隧道施工安全預警中的自動化監測技術

劉馨澤

摘要：深入探討自動化監測技術的發展現狀和趨勢，分析其在隧道施工中的應用價值，重點介紹隧道施工中常用的自動化監測技術，如傳感器網絡、激光掃描和無人機監測等。分析自動化監測技術在隧道施工管理中可能面臨的挑戰，如數據處理與分析、系統可靠性等問題，并提出了相應的解決策略。對自動化監測技術在隧道施工安全預警中的實踐應用深入研究，以期為地鐵隧道工程提供一些參考。

關鍵詞：隧道施工；安全預警；自動化監測；數據處理

0? ?引言

地鐵隧道作為地鐵網絡的重要組成部分，在建設和運營中的安全問題備受關注。隧道施工過程中，地質條件的復雜性、施工工藝的多樣性，以及隧道結構與城市地下管線等基礎設施的相互影響，使得隧道工程的安全風險不容忽視。

自動化監測技術以其高效、精準、實時的特點，為隧道施工安全提供了全新的解決方案。應用該技術不僅有助于發現潛在的安全隱患，還可以在事故發生前及時預警，從而保障施工人員和市民的安全。本文對自動化監測技術在隧道施工安全預警中的實踐應用展開深入研究，以期為地鐵隧道工程提供一些參考。

1? ?自動化監測系統工作特點及原理

1.1? ?自動化監測技術的特點

目前地鐵施工環境復雜，人為監測工作難以開展，存在一定的局限性。自動化監測技術使用先進的傳感器和儀器，可以實現高精度的數據采集和測量，減少了人為誤差的影響，提供了更準確的監測結果。自動化監測技術可以實時采集和傳輸數據，使監測數據能夠即時反映施工過程中的變化和動態，便于及早發現異常情況。它可以適應復雜的施工環境和多變的地質條件，同時監測多個位置，實現分布式監測。

在施工過程中，自動化監測系統可以設置預警閾值，當監測數據超過設定值時自動觸發報警，便于人們及時采取措施應對潛在風險，不僅有利于減少人工監測所需的人力和時間，提高工作效率，同時還降低了監測人員的風險。自動化監測技術能夠產生大量的數據，通過系統對多種數據進行綜合分析，可使工程人員全面了解施工現場的狀態和趨勢，做出更明智的決策。自動化監測系統可以根據需要進行定制和調整，以適應不同施工環境和項目的特點[1]。

1.2? ?系統基本原理

地鐵自動化監測系統通常由多個組件和模塊組成，這些組件和模塊協同工作，從而實現對隧道施工過程的全面監測和管理。數據采集系統是自動化監測系統的核心部分，它負責在施工現場收集各種監測數據，如振動、位移、變形、溫度等數據。這些數據由各種傳感器和測量設備采集，并通過數據采集單元傳輸到后續處理模塊。

傳感器和測量設備安裝在地鐵隧道內和周圍的關鍵位置，用于實時監測各種參數，如地質變化、結構變形、環境條件等。數據傳輸和通信系統包括有線和無線通信設備，用于將數據從傳感器傳送到中央監測中心。中央監測中心收集、存儲和分析來自各個傳感器的數據，通過特定的軟件平臺對采集到的數據進行處理、分析和可視化，并可繪制歷史曲線、檢測異常情況、生成報表，以供工程人員參考。

基于預設的監測指標和閾值，自動化監測系統可以實時監測數據，并在出現異常情況時觸發預警和報警，通過各種通信方式（短信、郵件、警報聲等）通知相關人員。通過將監測數據與地理信息系統集成，可在地圖上顯示監測數據的位置和狀態，幫助工程人員更好地理解和分析數據。工程人員通過網絡遠程查看實時監測數據和報警信息，可對系統進行管理。

工程資料管理模塊用于管理與施工相關的各種資料，包括設計文件、施工計劃、監測報告等，可實現各方之間的信息共享和協作。地鐵自動化監測系統的基本組成部分涵蓋數據采集、傳輸、分析、報警、可視化和管理等方面，以實現對地鐵隧道施工過程的全面監測和安全保障。自動化監測系統組成如圖1所示。

2? ?自動化監測平臺

2.1? ?全站儀

地鐵隧道施工時，需要使用徠卡TS系列全站儀進行監測。該全站儀具有自動化監測功能和高精度測量技術，能夠在不同環境和條件下實現高效和精確的測量。其可以自動調整焦距，有利于減少人工操作，提高測量的便捷性。

其配裝監測正倒鏡，可在不同高度的測量中方便的進行切換，適應不同的測量任務。全站儀能夠自動記錄測量數據，實現實時數據采集和分析。在實踐運用中，可將測量數據上傳到計算機或云端，方便后續處理和管理[2]。

2.2? ?反射棱鏡設備

反射棱鏡是一種接收全站儀發射的測量信號，并將信號反射回去進行測量的裝置。在地鐵隧道工程中，工作人員需要根據設計要求和實際需要，在合適的位置安裝反射棱鏡。通常是需要精確測量的點，如隧道控制點、變形監測點等。安裝好反射棱鏡后，工作人員需要確保其角度調整正確，反射面朝向全站儀或工作基站，以便準確地接收測量信號。全站儀發射激光束或測量信號，通過反射棱鏡接收信號并計算出測量結果。

2.3? ?計算機

GPRS（General Packet Radio Service）是一種無線通信技術，用于將電子計算機與全站儀通過GPRS系統連接，使數據實時傳輸到中央監測中心或遠程服務器，實現實時監測和數據分析。該技術可實現自動化地存儲，綜合各類觀測并進行處理數據，有利于減少人為誤差。

數據的實時傳輸和自動化處理，使得工程人員能夠隨時監測施工過程和變化情況，及時做出決策和調整。自動化監測系統能夠將大量的監測數據自動存儲起來，提取有用的信息生成監測報表，便于技術人員了解隧道施工的狀態，為施工過程的管理和決策提供支持。

2.4? ?監測軟件

Smart監測軟件是專為監測工程設計的軟件，全站儀提供準確的測量數據，Smart監測軟件對數據進行實時處理和監測。應用Smart監測軟件和全站儀，可實現全方位自動監測，包括隧道的形狀、位移、變形等方面的數據。可根據需要創建數據表，將各類監測數據按照規定的格式和標準進行存儲，以備將來分析和查閱。在監測工作中，循環計劃管理可以確保不同設備的監測循環時間不重疊，合理規劃，避免干擾和沖突[3]。

2.5? ?監測數據分析

利用Smart分析軟件從自動化監測系統中獲取原始數據，并進行一系列數據處理、計算和分析操作，可以提取有用的信息，包括異常數據篩選、數據平滑、計算平均值等。同時可使用編碼程序，對不同類型的數據進行分類、標記異常數據、計算變化速率等操作。

在監測中，使用平差軟件可以排除測量誤差，獲取更準確的數據。在數據分析過程中，可以識別和篩選出異常數據，比如測量誤差較大或不符合預期的數據。基于分析后的數據，可計算出周期監測數據的平均值、變化趨勢等。在數據分析的最后階段，結合施工實際需要對監測報告進行綜合分析，有利于理解數據的意義，發現可能存在的問題或趨勢。

3? ?隧道施工安全預警中的自動化監測技術

3.1? ?監測位置確定

在明確監測位置時，需要進行截面監測處理。在地鐵隧道檢測位置的正交橫截面上設置監測點，捕捉截面內的變化情況。通過在正交橫截面上加設大量監測點，可以更全面地監測隧道各個部位的變化情況，獲得更準確的數據。

以某地鐵隧道施工為例，根據設計需求需要隔10m設置一個監測截面，總共30個截面。每個截面內需要設置5個監測點，且這些監測點應位于道床沉降處和拱頂等關鍵位置。在地鐵隧道施工監測中，將監測區域的基準點劃分為4個，基準點可以位于不同位置，涵蓋不同的監測范圍。選擇基準點時，要考慮到里程方向以及偏離變化大的位置，以確保基準點能夠有效參考監測數據。根據工程設計將全站儀位置，確定在特定的位置。

3.2? ?調整距離差分

在變形監測中，選擇兩個基準點，并確保它們的位置不會發生改變。第一個基準點用于確定監測位置距離基準點的斜距，將其設為“S10”。進行變形監測時，將測量的斜距設為“S'1”，與另一個基準點的斜距設為“S'2”。為了得出準確的變形信息，需要計算改正比例參數△S，然后代入公式（1）計算：

（1）

式中：△S為改正比例參數；S1和S2為測量的斜距。如果測站至變形位置的實際斜距為S'P'，代入公式（2）可得知氣象查分調整斜距：

SP=S'P-△S·S'P? ? ? ? ? ? ? （2）

3.3? ?計算平距與高差差分調整

在單向極坐標測量中，受氣壓等因素的影響，測量數據可能產生較大誤差。為了校正這些誤差，需要進行差分調整計算。差分調整計算是為了將測量點與基準點之間的高差數據進行校正，獲得更精確的高差信息。設基準點與監測點高差為，2個基準點與檢測站之間的實際高差為h'1和h'2，代入公式（3）計算：

h'n=Snsinαn+in-ln? ? ? ? ? ? ? （3）

其中：αn為垂直角度；in為全站儀實際高度；ln為反射棱鏡高度；Sn為平均偏離真值。根據公式（4）可得出相對準確的高差調整參數k：

（4）

根據實際基準點情況，通過使用上述公式，可以計算出高差改正參數。在測量時間較短等情況下，可以確認高差調整參數對于變形點與基準點具有相同的影響。可以通過公式（5）計算監測站與變形點之間存在的高差調整參數：

hp=Spsinap+ks2pcos2ap+ip-lp? ? ? ? ? （5）

式中：ip為變形點全站儀實際高度；lp為變形點靈鏡高；ap為變形點垂直角。

計算出變形點與監測站之間的斜距、高差等參數后，需要通過公式（6）計算變形點至監測站的平距參數：

（6）

3.4? ?計算變形點位置

對所有差分改正數據信息進行整理和分析后，通過極坐標計算等級，可以在較短時間內獲取具有較高精確性的各個周期變形點的位置。可以通過公式（7）計算變形點位置：

（7）

式中：Hφ為變形點與監測站之間的方位角；Dpcos為差分改正參數；X0、Y0、H0為變形點與監測站的實際距離；Xp和Yp分別表示變形點的水平坐標和垂直坐標。

3.5? ?平差處理方法

在進行平差計算時，將經過高差差分和距離處理后的觀測數據作為輸入，進行三維坐標的計算和繪制。處理的觀測數據包括差分改正數據、實際距離、方位角等信息。通過適當的數學運算和計算，可以得到變形點的三維坐標信息。將其繪制出具有較高精度的三維坐標圖，便于更準確地了解變形點的位置和變化情況[4]。

4? ?結束語

隨著技術的不斷進步，自動化監測系統在隧道施工安全預警中扮演著越來越重要的角色。通過對多個角度、多個維度對施工過程進行全面監測，無論是地質變化、結構位移還是其他異常情況，都能夠及時捕捉。

智能化的監測提高了預警的準確性，為施工團隊提供了有效的工具，有利于決策的科學性，也為保障工程質量和人員安全提供了有力保障。隨著技術的不斷發展，相信自動化監測技術將繼續在地鐵隧道施工中發揮著越來越重要的作用，為城市發展和交通建設貢獻更多的智慧和安全。

參考文獻

[1] 何旭基.隧道施工安全管理與風險預警技術應用[J].工程

建設與設計，2022（5）：222-224.

[2] 李解.城市軌道交通施工安全風險管理知識支持機制及方

法研究[D].北京：中國礦業大學，2018.

[3] 何水源.淺析高速公路隧道施工安全管理及應急處置能力

[J].黑龍江交通科技，2019，42（7）：180-181.

[4] 付遠釗.研究高速公路隧道施工安全管理及應急處置能力

[J].交通科技與管理，2021（12）：89-90.