自动化监测预警技术在公路隧道工程中的应用

2023-03-13成富贵

建材与装饰 2023年7期

成富贵

（昭通先行道路桥梁工程有限公司，云南昭通 657099）

0 引言

据交通运输部《2019年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2019年12月，全国公路隧道总里程已超过1.9万km。由于地质灾害的原因，施工中出现的各种突发事件，给施工带来了巨大的经济损失，并产生了严重的社会后果。在施工中，必须对拱顶沉降、周围变形、变形等进行监测，对隧道进行监测，既能了解围岩、支护结构的动态及稳定，又能依据测量资料，对设计、施工方案、围岩等级调整、支护设计变更及处理方案提出修正建议。传统的方法主要是利用水准仪、全站仪、收敛仪等仪器，通过手工逐个逐个地进行，但由于施工时间长，操作烦琐，误差大，监测间隔时间长，结果反馈不及时，难以保证预报结果的及时性。隧道自动监控预警技术是一种新型的实时采集、分析和预警技术。为我国的监测和计量工程管理工作的规范化、信息化提供了有力的支持。同时也能为隧道地质灾害的发生和处理提供更好的应对措施，将灾害损失降到最低，保证隧道建设和运行的安全。对以后同类工程的施工和施工技术的发展起到了一定的参考作用，对工程的实际应用和社会经济意义重大。

1 隧道自动监控和预警系统的工作原理

该系统包括了隧道激光扫描仪、数据实时传输、云计算等多个部分，该系统采用高精度的激光测距传感器，将激光光束发送到靶板上，并按照系统设置的数据获取频率，利用所发射的光束和反射光束之间的差值，完成对现场数据的采集。根据规范和设计要求，由系统后台对采集到的原始数据进行分析、处理，得到周边收敛、拱顶下沉速率、单沉降量、累计沉降量等变形参数，并编制相应的图形。对于超限的情况，通过现场审核，系统会自动将短信通知给协议权限和责任方，并将相应的处理措施和处理结果记录在软件中，形成一个闭环[1]。

2 隧道自动监控技术必不可少的组成部分

2.1 监测传感

隧道内的自动监控系统和人工监控传感系统具有很好的一致性。在围岩变形监测中，可实现自动化监控的传感器有：机器人、激光位移计、静力水准仪、巴塞特收敛法、隧道断面自动扫描等。压力盒、多点位移计、锚杆轴力计、混凝土应变计、钢筋计等是监测围岩和支护结构力学性能的传感器。目前，主要有两种形式：振弦式和电阻式。选测工程多采用埋设方式，对施工隧道具有很好的抗干扰性，而围岩变形探测则要求在隧道内进行，因此其抗干扰性差，造价昂贵。

2.2 监控数据自动采集技术

根据当前隧道施工监控的内容，结合已有的各种传感器，可分为电压数据、振弦数据、电流数据、数字数据和压电数据信号等。在隧道工程中，首先要实现对不同类型的传感器所采集到的各种不同的信号进行定时的自动采集和输出。目前，这一技术已经相当成熟，能够成功地完成多种类型的信号数据的集成与转换。

2.3 数据自动传送技术

由于隧道施工的特殊性，在以前的施工中没有无线网络覆盖，为了达到自动监控，必须在隧道内部建立或采用有线方式进行通信。而近年来，无线通信技术迅速发展，包括：①蜂窝式的无线接入技术（CDPD）、通用分组无线传送（GPRS）、EDGE等；②基于LAN技术，如IEEE802.11、WLAN、蓝牙、IrDA、HomeˉRF，微功率短程无线通讯技术[2]。直至目前，这些技术已经相当成熟。

2.4 数据自动分析、处理和预警技术

数据的自动分析、处理和预警技术是由计算机软件开发来完成的，它是由软件开发完成的，对数据进行处理和分析，将隧道施工安全状况评估系统嵌入系统中，为用户提供实时的隧道建设安信息。目前，该技术已经相当成熟，其关键是建立隧道施工安全状况评估与评估体系。

3 某项目实施自动化监测的具体内容

一条与广惠城际铁路隧道平行的管廊工程，最大深度为12.55m，采用了放坡施工，施工部位在隧道上方。基坑最大横向净间距为4.74m，基坑底标高在隧道顶部9～13m处。铁路隧道段的长度为195.320m，在1.5倍的基坑开挖深度影响范围之内。

3.1 监控项目和指标

根据设计、咨询、业主、铁路等有关规定，结合实际情况，设计、咨询、业主、铁路等有关规定，并根据实际情况，建立了自动实时监控的精度和控制数值。自动化监测要求如表1所示。

表1 自动化监测要求

3.2 监控地点的设置

在洞室的垂直、横向位移以及洞口的收敛性变形等方面，需要在洞口的左右拱腰位设置棱镜。一个监测断面主要影响区域为5m，次要影响区域为10m；本项目中监测断面共计44处，各设5处监测点。自动检测站主要使用棱镜元件。布点时，先在隧道内壁上打一个洞，洞深8cm，孔径1.6cm左右，用两根化学锚杆和植筋胶固定在洞壁上，并用两个螺丝固定。由于高铁运行速度快，在活塞作用下，为了确保观测站的稳定，防止观测点脱落造成灾难，观测站采用化学锚栓与L型支架相连接。用TS60型智能型全站仪进行观测。

3.3 自动监控系统

系统选用测量机器人自动化监测系统，该系统具有自动测量、处理、发送、预警和控制等功能。每次测试结束后，系统都会自动将测试结果上传，当需要报警的时候，会自动向用户发出警报，同时，该系统还具备实时的数据比对功能，可以让用户一目了然。在安装和调试完后，将原始数据传输给全站仪，设定好的观测间隔，全站仪通过网络接收指令，自动观察到现场的棱镜，然后由全站仪将测量结果通过网络传给相应的计算机，由计算机进行分析，确认后，再将结果反馈给各参与方，如果出现任何异常，则由手机短信通知各参与方，避免人工干预，确保数据的真实性。

3.4 监测

（1）本系统所使用的徕卡TS60全站仪，具备自动识别和马达驱动、自动精瞄、自动追踪、自动追踪等功能。设备自动将监控结果记录下来，并将其发送到远程服务器，通过远程服务器自动调整，防止了人为的错误，然后将监测结果发送给监控结果分析系统，自动生成、分析、发送报告。

（2）在进行测量时，首先将测量台与影响区外部的控制点进行连测，再以影响区以外的控制点为参考，对平面控制点进行测量。采用相同的方式，对受影响区域内的监测点进行定位，并将其作为初始测量值。第一次观察时，要进行三次测量，以平均值为初值。

（3）对平面控制点要定期与邻近的起点进行连续测量，如果出现位移，则在监测时将观测到的位移量加入监测中，以确保监测结果的正确性。

3.5 监测数据的分析

监测期为2020年7月1日—12月30日，共6个月，从开始测量开始到全部工程结束，隧道没有发生任何变形，监测数据也没有报警，直到施工结束，监测点位被拆除并进行了内部恢复，没有发生安全及其他事故。在自动化监控中，每次自动监控结果与初始数据进行比较，得到了ΔX、ΔY、ΔH3个方向的变化。最后的现场监控结果以报告的形式呈现，从报告的结果可以看出，自动实时监控存在如下特征。

（1）波动性：垂直和横向的位移会随着设备的自动测量而变化，一般的波动范围在±1mm，目前的技术和场地状况可以满足工程建设和各方面的要求。

（2）稳定性：在施工没有对隧道产生影响的情况下，观测资料的变化是稳定的，不会有明显的增加和减少。

（3）相关性：工程施工对隧道的影响，不仅限于一个监测点，而且会影响到整个区间或局部区域；因而，当隧道发生改变时，观测断面或整个区域的观测资料可能会出现异变、突变、逐渐改变等现象。

（4）偶然性：在自动监测过程中，由于隧道中的观测条件是复杂多变的，一旦有了障碍物，就会有可能发生偶然的异常，出现没有规律的监测数据；所以，在对数据进行监督时，必须对数据进行正确的判断和筛选，以避免虚假数据的产生。

4 浅析隧道自动监控技术的发展

4.1 隧道工程围岩自动化监控的技术难点

目前，隧道围岩变形的自动监控技术有很多，但在实际工程中仍有很多问题有待解决。

（1）测量机器人及自动隧道剖面扫描系统造价过高，施工干扰较大，观测基点和测点容易受到损坏，因此要经常人工进行观测，而且在隧道中安装的仪器设备容易损坏，而且很少向公众开放，与自动监控系统集成。

（2）激光位移仪技术尚在研发中，尚未有成熟的产品投入生产，测量精度和范围都很小，前端感光元件容易受到粉尘的影响，因此有关的信号处理技术尚未完全成熟。

（3）静水位计各传感器间的物理联接，由于施工的影响，测量范围小，安装时要求结构物的表面平坦，而在隧道工程中，测量点在初始支护上，不能满足要求。

（4）巴塞特收敛系统是国外自主开发的，具有造价高、施工扰动大、资料不能向公众开放、不能与其它自动监控系统兼容等特点。

4.2 使用自动化监控系统的费用很高

在隧道工程中，围岩变形的自动监控一直是一个技术难点，目前只有在选定的工程中才能实现。由于隧道是一条长大的线路，监控断面众多，需要大量的传感器，按照以往的经验，每一个监控断面的选择传感器都要在2～3万元，而随着隧道的不断深入，监控数据的传输成本也很高，自动化监控的成本很高，这也是导致自动化监控很难普及的主要原因[3]。

4.3 监测目标和监测预警指标不清

隧道工程属于长线路工程。由于围岩的地质情况不清楚，造成了结构受力薄弱环节不清楚，需要重点监控的区段布局不清楚，常常会发生在监控区段没有问题的情况下，而未发生工程事故[4]。由于隧道工程的个性化程度存在着很大的差别，目前还没有一套适合于大多数隧道的变形预警指标，同一隧道的变形预警指标也各不相同，所以在同一隧道的不同段或不同隧道中，要开发出相应的软件体系，这就给施工带来了一定的难度。