地下輸水隧洞圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

在地下施工作業(yè)中，通常會(huì)碰到特質(zhì)不均勻的地表巖石、復(fù)雜多樣地質(zhì)構(gòu)造的問(wèn)題。如果再受到力的影響(其中包括外力、應(yīng)力和內(nèi)力)，巖體整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生極大的變化[1]。如果圍巖有形狀的變化、位置的移動(dòng)、松動(dòng)的圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，就會(huì)導(dǎo)致很大損失，這表明加強(qiáng)監(jiān)督管控測(cè)量工作對(duì)施工作業(yè)至關(guān)重要[2]。要保證地下輸水隧洞工程能有效減少塌方等危險(xiǎn)，就要遵循巖力學(xué)的變化規(guī)律，對(duì)巖圍機(jī)構(gòu)的支護(hù)時(shí)間、參數(shù)等指數(shù)合理有效整合、掌握和了解。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目的

地下輸水隧洞圍巖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)的功能如下：

a.全面采集隧洞圍巖的位移測(cè)量指標(biāo)。把所有對(duì)隧洞圍巖采集到的直線位移量，通過(guò)磁傳感器(具備位移可伸縮的基本特性)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，分析大小與位移量可以得知，二者呈明顯的線性關(guān)系，電信號(hào)指的是圍巖位移量，可隨時(shí)觀察它的變化。

b.高效傳輸隧洞位移量的數(shù)據(jù)。在采集節(jié)點(diǎn)上通過(guò)接收到傳感器的隧洞位移量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)匯總再利用無(wú)線傳感器輸出到隧洞外的監(jiān)控站[3]。最后，外面的監(jiān)督管控站再把數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，利用以太網(wǎng)整理打包組合，并將其一并發(fā)送出去，然后，由地面監(jiān)控中心成功接收即可。

c.準(zhǔn)確判定隧洞圍巖位移量，及時(shí)警報(bào)提示。以測(cè)量出來(lái)有科學(xué)依據(jù)的某個(gè)數(shù)值區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)和根據(jù)，對(duì)比隧洞內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，若實(shí)際位移量超出了閾值，外面的監(jiān)控站就要立刻拉響警報(bào)，有警燈閃爍，所有的監(jiān)控管理平臺(tái)都會(huì)出現(xiàn)報(bào)警的緊急提示。此外，監(jiān)控平臺(tái)軟件還可以自動(dòng)生成隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)圍巖位移圖，有效反映各個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的位移現(xiàn)象，明確穩(wěn)定性出現(xiàn)變化的具體點(diǎn)位。

2 設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織

信息的采集、信息的傳輸、監(jiān)控和管理分別是隧洞圍巖中位移量的檢測(cè)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)重要組成系統(tǒng)，不管是信息采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)還是管控系統(tǒng)，都是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必不可少的重要環(huán)節(jié)，受整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)配，協(xié)同工作。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織原理見(jiàn)圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組織原理

3 隧洞圍巖變形影響因素分析

隧洞施工過(guò)程中，圍巖變形受到各種因素的影響。但是，我國(guó)目前的隧道規(guī)范沒(méi)有基于位移的圍巖穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，主要是由于在不同巖性和不同工作條件下，圍巖位移發(fā)生了較大變化。另外，跨度、埋深、施工方法等因素對(duì)圍巖變形也有較大影響。結(jié)合隧洞圍巖變形破壞的情形，同時(shí)考慮工程地質(zhì)特點(diǎn)和隧洞施工條件，分析得出施工方法和施工過(guò)程是影響隧洞變形破壞的主要因素。

影響隧洞圍巖變形的因素不僅與不同的工程地質(zhì)條件、巖體特征和隧洞支護(hù)措施有關(guān)，而且與不同的施工方法也有很大關(guān)系。隧洞開(kāi)挖時(shí)，都會(huì)不同程度地?cái)_動(dòng)圍巖，使得圍巖的應(yīng)力釋放，多次重新分配，導(dǎo)致開(kāi)挖后圍巖的力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原來(lái)的巖石。根據(jù)圍巖變形特征與隧洞施工狀態(tài)的關(guān)系，在不同的施工過(guò)程中，圍巖變形率波動(dòng)明顯。因此，在施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，除了依靠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分類分析來(lái)判斷圍巖的穩(wěn)定性外，還要掌握圍巖變形與施工狀態(tài)之間的關(guān)系。監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)見(jiàn)圖2和圖3。

其一是產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的公共效應(yīng)。一個(gè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生，往往源于革命性的科技創(chuàng)新，企業(yè)意識(shí)到創(chuàng)新的商業(yè)價(jià)值，產(chǎn)生強(qiáng)大的創(chuàng)新需求。產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生及發(fā)展，一般會(huì)遵循成長(zhǎng)曲線規(guī)律，即產(chǎn)業(yè)發(fā)展的起步期、成長(zhǎng)期、成熟期和衰退期。在起步期，由于投入資源有限，創(chuàng)新速度緩慢;在成長(zhǎng)期，創(chuàng)新速度加快，創(chuàng)新資源投入眾多，創(chuàng)新效果較好;而在成熟期和衰退期，隨著技術(shù)的日趨成熟，創(chuàng)新變得越來(lái)越困難，因此創(chuàng)新速度也較慢。在起步期和成長(zhǎng)期，由于創(chuàng)新速度越來(lái)越快，會(huì)吸引政府追加創(chuàng)新投入，同時(shí)給予一系列的配套政策支持，創(chuàng)新速度越快，政府的相關(guān)配套政策越多，從而推動(dòng)創(chuàng)新速度進(jìn)一步加快，形成良性循環(huán)。

圖2 監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

4 輸水隧洞圍巖穩(wěn)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)監(jiān)控站

4.1.1 設(shè)計(jì)監(jiān)控站的要求

地下隧洞的傳感器數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和監(jiān)控中心的服務(wù)平臺(tái)主要靠監(jiān)控站進(jìn)行連接和傳輸。監(jiān)控站主要是把采集點(diǎn)上位移量的數(shù)據(jù)利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收集整理，隨后借助光纖網(wǎng)完成位移數(shù)據(jù)的遷移，使其進(jìn)入到監(jiān)控中心，作進(jìn)一步分析與判定。監(jiān)控站是根據(jù)協(xié)議，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了快捷用電以及方便安裝網(wǎng)絡(luò)電纜，建議在地下隧洞口處的空曠地帶安裝網(wǎng)絡(luò)電纜。設(shè)計(jì)監(jiān)控站主要考慮以下幾方面：

a.傳輸數(shù)據(jù)的速度要足夠快，因?yàn)樗薪邮盏轿灰频奈恢?、時(shí)間、電量等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯總的大量數(shù)據(jù)信息要整理融合并轉(zhuǎn)發(fā)，所以監(jiān)控站的傳輸率一定要滿足其數(shù)據(jù)融合量。

b.傳輸數(shù)據(jù)容量存儲(chǔ)盤要足夠大，能保存大量數(shù)據(jù)信息，并且要對(duì)某些歷史數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存，以便存根存檔。

c.通信的質(zhì)量一定要高，不管是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還是有線網(wǎng)絡(luò)，都對(duì)保證通信質(zhì)量的頻段、設(shè)備芯片提出了特別嚴(yán)格的要求。

d.保證無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具備高度監(jiān)控能力，覆蓋至各個(gè)新增或者無(wú)效節(jié)點(diǎn)，出現(xiàn)上述類型節(jié)點(diǎn)后隨即發(fā)出提示并重組。

e.完善報(bào)警、處警的緊急處突能力。一旦測(cè)量的位移量、時(shí)間量超過(guò)了閾值，就要迅速拉響警報(bào)、開(kāi)啟警燈，使工作人員及時(shí)采取提前處置、撤離等補(bǔ)救措施[4]。

4.1.2 設(shè)計(jì)監(jiān)控站的硬件裝備

圖4 監(jiān)控站硬件設(shè)施結(jié)構(gòu)

a.整個(gè)監(jiān)控站最為核心的當(dāng)屬微處理器，具體對(duì)應(yīng)的是各單元內(nèi)部的監(jiān)控站處理器，可完成節(jié)點(diǎn)位移量的采集，并借助網(wǎng)絡(luò)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸。考慮到數(shù)據(jù)需要在第一時(shí)間高效、快捷地與地面控制中心服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，要求各個(gè)微處理器的主頻和內(nèi)置接口處的版塊質(zhì)量非常高。

b.建立與地面服務(wù)器之間通信需得到以太網(wǎng)的支持，用到了DM9161芯片，設(shè)置了與網(wǎng)絡(luò)連接的接口，物理層收發(fā)器之間需要通過(guò)以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的傳輸。實(shí)際工作中，發(fā)送數(shù)據(jù)位主要指的是20～17引腳，基于21引腳實(shí)現(xiàn)傳輸，并通過(guò)29～26引腳接收，在32引腳中斷輸出效果。不僅如此，為滿足網(wǎng)絡(luò)匹配以及運(yùn)行穩(wěn)定性需求，適配了網(wǎng)絡(luò)變壓器H1102NL，為整體運(yùn)行提供了保障。

c.整合所有監(jiān)控站搜集到的采集點(diǎn)上的數(shù)據(jù)信息，一旦有單位時(shí)間等位移數(shù)據(jù)超過(guò)之前設(shè)定的安全正常閾值，就要拉響警報(bào)、開(kāi)啟警燈，第一時(shí)間迅速報(bào)警，要求工作人員接到警報(bào)，作出緊急處置[5]。

d.此外還有液晶顯示、按鍵等附屬單元，必須注意與采集點(diǎn)上硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)電路思想一致。

4.1.3 設(shè)計(jì)監(jiān)控站的軟件程序

設(shè)計(jì)監(jiān)控站的軟件程序主要由無(wú)線數(shù)據(jù)的匯總整合和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信兩部分組成。借助以太網(wǎng)，可創(chuàng)設(shè)與監(jiān)控管理中心的有效連接途徑，此時(shí)監(jiān)控站的特定指令可以轉(zhuǎn)達(dá)至監(jiān)控管理中，獲取各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，一方面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)作出分析，另一方面也可以對(duì)采集點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，如果有異常可以立即上傳警報(bào)。設(shè)計(jì)監(jiān)控站軟件程序的流程為：?jiǎn)?dòng)→系統(tǒng)初始化→模塊初始化(Timer、以太網(wǎng)等)→變量初始化→使能Timer中斷→無(wú)線模塊等附屬單元初始化→運(yùn)行看門狗→運(yùn)行Main循環(huán)→傳遞特定函數(shù)→基于以太網(wǎng)接收函數(shù)→串口接收→按鍵捕捉信息→顯示屏呈現(xiàn)→觸動(dòng)聲光報(bào)警功能。

整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息匯總中心是監(jiān)控站，其掌握所有采集點(diǎn)數(shù)據(jù)，依照科學(xué)依據(jù)，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上分析判定是否超出設(shè)定的閾值。然后，通過(guò)決策人員對(duì)數(shù)據(jù)的分析，作出相應(yīng)的施工作業(yè)安排。

4.2 搭建監(jiān)控管理的平臺(tái)

地下隧洞外的工作人員對(duì)地下隧洞內(nèi)圍巖位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的平臺(tái)是一套遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，除了必備的基礎(chǔ)功能外，還附加一些輔助功能，設(shè)計(jì)上機(jī)位的軟件要注意以下方面：在監(jiān)控管理中心的服務(wù)平臺(tái)上，工作人員可以通過(guò)驗(yàn)證碼或密碼登錄系統(tǒng)的后臺(tái)，對(duì)采節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)以及電池電量的信息進(jìn)行查詢操作。還可以通過(guò)折線等方式對(duì)時(shí)間量的信息進(jìn)行繪圖觀察，以此掌握地下隧洞圍巖的位移情況。

a.在采節(jié)點(diǎn)信息匯總工作板塊中，設(shè)定科學(xué)的位移量極限值，不僅可以監(jiān)視位移作出預(yù)警，還可以設(shè)置采集時(shí)間間隔、周期等條件，使其動(dòng)態(tài)管理更加智能化[6]。

b.監(jiān)控站管理的上位機(jī)必須接收到現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采集點(diǎn)應(yīng)組網(wǎng)連接并上傳，監(jiān)控站點(diǎn)的電源電氣狀態(tài)信息上傳。

c.為了避免系統(tǒng)崩潰和斷電時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失的情況，軟件平臺(tái)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均賦予了打印功能，可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的保留，主要涉及到以位移曲線為代表的一系列關(guān)鍵、有保存價(jià)值的數(shù)據(jù)，還要具有備份軟件功能。

d.報(bào)警系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)控服務(wù)平臺(tái)最核心的部分，要求必須及時(shí)、準(zhǔn)確地在地下隧洞采集位移量超過(guò)閾值的時(shí)候，發(fā)出警報(bào)提示。一旦出現(xiàn)異常情況，包括電量不足15%的時(shí)候，各個(gè)操控窗口要不斷提示警告信息，直到工作人員關(guān)閉和維修漏洞才停止警報(bào)。

e.為了對(duì)普通用戶和管理用戶進(jìn)行不同權(quán)限管理，登錄信息時(shí)，需針對(duì)各類用戶的配置以及密碼管理等環(huán)節(jié)的操作設(shè)置特定權(quán)限。

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理程序軟件

首次使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件，程序啟動(dòng)后的主界面，必須初次設(shè)置圍巖類型、位移閾值、采節(jié)點(diǎn)的編號(hào)等信息，不同的管理員設(shè)定了解除或者增加等不同等級(jí)的管理權(quán)限，以自己的用戶名和密碼，登錄軟件的程序，操作相關(guān)權(quán)限。在主界面可以看到“監(jiān)控站的名稱信息”“關(guān)鍵版圖”“查詢”“觸發(fā)警報(bào)”等一系列便捷化操作菜單欄。點(diǎn)擊菜單的某一板塊，就能顯示版塊的所有相關(guān)信息，最新的、直觀的、重要的參考信息會(huì)排列居上，進(jìn)行特別提示，并且還具有數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)出、打印備份的功能，使操作者或管理領(lǐng)導(dǎo)可以對(duì)信息全方位快速掌握，作出科學(xué)決策。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在圍巖穩(wěn)定性分析時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)圍巖位移情況，并給出具體的數(shù)據(jù)信息，針對(duì)實(shí)際情況對(duì)工藝參數(shù)作出合適的調(diào)整，提升施工方法與工程環(huán)境的相適性，給隧洞施工創(chuàng)設(shè)足夠安全的環(huán)境，保證隧洞施工順利完成。