自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在公路隧道工程中的應(yīng)用

成富貴

（昭通先行道路橋梁工程有限公司，云南昭通 657099）

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部《2019年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2019年12月，全國公路隧道總里程已超過1.9萬km。由于地質(zhì)災(zāi)害的原因，施工中出現(xiàn)的各種突發(fā)事件，給施工帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并產(chǎn)生了嚴(yán)重的社會(huì)后果。在施工中，必須對拱頂沉降、周圍變形、變形等進(jìn)行監(jiān)測，對隧道進(jìn)行監(jiān)測，既能了解圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)定，又能依據(jù)測量資料，對設(shè)計(jì)、施工方案、圍巖等級調(diào)整、支護(hù)設(shè)計(jì)變更及處理方案提出修正建議。傳統(tǒng)的方法主要是利用水準(zhǔn)儀、全站儀、收斂儀等儀器，通過手工逐個(gè)逐個(gè)地進(jìn)行，但由于施工時(shí)間長，操作煩瑣，誤差大，監(jiān)測間隔時(shí)間長，結(jié)果反饋不及時(shí)，難以保證預(yù)報(bào)結(jié)果的及時(shí)性。隧道自動(dòng)監(jiān)控預(yù)警技術(shù)是一種新型的實(shí)時(shí)采集、分析和預(yù)警技術(shù)。為我國的監(jiān)測和計(jì)量工程管理工作的規(guī)范化、信息化提供了有力的支持。同時(shí)也能為隧道地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和處理提供更好的應(yīng)對措施，將災(zāi)害損失降到最低，保證隧道建設(shè)和運(yùn)行的安全。對以后同類工程的施工和施工技術(shù)的發(fā)展起到了一定的參考作用，對工程的實(shí)際應(yīng)用和社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義重大。

1 隧道自動(dòng)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)包括了隧道激光掃描儀、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、云計(jì)算等多個(gè)部分，該系統(tǒng)采用高精度的激光測距傳感器，將激光光束發(fā)送到靶板上，并按照系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)據(jù)獲取頻率，利用所發(fā)射的光束和反射光束之間的差值，完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，由系統(tǒng)后臺對采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得到周邊收斂、拱頂下沉速率、單沉降量、累計(jì)沉降量等變形參數(shù)，并編制相應(yīng)的圖形。對于超限的情況，通過現(xiàn)場審核，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將短信通知給協(xié)議權(quán)限和責(zé)任方，并將相應(yīng)的處理措施和處理結(jié)果記錄在軟件中，形成一個(gè)閉環(huán)[1]。

2 隧道自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)必不可少的組成部分

2.1 監(jiān)測傳感

隧道內(nèi)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和人工監(jiān)控傳感系統(tǒng)具有很好的一致性。在圍巖變形監(jiān)測中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控的傳感器有：機(jī)器人、激光位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、巴塞特收斂法、隧道斷面自動(dòng)掃描等。壓力盒、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿軸力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)等是監(jiān)測圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的傳感器。目前，主要有兩種形式：振弦式和電阻式。選測工程多采用埋設(shè)方式，對施工隧道具有很好的抗干擾性，而圍巖變形探測則要求在隧道內(nèi)進(jìn)行，因此其抗干擾性差，造價(jià)昂貴。

2.2 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)采集技術(shù)

根據(jù)當(dāng)前隧道施工監(jiān)控的內(nèi)容，結(jié)合已有的各種傳感器，可分為電壓數(shù)據(jù)、振弦數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和壓電數(shù)據(jù)信號等。在隧道工程中，首先要實(shí)現(xiàn)對不同類型的傳感器所采集到的各種不同的信號進(jìn)行定時(shí)的自動(dòng)采集和輸出。目前，這一技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，能夠成功地完成多種類型的信號數(shù)據(jù)的集成與轉(zhuǎn)換。

2.3 數(shù)據(jù)自動(dòng)傳送技術(shù)

由于隧道施工的特殊性，在以前的施工中沒有無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為了達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控，必須在隧道內(nèi)部建立或采用有線方式進(jìn)行通信。而近年來，無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，包括：①蜂窩式的無線接入技術(shù)（CDPD）、通用分組無線傳送（GPRS）、EDGE等；②基于LAN技術(shù)，如IEEE802.11、WLAN、藍(lán)牙、IrDA、HomeˉRF，微功率短程無線通訊技術(shù)[2]。直至目前，這些技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。

2.4 數(shù)據(jù)自動(dòng)分析、處理和預(yù)警技術(shù)

數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析、處理和預(yù)警技術(shù)是由計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)來完成的，它是由軟件開發(fā)完成的，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將隧道施工安全狀況評估系統(tǒng)嵌入系統(tǒng)中，為用戶提供實(shí)時(shí)的隧道建設(shè)安信息。目前，該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其關(guān)鍵是建立隧道施工安全狀況評估與評估體系。

3 某項(xiàng)目實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測的具體內(nèi)容

一條與廣惠城際鐵路隧道平行的管廊工程，最大深度為12.55m，采用了放坡施工，施工部位在隧道上方。基坑最大橫向凈間距為4.74m，基坑底標(biāo)高在隧道頂部9～13m處。鐵路隧道段的長度為195.320m，在1.5倍的基坑開挖深度影響范圍之內(nèi)。

3.1 監(jiān)控項(xiàng)目和指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)、咨詢、業(yè)主、鐵路等有關(guān)規(guī)定，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)、咨詢、業(yè)主、鐵路等有關(guān)規(guī)定，并根據(jù)實(shí)際情況，建立了自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的精度和控制數(shù)值。自動(dòng)化監(jiān)測要求如表1所示。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測要求

3.2 監(jiān)控地點(diǎn)的設(shè)置

在洞室的垂直、橫向位移以及洞口的收斂性變形等方面，需要在洞口的左右拱腰位設(shè)置棱鏡。一個(gè)監(jiān)測斷面主要影響區(qū)域?yàn)?m，次要影響區(qū)域?yàn)?0m；本項(xiàng)目中監(jiān)測斷面共計(jì)44處，各設(shè)5處監(jiān)測點(diǎn)。自動(dòng)檢測站主要使用棱鏡元件。布點(diǎn)時(shí)，先在隧道內(nèi)壁上打一個(gè)洞，洞深8cm，孔徑1.6cm左右，用兩根化學(xué)錨桿和植筋膠固定在洞壁上，并用兩個(gè)螺絲固定。由于高鐵運(yùn)行速度快，在活塞作用下，為了確保觀測站的穩(wěn)定，防止觀測點(diǎn)脫落造成災(zāi)難，觀測站采用化學(xué)錨栓與L型支架相連接。用TS60型智能型全站儀進(jìn)行觀測。

3.3 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)選用測量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動(dòng)測量、處理、發(fā)送、預(yù)警和控制等功能。每次測試結(jié)束后，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)將測試結(jié)果上傳，當(dāng)需要報(bào)警的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)向用戶發(fā)出警報(bào)，同時(shí)，該系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)比對功能，可以讓用戶一目了然。在安裝和調(diào)試完后，將原始數(shù)據(jù)傳輸給全站儀，設(shè)定好的觀測間隔，全站儀通過網(wǎng)絡(luò)接收指令，自動(dòng)觀察到現(xiàn)場的棱鏡，然后由全站儀將測量結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳給相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，確認(rèn)后，再將結(jié)果反饋給各參與方，如果出現(xiàn)任何異常，則由手機(jī)短信通知各參與方，避免人工干預(yù)，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

3.4 監(jiān)測

（1）本系統(tǒng)所使用的徠卡TS60全站儀，具備自動(dòng)識別和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)精瞄、自動(dòng)追蹤、自動(dòng)追蹤等功能。設(shè)備自動(dòng)將監(jiān)控結(jié)果記錄下來，并將其發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，通過遠(yuǎn)程服務(wù)器自動(dòng)調(diào)整，防止了人為的錯(cuò)誤，然后將監(jiān)測結(jié)果發(fā)送給監(jiān)控結(jié)果分析系統(tǒng)，自動(dòng)生成、分析、發(fā)送報(bào)告。

（2）在進(jìn)行測量時(shí)，首先將測量臺與影響區(qū)外部的控制點(diǎn)進(jìn)行連測，再以影響區(qū)以外的控制點(diǎn)為參考，對平面控制點(diǎn)進(jìn)行測量。采用相同的方式，對受影響區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行定位，并將其作為初始測量值。第一次觀察時(shí)，要進(jìn)行三次測量，以平均值為初值。

（3）對平面控制點(diǎn)要定期與鄰近的起點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測量，如果出現(xiàn)位移，則在監(jiān)測時(shí)將觀測到的位移量加入監(jiān)測中，以確保監(jiān)測結(jié)果的正確性。

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析

監(jiān)測期為2020年7月1日—12月30日，共6個(gè)月，從開始測量開始到全部工程結(jié)束，隧道沒有發(fā)生任何變形，監(jiān)測數(shù)據(jù)也沒有報(bào)警，直到施工結(jié)束，監(jiān)測點(diǎn)位被拆除并進(jìn)行了內(nèi)部恢復(fù)，沒有發(fā)生安全及其他事故。在自動(dòng)化監(jiān)控中，每次自動(dòng)監(jiān)控結(jié)果與初始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到了ΔX、ΔY、ΔH3個(gè)方向的變化。最后的現(xiàn)場監(jiān)控結(jié)果以報(bào)告的形式呈現(xiàn)，從報(bào)告的結(jié)果可以看出，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控存在如下特征。

（1）波動(dòng)性：垂直和橫向的位移會(huì)隨著設(shè)備的自動(dòng)測量而變化，一般的波動(dòng)范圍在±1mm，目前的技術(shù)和場地狀況可以滿足工程建設(shè)和各方面的要求。

（2）穩(wěn)定性：在施工沒有對隧道產(chǎn)生影響的情況下，觀測資料的變化是穩(wěn)定的，不會(huì)有明顯的增加和減少。

（3）相關(guān)性：工程施工對隧道的影響，不僅限于一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，而且會(huì)影響到整個(gè)區(qū)間或局部區(qū)域；因而，當(dāng)隧道發(fā)生改變時(shí)，觀測斷面或整個(gè)區(qū)域的觀測資料可能會(huì)出現(xiàn)異變、突變、逐漸改變等現(xiàn)象。

（4）偶然性：在自動(dòng)監(jiān)測過程中，由于隧道中的觀測條件是復(fù)雜多變的，一旦有了障礙物，就會(huì)有可能發(fā)生偶然的異常，出現(xiàn)沒有規(guī)律的監(jiān)測數(shù)據(jù)；所以，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督時(shí)，必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的判斷和篩選，以避免虛假數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

4 淺析隧道自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展

4.1 隧道工程圍巖自動(dòng)化監(jiān)控的技術(shù)難點(diǎn)

目前，隧道圍巖變形的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)有很多，但在實(shí)際工程中仍有很多問題有待解決。

（1）測量機(jī)器人及自動(dòng)隧道剖面掃描系統(tǒng)造價(jià)過高，施工干擾較大，觀測基點(diǎn)和測點(diǎn)容易受到損壞，因此要經(jīng)常人工進(jìn)行觀測，而且在隧道中安裝的儀器設(shè)備容易損壞，而且很少向公眾開放，與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)集成。

（2）激光位移儀技術(shù)尚在研發(fā)中，尚未有成熟的產(chǎn)品投入生產(chǎn)，測量精度和范圍都很小，前端感光元件容易受到粉塵的影響，因此有關(guān)的信號處理技術(shù)尚未完全成熟。

（3）靜水位計(jì)各傳感器間的物理聯(lián)接，由于施工的影響，測量范圍小，安裝時(shí)要求結(jié)構(gòu)物的表面平坦，而在隧道工程中，測量點(diǎn)在初始支護(hù)上，不能滿足要求。

（4）巴塞特收斂系統(tǒng)是國外自主開發(fā)的，具有造價(jià)高、施工擾動(dòng)大、資料不能向公眾開放、不能與其它自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)兼容等特點(diǎn)。

4.2 使用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的費(fèi)用很高

在隧道工程中，圍巖變形的自動(dòng)監(jiān)控一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，目前只有在選定的工程中才能實(shí)現(xiàn)。由于隧道是一條長大的線路，監(jiān)控?cái)嗝姹姸啵枰罅康膫鞲衅鳎凑找酝慕?jīng)驗(yàn)，每一個(gè)監(jiān)控?cái)嗝娴倪x擇傳感器都要在2～3萬元，而隨著隧道的不斷深入，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸成本也很高，自動(dòng)化監(jiān)控的成本很高，這也是導(dǎo)致自動(dòng)化監(jiān)控很難普及的主要原因[3]。

4.3 監(jiān)測目標(biāo)和監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)不清

隧道工程屬于長線路工程。由于圍巖的地質(zhì)情況不清楚，造成了結(jié)構(gòu)受力薄弱環(huán)節(jié)不清楚，需要重點(diǎn)監(jiān)控的區(qū)段布局不清楚，常常會(huì)發(fā)生在監(jiān)控區(qū)段沒有問題的情況下，而未發(fā)生工程事故[4]。由于隧道工程的個(gè)性化程度存在著很大的差別，目前還沒有一套適合于大多數(shù)隧道的變形預(yù)警指標(biāo)，同一隧道的變形預(yù)警指標(biāo)也各不相同，所以在同一隧道的不同段或不同隧道中，要開發(fā)出相應(yīng)的軟件體系，這就給施工帶來了一定的難度。

4.4 施工期間的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)

由于隧道施工過程復(fù)雜，易損毀監(jiān)測測點(diǎn)，爆破振動(dòng)對信號的干擾，隧道施工中粉塵大，影響數(shù)據(jù)的收集和處理，同時(shí)，由于隧道施工中經(jīng)常更換基點(diǎn)，并跟蹤隧道施工過程中的傳感器的埋設(shè)，傳感器的埋設(shè)質(zhì)量會(huì)對數(shù)據(jù)的采集精度造成很大的影響，同時(shí)也會(huì)受到人為的干擾[5]。

5 結(jié)語

在隧道工程中，施工監(jiān)控量測是新奧法設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。由于技術(shù)、成本、施工等原因，限制了隧道自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。為了逐步取代手工監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的快速發(fā)展，需要在多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行深入的探索，并在此基礎(chǔ)上取得突破，研制相應(yīng)的檢測儀器。具體如下。

（1）應(yīng)著力解決圍巖變形自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的瓶頸問題，研制相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，改善在惡劣條件下的穩(wěn)定性。結(jié)合我國隧道工程建設(shè)的實(shí)際情況及有關(guān)技術(shù)發(fā)展的需要，提出了一種基于激光位移測量的方法，即對目標(biāo)光斑位置的光電信號進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換、自動(dòng)傳送，并對其進(jìn)行自動(dòng)采集。

（2）建立合理的變形預(yù)警指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測和預(yù)警精度的先決條件。提出了在監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)加強(qiáng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)，為特定項(xiàng)目設(shè)置人工輸入窗口，提高監(jiān)控的精確度和可靠性。

（3）提出了從監(jiān)測指標(biāo)、無線傳輸?shù)葞讉€(gè)方面著手，通過減少監(jiān)測指標(biāo)來減少傳感器的數(shù)目和費(fèi)用，并采用一種新的傳輸方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳輸，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用。

（4）我國和行業(yè)應(yīng)該進(jìn)一步探索隧道自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，提高自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、監(jiān)測儀器及輔助設(shè)備的靈敏度響應(yīng)、施工現(xiàn)場的適應(yīng)性，從而提高自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的綜合、準(zhǔn)確和適應(yīng)性，為隧道自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測工作的開展提供科學(xué)依據(jù)和相關(guān)規(guī)范作業(yè)。