隧道掘進綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)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(yè)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(jiān)控是目前隧道監(jiān)控領域研究的前沿課題，亦是 21世紀隧道監(jiān)控系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。該系統(tǒng)將先進的計算機信息技術(shù)、電子控制技術(shù)、無線傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)等有效結(jié)合起來，綜合應用于隧道工程的監(jiān)控量測。

對隧道等隱蔽工程進行動態(tài)監(jiān)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(tài)信息，據(jù)此判定隧道圍巖的穩(wěn)定性，并進一步確定所設計支護結(jié)構(gòu)的安全性和施工方法的合理性。隧道動態(tài)反饋設計與信息化施工較之傳統(tǒng)新奧法的監(jiān)控量測反饋修正設計，信息更豐富、內(nèi)容更廣泛，特別是融入了先進的量測技術(shù)，使得量測更迅速、數(shù)據(jù)更準確、結(jié)果更全面。本文在分析目前國內(nèi)外國外自動化監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，比較詳細地探討了自主研發(fā)的隧道遠程監(jiān)測系統(tǒng)，其目的是結(jié)合現(xiàn)代遙測技術(shù)，把選測斷面各類傳感器數(shù)據(jù)采集、三維激光掃描、爆破振動監(jiān)測以及可視化監(jiān)控融合在一起，實現(xiàn)隧道施工掌子面可視化實時顯示與分析、隧道施工監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)采集與分析，確保復雜圍巖地質(zhì)條件下隧道爆破施工的安全。

2 隧道掘進自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)在大壩安全監(jiān)測領域，發(fā)達國家研發(fā)并實現(xiàn)自動化監(jiān)測，主要有兩種類型：一種是資料管理自動化，另一種是數(shù)據(jù)采集自動化。較為成熟的技術(shù)如瑞士Solexperts公司開發(fā)研制的GeoMonitor巖土工程自動監(jiān)測系統(tǒng)，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(jiān)測的要求。從隧道自動監(jiān)測內(nèi)容方面，主要分為變形監(jiān)測、壓力監(jiān)測、影像信息收集、氣體監(jiān)測等。其他自動監(jiān)測方面如瑞士Amberg公司開發(fā)的Tunnelscan隧道掃描技術(shù)，其核心數(shù)據(jù)采集硬件是 Profiler5003超高速相位式3D激光掃描儀，在隧道進行數(shù)據(jù)采集時激光發(fā)生器發(fā)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(fā)射和接收到激光信號，可以獲得隧道的內(nèi)表面影像圖像以及隧道表面各點隧道中線的距離[1]。

國內(nèi)在自動化監(jiān)測系統(tǒng)研究方面最近幾年發(fā)展迅速，并在隧道、橋梁、邊坡穩(wěn)定監(jiān)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(fā)的工程與環(huán)境監(jiān)測，開發(fā)成功EMM-TF80自動化監(jiān)測系統(tǒng)，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(fā)的TMIGS系統(tǒng)，采用無線技術(shù)把三維激光掃描、人機定位、各種傳感器數(shù)據(jù)采集、通訊視頻及安全管理集成在一起，實現(xiàn)隧道施工掌子面圖像實時采集、顯示與編錄分析、掌子面穩(wěn)定性監(jiān)測、掌子面人員與車輛定位管理，實現(xiàn)選測斷面各種傳感器的無線數(shù)據(jù)采集與綜合分析[2]。

目前隧道施工監(jiān)測技術(shù)，一般能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)項目的自動監(jiān)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(guī)監(jiān)測、三維激光掃描、可視化監(jiān)控、爆破振動監(jiān)測與安全管理等有效融合在一起，形成巖質(zhì)隧道施工綜合信息自動監(jiān)控系統(tǒng)，目前還屬空白。

3 隧道掘進綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)

隧道掘進綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)（tunnel intelligentized monitoring system，簡稱TIS），其目的是結(jié)合現(xiàn)代遙測（無線）技術(shù)，把選測斷面?zhèn)鞲衅鳎l率類、電壓電流類、開關(guān)量類、數(shù)字類等）數(shù)據(jù)采集、三維激光掃描、爆破振動監(jiān)測以及可視化（視頻）監(jiān)控融合在一起，實現(xiàn)隧道施工掌子面可視化實時顯示與分析、隧道施工監(jiān)測（控）自動化數(shù)據(jù)采集與分析，形成隧道施工綜合信息監(jiān)測（控）系統(tǒng)，確保復雜圍巖地質(zhì)條件下隧道施工安全；通過收集地質(zhì)條件以及施工相關(guān)信息，并反饋設計、指導施工。

3.1 系統(tǒng)功能設計

TIS隧道綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)主要集成了四個主要部分：視頻監(jiān)控、洞內(nèi)凈空監(jiān)測、爆破震動速度監(jiān)測以及應力應變檢測，其中，TIS-01頻率自動監(jiān)測儀可同時檢測任意個測點；TIS-02爆破振動自動監(jiān)測儀，可用于洞內(nèi)和洞外振動速度或加速度的測量，每臺根據(jù)監(jiān)測要求可布置多個通道；TIS-03視頻采集自動監(jiān)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(jiān)測儀，用于監(jiān)測隧道洞頂?shù)某两?、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(nèi)中繼延伸的菊鏈型無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）的組網(wǎng)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線傳輸。

TIS隧道綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)主界面與結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 TIS系統(tǒng)主界面Fig.1 Main interface of TIS system

圖2 TIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 TIS system structure

TIS系統(tǒng)通過在隧道內(nèi)布置相應傳感器和采集設備進行數(shù)據(jù)自動采集，并通過無線局域網(wǎng)絡傳輸?shù)蕉赐狻？紤]到隧道的縱深長度，常規(guī)的無線局域網(wǎng)絡設備的傳輸距離一般不超過300 m，系統(tǒng)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(wǎng)絡節(jié)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(xiàn)傳輸距離的中繼延伸，從而構(gòu)成具有“菊鏈總線”特征的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)模塊和主要功能

TIS監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)絡通訊功能的數(shù)據(jù)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(gòu)架的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，還可利用反分析的方法獲取符合實際的圍巖力學參數(shù)，并在此基礎上進行力學分析計算。

（1）應力、應變監(jiān)測

TIS-01頻率自動監(jiān)測儀是一種巖土原位監(jiān)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(nèi)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(jiān)測和安全穩(wěn)定分析，數(shù)據(jù)接口處設有防雷電保護模塊，保證了非電源線引發(fā)的瞬間過流疏通，可用于環(huán)境惡劣條件的安全監(jiān)測。該模塊通訊接口采用通用傳輸協(xié)議標準，并對數(shù)據(jù)進行加密處理，防止數(shù)據(jù)被盜或者丟失。

（2）爆破振動監(jiān)測

TIS-02爆破振動自動監(jiān)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(jù)現(xiàn)場需要量身定做的數(shù)值分析和處理功能，可以根據(jù)觀測結(jié)果進行數(shù)據(jù)的擬合分析和回歸處理，建立計算機軟件遠程實時分析，現(xiàn)場將數(shù)只速度傳感器連接到爆破振動自動監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)采集和觀測。配套軟件能及時有效地對監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)。

（3）視頻監(jiān)控

TIS-03視頻采集自動監(jiān)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(zhì)、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(zhì)，解決高清數(shù)字攝像機相對黑暗環(huán)境成像效果不清晰的現(xiàn)狀。所有圖像進行24 h的存儲，存儲周期可達15 d的現(xiàn)場攝錄數(shù)據(jù)。

（4）隧道斷面檢測

TIS-04三維斷面自動監(jiān)測儀采用無合作目標激光測距技術(shù)和精密測角技術(shù)，對隧道施工全方位進行監(jiān)控，將極坐標測量方法與計算機技術(shù)緊密結(jié)合，配合專業(yè)圖形處理軟件，可快速獲得隧道封閉空間內(nèi)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(xiàn)隧道斷面的快速精確檢測，施工監(jiān)測，竣工驗收，質(zhì)量控制等工作。

（5）數(shù)據(jù)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(wǎng)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(nèi)網(wǎng)電腦的IP地址與MAC地址進行綁定，有效防止偽造數(shù)據(jù)包，從而有效遏制內(nèi)網(wǎng)ARP攻擊，保證內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全。

（6）系統(tǒng)軟件功能

便攜數(shù)據(jù)采集應用軟件：中文操作界面，提供采集控制、前端調(diào)理系統(tǒng)控制、多通道波形實時顯示、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、工程標定、時域統(tǒng)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(jù)不同測點預設標準值或閾值來實現(xiàn)監(jiān)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(jié)構(gòu)。隧道進出口段，表層為2～2.5 m厚的粉質(zhì)黏土，其下為強～中等風化片麻巖，節(jié)理裂隙發(fā)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(jié)理裂隙較發(fā)育，地表有第四系粉質(zhì)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(xiàn)象。為了確保施工安全，隧道進口段開挖時在其右側(cè)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(jiān)測

隧道開挖后圍巖壓力監(jiān)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(jié)構(gòu)密切接觸；鋼拱架應力，采用弦式應變計監(jiān)測，安裝時將應變計用鐵絲等固定在鋼格柵主筋上；數(shù)據(jù)采集 TIS-01頻率自動監(jiān)測儀。傳感器布置如圖3所示。

火郎峪隧道出口圍巖壓力監(jiān)測結(jié)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(cè)拱腰圍巖壓力逐漸趨于穩(wěn)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(wěn)定。

圖3 隧道出口監(jiān)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(jiān)測曲線Fig.4 Surrounding rock pressure curves of tunnel exit

4.3 隧道斷面變形監(jiān)測

隧道變形監(jiān)測包括洞頂沉降，洞身收斂和底鼓等監(jiān)測內(nèi)容，采用隧道激光斷面掃描儀進全自動遠程實時監(jiān)測，實時了解隧道斷面變形規(guī)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(jiān)測與分析

隧道掘進爆破振動監(jiān)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(jié)構(gòu)、仰拱開挖初襯結(jié)構(gòu)振動速度進行監(jiān)測，分析爆破地震波傳播規(guī)律，同時為及時調(diào)整隧道開挖施工方案、優(yōu)化爆破設計參數(shù)提供依據(jù)。

根據(jù)隧道出口段的地形和結(jié)構(gòu)特點，測點布置在兩段區(qū)域：隧道出口開挖段，重點監(jiān)測掘進爆破對鋼筋混凝土套拱結(jié)構(gòu)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(jù)掌子面與測點位置的變化，監(jiān)測、分析爆破地震波傳播規(guī)律，同時為及時調(diào)整隧道開挖施工方案、優(yōu)化爆破設計參數(shù)提供依據(jù)。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(huán)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(guī)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(qū)向未開挖區(qū)），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(jié)構(gòu)，導致地表振動速度存在明顯的區(qū)域性變化特點，成形隧道區(qū)地表振速通常大于未開挖區(qū)，即所謂的“空洞效應”，特別是在掌子面兩側(cè)（見圖5）。同時，未開挖區(qū)越往里振動衰減越快，測點F振速最??；（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(guān)鍵；（4）監(jiān)測結(jié)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(qū)隧道上部圍巖、初襯結(jié)構(gòu)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(guī)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(jiān)測內(nèi)容較多，這里僅簡要介紹TIS系統(tǒng)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(tǒng)在保障隧道施工安全方面具有重要的現(xiàn)實意義。

5 結(jié) 語

通過隧道的監(jiān)控量測，可以了解隧道圍巖是否穩(wěn)定、施工方法是否合理、支護結(jié)構(gòu)是否合適等。對隧道施工的全過程監(jiān)控監(jiān)測，可以掌握圍巖及支護體的工作狀態(tài)，完善隧道初期設計，指導工程施工，預見和及時發(fā)現(xiàn)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(jiān)控是“新奧法”施工的重要內(nèi)容，是保障隧道施工安全、優(yōu)化設計、指導施工的重要手段，隧道的監(jiān)測和預警方案要根據(jù)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(tǒng)實現(xiàn)了隧道開挖掌子面可視化實時顯示，隧道開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、無線傳輸與數(shù)據(jù)分析，形成了隧道施工綜合信息自動、無線監(jiān)測與預警系統(tǒng)，對確保復雜圍巖地質(zhì)條件和復雜環(huán)境條件下隧道施工的安全具有重要意義。

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