地下输水隧洞围岩稳定监测系统设计研究

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

在地下施工作业中，通常会碰到特质不均匀的地表岩石、复杂多样地质构造的问题。如果再受到力的影响(其中包括外力、应力和内力)，岩体整个内部结构就会产生极大的变化[1]。如果围岩有形状的变化、位置的移动、松动的围岩地质结构，就会导致很大损失，这表明加强监督管控测量工作对施工作业至关重要[2]。要保证地下输水隧洞工程能有效减少塌方等危险，就要遵循岩力学的变化规律，对岩围机构的支护时间、参数等指数合理有效整合、掌握和了解。

1 设计系统的目的

地下输水隧洞围岩系统实现稳定监测的功能如下：

a.全面采集隧洞围岩的位移测量指标。把所有对隧洞围岩采集到的直线位移量，通过磁传感器(具备位移可伸缩的基本特性)转变为电信号，分析大小与位移量可以得知，二者呈明显的线性关系，电信号指的是围岩位移量，可随时观察它的变化。

b.高效传输隧洞位移量的数据。在采集节点上通过接收到传感器的隧洞位移量的数据，经过网络汇总再利用无线传感器输出到隧洞外的监控站[3]。最后，外面的监督管控站再把数据进行融合，利用以太网整理打包组合，并将其一并发送出去，然后，由地面监控中心成功接收即可。

c.准确判定隧洞围岩位移量，及时警报提示。以测量出来有科学依据的某个数值区域为标准和根据，对比隧洞内各个节点的测量值，若实际位移量超出了阈值，外面的监控站就要立刻拉响警报，有警灯闪烁，所有的监控管理平台都会出现报警的紧急提示。此外，监控平台软件还可以自动生成隧洞地质结构围岩位移图，有效反映各个时间段内发生的位移现象，明确稳定性出现变化的具体点位。

2 设计监测系统的结构组织

信息的采集、信息的传输、监控和管理分别是隧洞围岩中位移量的检测在无线传感器网络中的三个重要组成系统，不管是信息采集系统、传输系统还是管控系统，都是整个监测系统必不可少的重要环节，受整个监测系统的统一调配，协同工作。监测系统结构组织原理见图1。

图1 监测系统结构组织原理

3 隧洞围岩变形影响因素分析

隧洞施工过程中，围岩变形受到各种因素的影响。但是，我国目前的隧道规范没有基于位移的围岩稳定标准，主要是由于在不同岩性和不同工作条件下，围岩位移发生了较大变化。另外，跨度、埋深、施工方法等因素对围岩变形也有较大影响。结合隧洞围岩变形破坏的情形，同时考虑工程地质特点和隧洞施工条件，分析得出施工方法和施工过程是影响隧洞变形破坏的主要因素。

影响隧洞围岩变形的因素不仅与不同的工程地质条件、岩体特征和隧洞支护措施有关，而且与不同的施工方法也有很大关系。隧洞开挖时，都会不同程度地扰动围岩，使得围岩的应力释放，多次重新分配，导致开挖后围岩的力学性能远远低于原来的岩石。根据围岩变形特征与隧洞施工状态的关系，在不同的施工过程中，围岩变形率波动明显。因此，在施工现场监测时，除了依靠监测数据和分类分析来判断围岩的稳定性外，还要掌握围岩变形与施工状态之间的关系。监测施工现场及现场检测见图2和图3。

其一是产业竞争的公共效应。一个产业的产生，往往源于革命性的科技创新，企业意识到创新的商业价值，产生强大的创新需求。产业的产生及发展，一般会遵循成长曲线规律，即产业发展的起步期、成长期、成熟期和衰退期。在起步期，由于投入资源有限，创新速度缓慢;在成长期，创新速度加快，创新资源投入众多，创新效果较好;而在成熟期和衰退期，随着技术的日趋成熟，创新变得越来越困难，因此创新速度也较慢。在起步期和成长期，由于创新速度越来越快，会吸引政府追加创新投入，同时给予一系列的配套政策支持，创新速度越快，政府的相关配套政策越多，从而推动创新速度进一步加快，形成良性循环。

图2 监测施工现场

图3 现场检测

4 输水隧洞围岩稳定监测系统设计

4.1 设计监控站

4.1.1 设计监控站的要求

地下隧洞的传感器数据采集点和监控中心的服务平台主要靠监控站进行连接和传输。监控站主要是把采集点上位移量的数据利用无线传感网络进行收集整理，随后借助光纤网完成位移数据的迁移，使其进入到监控中心，作进一步分析与判定。监控站是根据协议，在无线网络与有线网络之间进行转换。为了快捷用电以及方便安装网络电缆，建议在地下隧洞口处的空旷地带安装网络电缆。设计监控站主要考虑以下几方面：

a.传输数据的速度要足够快，因为所有接收到位移的位置、时间、电量等无线网络汇总的大量数据信息要整理融合并转发，所以监控站的传输率一定要满足其数据融合量。

b.传输数据容量存储盘要足够大，能保存大量数据信息，并且要对某些历史数据长期保存，以便存根存档。

c.通信的质量一定要高，不管是无线网络还是有线网络，都对保证通信质量的频段、设备芯片提出了特别严格的要求。

d.保证无线网络具备高度监控能力，覆盖至各个新增或者无效节点，出现上述类型节点后随即发出提示并重组。

e.完善报警、处警的紧急处突能力。一旦测量的位移量、时间量超过了阈值，就要迅速拉响警报、开启警灯，使工作人员及时采取提前处置、撤离等补救措施[4]。

4.1.2 设计监控站的硬件装备

图4 监控站硬件设施结构

a.整个监控站最为核心的当属微处理器，具体对应的是各单元内部的监控站处理器，可完成节点位移量的采集，并借助网络完成相关数据的传输。考虑到数据需要在第一时间高效、快捷地与地面控制中心服务平台进行联络，要求各个微处理器的主频和内置接口处的版块质量非常高。

b.建立与地面服务器之间通信需得到以太网的支持，用到了DM9161芯片，设置了与网络连接的接口，物理层收发器之间需要通过以太网完成数据的传输。实际工作中，发送数据位主要指的是20～17引脚，基于21引脚实现传输，并通过29～26引脚接收，在32引脚中断输出效果。不仅如此，为满足网络匹配以及运行稳定性需求，适配了网络变压器H1102NL，为整体运行提供了保障。

c.整合所有监控站搜集到的采集点上的数据信息，一旦有单位时间等位移数据超过之前设定的安全正常阈值，就要拉响警报、开启警灯，第一时间迅速报警，要求工作人员接到警报，作出紧急处置[5]。

d.此外还有液晶显示、按键等附属单元，必须注意与采集点上硬件设备的设计电路思想一致。

4.1.3 设计监控站的软件程序

设计监控站的软件程序主要由无线数据的汇总整合和以太网的数据通信两部分组成。借助以太网，可创设与监控管理中心的有效连接途径，此时监控站的特定指令可以转达至监控管理中，获取各节点对应的数据，一方面对数据库作出分析，另一方面也可以对采集点进行监控，如果有异常可以立即上传警报。设计监控站软件程序的流程为：启动→系统初始化→模块初始化(Timer、以太网等)→变量初始化→使能Timer中断→无线模块等附属单元初始化→运行看门狗→运行Main循环→传递特定函数→基于以太网接收函数→串口接收→按键捕捉信息→显示屏呈现→触动声光报警功能。

整个无线传感网络的信息汇总中心是监控站，其掌握所有采集点数据，依照科学依据，在每一个节点上分析判定是否超出设定的阈值。然后，通过决策人员对数据的分析，作出相应的施工作业安排。

4.2 搭建监控管理的平台

地下隧洞外的工作人员对地下隧洞内围岩位移进行监测控制的平台是一套远程监控预警系统，除了必备的基础功能外，还附加一些辅助功能，设计上机位的软件要注意以下方面：在监控管理中心的服务平台上，工作人员可以通过验证码或密码登录系统的后台，对采节点的当前状态、历史数据库以及电池电量的信息进行查询操作。还可以通过折线等方式对时间量的信息进行绘图观察，以此掌握地下隧洞围岩的位移情况。

a.在采节点信息汇总工作板块中，设定科学的位移量极限值，不仅可以监视位移作出预警，还可以设置采集时间间隔、周期等条件，使其动态管理更加智能化[6]。

b.监控站管理的上位机必须接收到现场的数据传输，无线传感网络采集点应组网连接并上传，监控站点的电源电气状态信息上传。

c.为了避免系统崩溃和断电时造成数据丢失的情况，软件平台的各个节点均赋予了打印功能，可实现信息数据的保留，主要涉及到以位移曲线为代表的一系列关键、有保存价值的数据，还要具有备份软件功能。

d.报警系统是整个监控服务平台最核心的部分，要求必须及时、准确地在地下隧洞采集位移量超过阈值的时候，发出警报提示。一旦出现异常情况，包括电量不足15%的时候，各个操控窗口要不断提示警告信息，直到工作人员关闭和维修漏洞才停止警报。

e.为了对普通用户和管理用户进行不同权限管理，登录信息时，需针对各类用户的配置以及密码管理等环节的操作设置特定权限。

4.3 监测系统的管理程序软件

首次使用监测系统管理软件，程序启动后的主界面，必须初次设置围岩类型、位移阈值、采节点的编号等信息，不同的管理员设定了解除或者增加等不同等级的管理权限，以自己的用户名和密码，登录软件的程序，操作相关权限。在主界面可以看到“监控站的名称信息”“关键版图”“查询”“触发警报”等一系列便捷化操作菜单栏。点击菜单的某一板块，就能显示版块的所有相关信息，最新的、直观的、重要的参考信息会排列居上，进行特别提示，并且还具有数据库导出、打印备份的功能，使操作者或管理领导可以对信息全方位快速掌握，作出科学决策。

5 结 语

综上所述，在围岩稳定性分析时，通过设计开发稳定监测系统可以准确监测围岩位移情况，并给出具体的数据信息，针对实际情况对工艺参数作出合适的调整，提升施工方法与工程环境的相适性，给隧洞施工创设足够安全的环境，保证隧洞施工顺利完成。