工程监测领域的应用较少；物联网在隧道工程的应用上，以人员定位与智能管理为主，在隧道施工监测领域中的应用仍有待发展。文中根据物联网技术的基本原理与组成结构，分析物联网技术与隧道施工监控量测工作的契合情况，提出基于物联网技术的隧道施工监控量测体系，将其应用在实际工程中并对基于物联网的隧道施工监测系统对施工的指导和反馈作用进行了评价。结果表明，基于物联网的隧道施工监控量测体系能够在实际工程中为设计与施工方提供实时准确的信息，从而确保工程进度与安全的要求。

1 隧道物联网技术构成

1.1 物联网技术的构成要素

物联网技术是通过条形二维码、射频识别技术(RFID)、传感器技术设备以及全球定位系统和无线传输技术，将各种实体与互联网等各种网络相连，广泛获取各类信息，从而实现定位、跟踪、监控等综合智能化的1种全新的网络技术，实现了人与人，物与物之间的很好交流[10]。

从结构上来说，可以分为感知层，传输层和智能处理层3个层次，如图1所示。

图1 物联网技术结构层次示意图Fig.1 Structure level of Internet of things technology

感知层是物联网技术的底层，包括有射频识别技术(RFID)、遥测遥感技术(RS)以及传感器与传感器网络；传输层包括互联网技术，无线传输技术、卫星通信技术等；智能处理层是指物联网中的数据处理和应用技术，包括云计算、数据处理和融合技术、计算机视觉技术、通信技术等。

1.2 隧道物联网关键技术

1.2.1 感知层关键技术

在物联网的感知层中，起着关键作用的主要有传感器技术和射频识别技术：传感器通俗的说就是将其他物理信息(如压力、速度、湿度、位移、变形等)按一定规律转化为电信号或其他所需形式的信息并对数据进行输出、处理、存储、显示和控制的装置。射频识别技术(RFID)是1种非接触式自动识别技术，通过射频信号能够自动识别对象来获取相关数据，不需要人工干预，是条形码的无线版本。

1.2.2 传输层关键技术

电磁波信号可以在空间中自由传播而不借助介质，利用这一特性进行信息接收或发送的传输方式即为无线传输[11]。其主要包括：Wi-Fi技术、Zigbee技术、第三代移动通信技术(3 G技术)。

1.2.3 计算机视觉技术

计算机视觉技术是物联网在智能处理层的关键技术。利用计算机来完成生物的视觉功能，用成像系统代替视觉器官作为输入敏感手段，由计算机来代替大脑完成处理和解释，通过对采集的图片或视频进行处理以获得相应场景的三维信息。计算机视觉技术包括图像处理技术，模式识别技术与图像理解技术[12]。

2 隧道物联网技术方案设计

2.1 工程概况

待(补)功(山)高速公路起点位于云南省会泽县待补镇，终点位于寻甸回族彝族自治县功山镇，为G85渝昆高速的一部分。大宝山隧道作为待功高速公路的关键性控制工程，属于分离式双洞隧道，左线起讫桩号为ZK45+790～ZK47+645，长1 855 m；右线起讫桩号为YK45+810～YK47+655，长1 845 m．研究主要以ZK47+487断面为监测断面，安装时间为2013-11-19.该断面处围岩等级为V级，为玄武岩与灰岩接触带，玄武岩风化强烈，节理裂隙极为发育，泥化明显；围岩喷层设计厚度25 cm，钢架设计间距80 cm，二衬设计厚度50 cm.

大宝山隧道在施工阶段的监控量测项目中，以下几个项目的测量工作能够与物联网较好的结合：①锚杆轴力与围岩内部位移；②围岩与初支之间接触压力；③钢支撑内力；④二衬混凝土内力等项目。

2.2 隧道监测系统设计

传统的隧道监测系统中，测量项目的观察和数据测量都是靠人工量测和纸质记录，需在施工期和运营期期间，耗费大量人力物力进行实时量测，经济性和安全性都较低[13]。而利用物联网系统进行施工监测，克服了以往人工测量频率不足，费时费工的缺点，提供准确及时的围护结构变化情况，以便更好的修正施工参数和施工工艺，为动态施工提供了技术支持。同时监控结果为判定围岩稳定性，以及初支、二衬的可靠性提供信息，为施工中调整围岩的级别、支护系统设计的修改、提供二衬的合理施作时间以及施工方法的变更提供依据[14]。

2.2.1 监测系统硬件设计

根据物联网基本理论中对于感知层、网络层和应用层的定义，监控量测所需设备在功能上可以分别与物联网的这3个结构层次相对应。以待功高速公路大宝山隧道基于物联网的监控量测系统为例，该监控量测系统所需设备主要有：传感器、数据采集器、传输网络、终端设备与软件。根据物联网基本理论中对于感知层、网络层和应用层的定义，监控量测所需设备在功能上分别与物联网的3个结构层次相对应。

1)传感器。传感器是物联网感知层的重要组成与基础设备，是监测系统进行监测的基础。从物联网的结构体系上来说，属于物联网感知层的对应设备，在整个监测系统中起着感应被测量物体物理力学性质变化，并记录变化情况数据的功能。本次研究使用的传感器主要包括振弦式钢筋应力计、振弦式表面应变计、振弦式混凝土应变计、振弦式土压力计等。

2)采集器。隧道监测系统中的采集器起着采集、保存、处理和传输传感器所收集到的数据的任务，从物联网的结构体系上来说，属于物联网中包含感知层和传输层的对应设备。

根据研究需求，选择MCU-32型分布式模块化自动测量单元自动采集各类传感器数据的采集器，该型号采集器能够自动采集各传感器的数据，具有较高的测量精度，可靠的系统稳定性，灵活的数据采集方式；较好的对现场适应能力以及防水、防雷、抗干扰；具备多种数据传输方式，支持有线与无线数据传递。综合考虑信息收集能力、传输多样性与抗干扰性，如图2所示。

图2 MCU-32型分布式模块化自动测量单元Fig.2 MCU-32 distributed modular automatic measurement unit

每台MCU-32型分布式模块化自动测量单元包括测量模块﹑主控与通讯模块，电源模块，接线端口模块等4个模块，将这4个模块组合到一起即可工作，其主要技术指标见表1.

表1 MCU-32型分布式模块化自动测量单元主要技术指标

MCU-32型分布式模块化自动测量单元具有如下基本特点：①开放式结构，测量精度高，系统稳定性强；②每台MCU-32为模块化组合，修理维护方便；③MCU-32无需另配避雷器，具有完善的防雷功能；④具有完备的系统自检功能；⑤有多种数据传输方式：RS485传输、TCP/IP网络传输、光缆传输、GPRS/CDMA传输等；⑥存贮数据可通过串口传输，也可以使用U盘拷贝至计算机，数据转移灵活。

3)传输网络。隧道施工监测系统的传输网络，需要对数据进行汇总并将数据传输给数据库与数据处理系统，从物联网的结构体系上来说，属于物联网中传输层的对应设备。

传输网络需支持较为灵活的数据传输和转移方式，可以借助MCU-32的主控与通讯模块以及接线端口来完成，该采集器有线传输方式有RS485传输、TCP/IP网络传输、光缆传输，无线传输方式有无线数传电台传输、GPRS/CDMA传输等。在数据转移方式上，可通过串口传输，也可以使用U盘拷贝。

4)终端设备。终端设备是数据库以及数据分析处理软件运行的设备，主要完成对采集器传输来的数据进行接受、储存、分析和处理，从物联网的结构体系上来说，属于物联网中应用层的对应设备。隧道施工监测系统与物联网结构层的对应关系可以用如图3所示。

图3 隧道施工监测系统设备与物联网结构层对应关系Fig.3 Corresponding relationship between monitoring system equipment in tunnel construction and structure level of internet of things

2.2.2 监测系统软件方案

监测系统的软件方案可分为2个部分。

1)采集器控制程序，能够管理每个监测断面的数据传输，以及每个传感器数据的采集；

2)监测分析程序，可以与采集器的控制软件进行对接，分析并且处理由采集器采集到的监控量测数据，还可根据数据，绘制位移-时间曲线，形成数据图表与分析报告，更直观的显示隧道结构变化情况。

3 隧道物联网监测系统应用

3.1 监测方案

以围岩与初支之间的接触压力为例，说明物联网技术在隧道监控量测中的具体应用。监控方法为在围岩与支护之间埋设各种压力盒等传感器，结合MCU32采集器，监控频率见表2[15-16]。主要技术要点如下

1)每断面布置5个测点，布置如图4，压力盒边上的数字为压力盒编号；

2)传感器布设于围岩与初衬交界面用于围岩压力量测；

3)埋设前应记录压力盒传感器初始频率，编号传感器，并标记对应接头，埋设时注意导线保护；

4)将压力盒接入MCU32采集器，根据标定系数，将频率换算成相应的接触应力。

表2 压力测试频率表

图4 断面测点的布置形式Fig.4 Arrangement of measurement point of section

3.2 监测系统测量数据成果

在大宝山隧道左洞掌子面K47+487处，为动态掌握围岩压力变化情况，从而对施工的顺利进行提供有效的数据和信息，在掌子面开挖后及时安装压力盒，对接触压力进行监控量测，获取围岩压力沿时间变化的数据，并且对数据曲线进行了初步的分析。监控量测频率依照前文表2执行，围岩压力沿时间变化曲线如图5，图6所示。

图5 大宝山隧道左洞K47+487接触压力-时间曲线Fig.5 Contact pressure-time curve of Dabaoshan left tunnel at K47+487 section

图6 大宝山隧道左洞K47+487接触压力-时间曲线Fig.6 Contact pressure-time curve of Dabaoshan left tunnel at K47+487 section

3.3 监控量测结果分析

1) 从图5，图6可以看出，在施作初支喷射混凝土后，由于混凝土尚未固结，喷射混凝土层能适应围岩的变形而随之变形，所以隧道内监控量测断面上围岩与初支之间的接触压力均为零。当喷射混凝土层固结形成有效强度之后，喷层将阻止围岩的进一步变形，而围岩仍处于应力释放阶段，从而在喷层与围岩之间产生应力，随着时间的推移，各监测点处喷层的应力逐步增大，随后变形趋于稳定。

2) 从隧道量测断面内不同部位围岩的稳定程度来看，根据各个部位测出的围岩与喷层之间的接触压力-时间统计表与统计图，大宝山隧道左洞右拱腰处围岩与喷层之间的接触压力最小，所受应力最小，在整个变化过程中应力均小于10 kPa，是断面内最稳定的部位；左拱腰围岩与喷层间的接触压力在前6 d上升较快，在第6 d达到峰值应力148.9 kPa后开始回落，并稳定在80～90 kPa之间；左边墙在开挖初期接触压力上升较快，在开挖第7 d之后上升速度有所回落，在开挖第16 d后达到峰值压力55 kPa，随后在第16 d(2周左右)时，接触压力开始下降并趋于平稳；右边墙变化情况类似于左边墙，开挖1周之内接触压力随时间增加较快，之后增加较慢，在第55 d(2个月左右)时不再增加，转为小幅度减小并趋于稳定；拱顶围岩与喷层之间的接触压力最大，所受应力最大，开挖16 d(2周左右)时达到峰值应力544.6 kPa，之后接触压力开始减小，但数值仍旧较大，且变形趋于稳定所花费时间较长，在开挖90 d(3个月)后才逐渐趋于稳定。

3)根据接触压力-时间统计图所反映的结果，可大致将开挖后围岩与喷层之间的接触压力分为3个阶段：第一阶段为刚开挖(0 d)到开挖后1～2周时间内，这一阶段应力释放较快，围岩与喷层之间的接触压力上升迅速；第二阶段为开挖后1～2周至开挖后1个月，这一阶段围岩与喷层之间的接触压力仍旧处于上升阶段，但上升速度明显小于第一阶段，有部分测点围岩与喷层之间的接触压力已无较大幅度的变化，处于慢速增长或平稳阶段；第三阶段为开挖后1个月之后，此时围岩与喷层之间的接触压力开始趋于稳定，无较大变化，可以认为围岩已处于稳定状态。将隧道各监测点的变形情况进行汇总，见表3.

表3 大宝山隧道监测断面各监测点应力变化

3.4 对施工的指导作用

1)根据接触压力-时间统计图所反映的结果，大宝山隧道左洞拱顶处接触压力明显高于隧道掌子面其余部位，且拱顶存在拉应力区，容易产生松弛，掉块，落石等局部破坏，且拱顶处喷射混凝土层在施作时，经常由于施工工艺与施工工期等原因，造成喷层厚度不够，或喷层混凝土未与围岩紧密接触，造成喷层后有较大空洞，均会影响施工进度，危及施工人员安全。因此在施工时，因尤其注意拱顶处喷层的厚度与密实度情况，在围岩较差处及时进行注浆处理，防止出现局部破坏。

2)隧道开挖后1～2周时间内为接触压力与变形快速增长期，这一阶段应严格遵循新奥法施工原则，应加强监控量测，及早施作喷层，封闭围岩，形成承载环。同时对喷层与围岩间有空洞的部位及时注浆，填充围岩裂缝，提高围岩自承能力。

4 结 论

1)通过物联网核心技术，对隧道施工监控系统提供了技术支持，使得施工更有效率，保证了隧道工程安全高效的进行。为智能化、信息化施工提供了技术保障；

2)隧道内部施工环境恶劣，多种技术与设备受到隧道施工环境的影响，并不能保证技术和设备的正常应用，因此需要相应的数据传感和采集模块，以及无线通讯模块能够在较差的环境中仍然能够保持良好的运行状态；

3)降低物联网技术应用的成本不仅能够降低工程造价，也能够减少业主和施工方对于物联网监测平台排斥心理。要解决这一问题，关键还在于技术运用的成熟度。成熟的技术能保证物联网快速规模化发展、促使物联网相关产业的良性循环，从而降低各环节的成本；

4)物联网环境下拥有大量无线传输网络，在公共场合的网络信号没有实施加密，网络容易被入侵，数据信息容易被窃取。这不仅影响到隧道工程数据的安全，还影响到应急指挥系统的正常运行。因此需要通过技术手段加强增强底层传感器网络的安全、保证设备正常运行；

5)现今各个领域对于物联网技术的应用都自成体系，使得物联网技术在隧道工程人员检测应急指挥领域中的应用存在障碍。因此需要各个领域的合作，建立规范的标准体系，真正的实现隧道工程安全监控及智能化应急指挥的统一。

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Application of IoT technology in tunnel construction monitoring measurement based on sensor network

WANG Ya-qiong1,HUANG Yi-lin2,WANG Kai-yun2,LI Jun-feng3,LAI Jin-xing1

(1.KeyLaboratoryforHighwayBridgeandTunnelEngineeringofShaanxi,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 3.BureauofEngineeringQualitySupervisionofYunnanProvincialTransportDepartment,Kunming650214,China)

All kinds of engineering disaster is easily occurred in the tunnel construction because of the complex and changeable geological conditions The disasters will become serious threat to personnel safety and property in the tunnel construction and operation period.Enforce the monitoring during the construction period has important significance to ensure that the entire project can finish securely and frugally.In order to study the problem of monitoring measurement with the lack of frequency and time-consuming in the process of tunnel construction，the basic theory and technology of IoT technology are used，using comprehensive perception，reliable transmission and intelligent assistant technology of the existing IoT technology，and the fit relationship between IoT technology and tunnel construction is analyzed and tunnel construction monitoring and measurement based on the IoT technology are provided，and it is applied in Dabaoshan tunnel.Tunnel construction monitoring measurement technology based on IoT technology can provide sufficient information and feedback to guide the design and construction of tunnel engineering and fully realize the construction period intellectualization and informationalization.It has an effective function for safety and quality management in tunnel construction work district and reduce the cost of the whole project.The results can serve as valuable reference for other similar cases.

tunnel engineering；internet of things(IoT)；sensor network；tunnel construction；tunnel monitoring measurement；surrounding rock pressure

2015-03-10 责任编辑:李克永

国家自然科学基金(51408554)；云南省交通科技项目(2013080603)

王亚琼(1975-) ,男,安徽太湖人,博士,副教授,E-mail: ys08@gl.chd.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0416

1672-9315(2015)04-0498-07

U 45

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