隧道掘進綜合信息智能監控系統研究

高文學，侯炳暉，孫西蒙，鄧洪亮，周世生，陳寧寧

（1.北京工業大學 建工學院，北京 100124；2.北京市公路橋梁建設集團有限公司，北京 1000682）

1 引 言

隧道智能化監控是目前隧道監控領域研究的前沿課題，亦是 21世紀隧道監控系統的重要發展方向。該系統將先進的計算機信息技術、電子控制技術、無線傳感技術、無線通信技術以及網絡技術等有效結合起來，綜合應用于隧道工程的監控量測。

對隧道等隱蔽工程進行動態監測，是保證設計合理、施工安全的重要措施，其目的在于收集施工期間的各種動態信息，據此判定隧道圍巖的穩定性，并進一步確定所設計支護結構的安全性和施工方法的合理性。隧道動態反饋設計與信息化施工較之傳統新奧法的監控量測反饋修正設計，信息更豐富、內容更廣泛，特別是融入了先進的量測技術，使得量測更迅速、數據更準確、結果更全面。本文在分析目前國內外國外自動化監測系統的基礎上，比較詳細地探討了自主研發的隧道遠程監測系統，其目的是結合現代遙測技術，把選測斷面各類傳感器數據采集、三維激光掃描、爆破振動監測以及可視化監控融合在一起，實現隧道施工掌子面可視化實時顯示與分析、隧道施工監測自動化數據采集與分析，確保復雜圍巖地質條件下隧道爆破施工的安全。

2 隧道掘進自動化監測系統研究發展

國外從20世紀60年代開始研制自動化觀測設備，70年代進入實用階段。最早的自動化監測系統出現在大壩安全監測領域，發達國家研發并實現自動化監測，主要有兩種類型：一種是資料管理自動化，另一種是數據采集自動化。較為成熟的技術如瑞士Solexperts公司開發研制的GeoMonitor巖土工程自動監測系統，可以滿足諸如隧道、橋梁、高邊坡以及基礎等各類工程自動監測的要求。從隧道自動監測內容方面，主要分為變形監測、壓力監測、影像信息收集、氣體監測等。其他自動監測方面如瑞士Amberg公司開發的Tunnelscan隧道掃描技術，其核心數據采集硬件是 Profiler5003超高速相位式3D激光掃描儀，在隧道進行數據采集時激光發生器發射的激光以螺旋線的形式對隧道表面進行全斷面掃描，通過分析發射和接收到激光信號，可以獲得隧道的內表面影像圖像以及隧道表面各點隧道中線的距離[1]。

國內在自動化監測系統研究方面最近幾年發展迅速，并在隧道、橋梁、邊坡穩定監測等方面得到了廣泛應用，如中鐵西南科學研究院針對青藏鐵路建設和運營研發的工程與環境監測，開發成功EMM-TF80自動化監測系統，集成了80路隧道溫度、應變自動測量；北京市市政工程研究院研發的TMIGS系統，采用無線技術把三維激光掃描、人機定位、各種傳感器數據采集、通訊視頻及安全管理集成在一起，實現隧道施工掌子面圖像實時采集、顯示與編錄分析、掌子面穩定性監測、掌子面人員與車輛定位管理，實現選測斷面各種傳感器的無線數據采集與綜合分析[2]。

目前隧道施工監測技術，一般能夠實現常規項目的自動監測與預警（如拱頂下沉、洞周收斂、地表下降、圍巖位移與應力等），但如何將隧道常規監測、三維激光掃描、可視化監控、爆破振動監測與安全管理等有效融合在一起，形成巖質隧道施工綜合信息自動監控系統，目前還屬空白。

3 隧道掘進綜合信息智能監控系統

隧道掘進綜合信息智能監控系統（tunnel intelligentized monitoring system，簡稱TIS），其目的是結合現代遙測（無線）技術，把選測斷面傳感器（頻率類、電壓電流類、開關量類、數字類等）數據采集、三維激光掃描、爆破振動監測以及可視化（視頻）監控融合在一起，實現隧道施工掌子面可視化實時顯示與分析、隧道施工監測（控）自動化數據采集與分析，形成隧道施工綜合信息監測（控）系統，確保復雜圍巖地質條件下隧道施工安全；通過收集地質條件以及施工相關信息，并反饋設計、指導施工。

3.1 系統功能設計

TIS隧道綜合信息智能監控系統主要集成了四個主要部分：視頻監控、洞內凈空監測、爆破震動速度監測以及應力應變檢測，其中，TIS-01頻率自動監測儀可同時檢測任意個測點；TIS-02爆破振動自動監測儀，可用于洞內和洞外振動速度或加速度的測量，每臺根據監測要求可布置多個通道；TIS-03視頻采集自動監控儀，用于采集掌子面施工情況的視頻圖像信號；TIS-04三維斷面自動監測儀，用于監測隧道洞頂的沉降、洞周收斂以及隧道超欠挖分析等；TIS-05無線高速中繼站，用于隧道內中繼延伸的菊鏈型無線局域網（Wi-Fi）的組網和系統數據無線傳輸。

TIS隧道綜合信息智能監控系統主界面與結構如圖1、2所示。

圖1 TIS系統主界面Fig.1 Main interface of TIS system

圖2 TIS系統結構圖Fig.2 TIS system structure

TIS系統通過在隧道內布置相應傳感器和采集設備進行數據自動采集，并通過無線局域網絡傳輸到洞外。考慮到隧道的縱深長度，常規的無線局域網絡設備的傳輸距離一般不超過300 m，系統設計采用了傳輸距離為 500 m的特種無線路由/中繼器作為網絡節點設備，并按照在傳輸途 徑上以400～500 m距離設置一臺無線路由/中繼器的方式實現傳輸距離的中繼延伸，從而構成具有“菊鏈總線”特征的網絡結構。

3.2 系統模塊和主要功能

TIS監控系統中，作為服務器端的上位計算機和作為客戶端的帶有無線網絡通訊功能的數據采集裝置（下位機）均分配了一個惟一固定的IP地址，從而形成C/S構架的無線網絡拓撲結構，還可利用反分析的方法獲取符合實際的圍巖力學參數，并在此基礎上進行力學分析計算。

（1）應力、應變監測

TIS-01頻率自動監測儀是一種巖土原位監測儀器，用于自動采集信號，前端可接振弦式傳感器，頻率采集范圍可從500～3 500 Hz，精度±0.1 Hz，分辨率為±0.01 Hz，它適用各類振弦式傳感器采集頻率信號，如表面式應變計、混凝土應變計、鋼筋應變計、內埋式裂縫計、表面裂縫計、土壓力盒、錨索計等。利用這些傳感器可諸如隧道、橋梁以及高邊坡等工程的應力、應變、變形、滲流、滲壓等進行監測和安全穩定分析，數據接口處設有防雷電保護模塊，保證了非電源線引發的瞬間過流疏通，可用于環境惡劣條件的安全監測。該模塊通訊接口采用通用傳輸協議標準，并對數據進行加密處理，防止數據被盜或者丟失。

（2）爆破振動監測

TIS-02爆破振動自動監測儀采用 ARM9為核心板設計，儀器體積小、重量輕、可利用電腦遠程控制。軟件根據現場需要量身定做的數值分析和處理功能，可以根據觀測結果進行數據的擬合分析和回歸處理，建立計算機軟件遠程實時分析，現場將數只速度傳感器連接到爆破振動自動監測儀進行數據采集和觀測。配套軟件能及時有效地對監測數據進行回歸分析和處理，建立計算機軟件遠程實時分析和自動預報與預警系統。

（3）視頻監控

TIS-03視頻采集自動監控儀采用低照度感光器，具有更大的感光面積，在低照度下的成像效果遠遠高于普通高清紅外攝像機，改善了低照度效果、提升畫質、信噪比。視頻采集儀分為日夜兩用型，白天彩色，晚上紅外燈開啟，配合超低照度感光器出色的畫質，解決高清數字攝像機相對黑暗環境成像效果不清晰的現狀。所有圖像進行24 h的存儲，存儲周期可達15 d的現場攝錄數據。

（4）隧道斷面檢測

TIS-04三維斷面自動監測儀采用無合作目標激光測距技術和精密測角技術，對隧道施工全方位進行監控，將極坐標測量方法與計算機技術緊密結合，配合專業圖形處理軟件，可快速獲得隧道封閉空間內部輪廓曲線，實時顯示超欠挖值，同時可對隧道收斂、超欠挖等進行測量。能實現隧道斷面的快速精確檢測，施工監測，竣工驗收，質量控制等工作。

（5）數據傳輸

TIS-05無線高速中繼站支持SSID隱藏、無線MAC地址過濾、64/128/152位WEP加密及WPAPSK/WPA2-PSK、WPA/WPA2安全機制，保障無線網絡不被侵犯或盜用。專用無線路由中繼器支持IP與MAC地址綁定功能，可以將內網電腦的IP地址與MAC地址進行綁定，有效防止偽造數據包，從而有效遏制內網ARP攻擊，保證內網數據安全。

（6）系統軟件功能

便攜數據采集應用軟件：中文操作界面，提供采集控制、前端調理系統控制、多通道波形實時顯示、數據存儲、數據回放、工程標定、時域統計分析、頻域自功率譜分析、測試報告生成等功能。綜合信息預警模塊：綜合信息預警是根據不同測點預設標準值或閾值來實現監測項目自動預警功能及綜合分析后的分級警報控制。

4 工程應用研究

4.1 密興路火郎峪隧道概況

密興路改建工程火郎峪隧道，設計建筑凈寬10.5 m、限高5.0 m，隧道全長618 m，采用復合式襯砌結構。隧道進出口段，表層為2～2.5 m厚的粉質黏土，其下為強～中等風化片麻巖，節理裂隙發育。綜合評定隧道進口段圍巖級別為Ⅴ級。隧道洞身段（K10+332～K10+727），隧道軸線基本沿山脊走向，洞身底板標高242～245 m，地表露頭節理裂隙較發育，地表有第四系粉質黏土覆蓋。綜合評定該段圍巖級別為Ⅳ級。

火郎峪隧道進出口段埋深較淺，且存在偏壓現象。為了確保施工安全，隧道進口段開挖時在其右側采用反壓回填方法進行處理；隧道拱部采用φ42 mm×4 m超前小導管支護；初襯采用鋼格柵，縱向間距50 cm，兩榀格柵間用鋼筋焊接相連。隧道施工按照新奧法組織實施，由于隧道埋深較淺且圍巖風化嚴重，采用上下臺階法進行施工。

4.2 隧道圍巖應力和拱架應力監測

隧道開挖后圍巖壓力監控采用壓力盒，隧道爆破開挖后，在未進行噴混支護前先用錨固劑將壓力盒固定在裸露巖體上，再進行噴混等初支，要求壓力盒能夠與圍巖及支護結構密切接觸；鋼拱架應力，采用弦式應變計監測，安裝時將應變計用鐵絲等固定在鋼格柵主筋上；數據采集 TIS-01頻率自動監測儀。傳感器布置如圖3所示。

火郎峪隧道出口圍巖壓力監測結果如圖 4所示。由圖中曲線可以看出，圍巖壓力在隧道開挖后的前7 d（前14次觀測）迅速增大，兩側拱腰圍巖壓力逐漸趨于穩定；在隧道下臺階開挖開始后，圍巖壓力再一次迅速增大，之后趨于穩定。

圖3 隧道出口監測傳感器布置圖Fig.3 Monitoring sensor arrangement of tunnel exit

圖4 隧道出口圍巖壓力監測曲線Fig.4 Surrounding rock pressure curves of tunnel exit

4.3 隧道斷面變形監測

隧道變形監測包括洞頂沉降，洞身收斂和底鼓等監測內容，采用隧道激光斷面掃描儀進全自動遠程實時監測，實時了解隧道斷面變形規律、超挖和欠挖量，同時自動生成隧道三維空間模型（見圖5），分析預測隧道的安全情況、指導工程施工。

4.4 爆破振動監測與分析

隧道掘進爆破振動監測主要集中在隧道進、出口淺埋段，通過對隧道進、出口段地表、鋼混套拱結構、仰拱開挖初襯結構振動速度進行監測，分析爆破地震波傳播規律，同時為及時調整隧道開挖施工方案、優化爆破設計參數提供依據。

根據隧道出口段的地形和結構特點，測點布置在兩段區域：隧道出口開挖段，重點監測掘進爆破對鋼筋混凝土套拱結構的影響，測點布置在套拱和掌子面上方地表；距離出口一定距離后，測點固定布置在重點觀測的淺埋段地表，典型測點布置如圖6所示。

圖5 隧道掃描三維空間擬合圖Fig.5 Fitting map of tunnel 3D scanning

圖6 隧道出口段振速測點縱向布置圖(各測點間距3 m)Fig.6 Vibrating velocity measuring point longitudinal arrangement of tunnel exit(each point 3m distance)

隧道出口淺埋段距離洞口一定距離，各測點固定布置在重點觀測的淺埋段地表，根據掌子面與測點位置的變化，監測、分析爆破地震波傳播規律，同時為及時調整隧道開挖施工方案、優化爆破設計參數提供依據。典型掌子面（K10+798）處（距離隧道出口32 m），隧道埋深8 m，上臺階開挖循環進尺2 m，最大單響藥量控制在25 kg，地表部分實測振速波形和頻譜分布如圖7所示，地表垂直方向最大振速變化規律如圖8所示。由圖8、9可以看出，（1）以掌子面正上方為中心，沿隧道縱向地表（自成形隧道區向未開挖區），各測點振動速度總體呈逐漸降低趨勢；（2）隧道開挖改變了圍巖的整體結構，導致地表振動速度存在明顯的區域性變化特點，成形隧道區地表振速通常大于未開挖區，即所謂的“空洞效應”，特別是在掌子面兩側（見圖5）。同時，未開挖區越往里振動衰減越快，測點F振速最小；（3）在掏槽孔、輔助孔或周邊孔爆破單響藥量大致相同的條件下，掏槽孔爆破引起的地表振動強度最大，見圖 8。因此，掏槽孔爆破的振動控制是降低淺埋隧道開挖振動危害的關鍵；（4）監測結果表明，淺埋隧道鉆爆施工，應重點控制爆破振動對已開挖區隧道上部圍巖、初襯結構的影響，特別是當隧道穿越地表重要建筑物時，不能忽視已成形隧道對爆破地震效應的放大作用。

圖7 地表典型測點垂直方向振速波形與頻譜圖Fig.7 Vertical vibrating velocity waveform and spectrum diagram of typical surface measuring point

圖8 地表垂直方向最大振速變化規律(測點C位于掌子面后0.5 m)Fig.8 Change rule of highest surface vibrating velocity

由于監測內容較多，這里僅簡要介紹TIS系統在密興路火郎峪隧道應用的部分功能和效果。由此可知，該系統在保障隧道施工安全方面具有重要的現實意義。

5 結 語

通過隧道的監控量測，可以了解隧道圍巖是否穩定、施工方法是否合理、支護結構是否合適等。對隧道施工的全過程監控監測，可以掌握圍巖及支護體的工作狀態，完善隧道初期設計，指導工程施工，預見和及時發現工程中的事故及隱患，并提出相應的處理措施，防患于未然。

施工監控是“新奧法”施工的重要內容，是保障隧道施工安全、優化設計、指導施工的重要手段，隧道的監測和預警方案要根據隧道工程的特點進行設計，制定合理的方案是保證隧道施工安全的重要保障。TIS系統實現了隧道開挖掌子面可視化實時顯示，隧道開挖監測數據自動采集、無線傳輸與數據分析，形成了隧道施工綜合信息自動、無線監測與預警系統，對確保復雜圍巖地質條件和復雜環境條件下隧道施工的安全具有重要意義。

[1] 梅志榮, 馬士偉.隧道工程監測技術與動態設計方法的新進展[C]//中國科協2004年學術年會鐵道分會場論文集.北京: [s.n.], 2004: 286－291.

[2] 葉英, 穆千祥, 張成平.隧道施工多元信息預警與安全管理系統研究[J].巖石力學與工程學報, 2009, 28(5):900－907.YE Ying, MU Qian-xiang, ZHANG Cheng-ping.The tunnel construction of information security management and multiple early warning system research[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(5): 900－907.

[3] 高文學, 孫文龍, 周文旭, 等.淺埋偏壓隧道開挖數值模擬與監測分析[J].施工技術, 2011, 40(3): 48－50.GAO Wen-xue, SUN Wen-long, ZOU Wen-xu, et al.Shallow buried bias tunnel excavation numerical modeling and monitoring analysis[J].Construction Technology, 2011, 40(3): 48－50.

[4] 鄧洪亮, 楊玉杰, 高文學, 等.隧道施工監控與預警系統應用研究[J].施工技術, 2011, 40(3): 54－56.DENG Hong-liang, YANG Yu-jie, GAO Wen-xue, et al.Tunnel construction monitoring and warning system applied research[J].Construction Technology, 2011,40(3): 54－56.

[5] GAO Wen-xue, SUN Wen-long, DENG Hong-liang.Study on blasting vibration effects of shallow tunnel excavation[J].Advanced Materials Research, 2011,250-253: 2366－2370.

[6] 李煜舲, 許文貴, 林銘益.以隧道變形量測資料分析掘進效應與約束損失[J].巖石力學與工程學報, 2009,28(1): 39－46.LI Yi-ling, XU Wen-gui, LIN Ming-yi.In a tunnel deformation measurement data analysis tunneling effect and restriction of loss[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(1): 39－46.