自動化監測預警技術在公路隧道工程中的應用

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

據交通運輸部《2019年交通運輸行業發展統計公報》顯示，截至2019年12月，全國公路隧道總里程已超過1.9萬km。由于地質災害的原因，施工中出現的各種突發事件，給施工帶來了巨大的經濟損失，并產生了嚴重的社會后果。在施工中，必須對拱頂沉降、周圍變形、變形等進行監測，對隧道進行監測，既能了解圍巖、支護結構的動態及穩定，又能依據測量資料，對設計、施工方案、圍巖等級調整、支護設計變更及處理方案提出修正建議。傳統的方法主要是利用水準儀、全站儀、收斂儀等儀器，通過手工逐個逐個地進行，但由于施工時間長，操作煩瑣，誤差大，監測間隔時間長，結果反饋不及時，難以保證預報結果的及時性。隧道自動監控預警技術是一種新型的實時采集、分析和預警技術。為我國的監測和計量工程管理工作的規范化、信息化提供了有力的支持。同時也能為隧道地質災害的發生和處理提供更好的應對措施，將災害損失降到最低，保證隧道建設和運行的安全。對以后同類工程的施工和施工技術的發展起到了一定的參考作用，對工程的實際應用和社會經濟意義重大。

1 隧道自動監控和預警系統的工作原理

該系統包括了隧道激光掃描儀、數據實時傳輸、云計算等多個部分，該系統采用高精度的激光測距傳感器，將激光光束發送到靶板上，并按照系統設置的數據獲取頻率，利用所發射的光束和反射光束之間的差值，完成對現場數據的采集。根據規范和設計要求，由系統后臺對采集到的原始數據進行分析、處理，得到周邊收斂、拱頂下沉速率、單沉降量、累計沉降量等變形參數，并編制相應的圖形。對于超限的情況，通過現場審核，系統會自動將短信通知給協議權限和責任方，并將相應的處理措施和處理結果記錄在軟件中，形成一個閉環[1]。

2 隧道自動監控技術必不可少的組成部分

2.1 監測傳感

隧道內的自動監控系統和人工監控傳感系統具有很好的一致性。在圍巖變形監測中，可實現自動化監控的傳感器有：機器人、激光位移計、靜力水準儀、巴塞特收斂法、隧道斷面自動掃描等。壓力盒、多點位移計、錨桿軸力計、混凝土應變計、鋼筋計等是監測圍巖和支護結構力學性能的傳感器。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進行，因此其抗干擾性差，造價昂貴。

2.2 監控數據自動采集技術

根據當前隧道施工監控的內容，結合已有的各種傳感器，可分為電壓數據、振弦數據、電流數據、數字數據和壓電數據信號等。在隧道工程中，首先要實現對不同類型的傳感器所采集到的各種不同的信號進行定時的自動采集和輸出。目前，這一技術已經相當成熟，能夠成功地完成多種類型的信號數據的集成與轉換。

2.3 數據自動傳送技術

由于隧道施工的特殊性，在以前的施工中沒有無線網絡覆蓋，為了達到自動監控，必須在隧道內部建立或采用有線方式進行通信。而近年來，無線通信技術迅速發展，包括：①蜂窩式的無線接入技術（CDPD）、通用分組無線傳送（GPRS）、EDGE等；②基于LAN技術，如IEEE802.11、WLAN、藍牙、IrDA、HomeˉRF，微功率短程無線通訊技術[2]。直至目前，這些技術已經相當成熟。

2.4 數據自動分析、處理和預警技術

數據的自動分析、處理和預警技術是由計算機軟件開發來完成的，它是由軟件開發完成的，對數據進行處理和分析，將隧道施工安全狀況評估系統嵌入系統中，為用戶提供實時的隧道建設安信息。目前，該技術已經相當成熟，其關鍵是建立隧道施工安全狀況評估與評估體系。

3 某項目實施自動化監測的具體內容

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。

3.1 監控項目和指標

根據設計、咨詢、業主、鐵路等有關規定，結合實際情況，設計、咨詢、業主、鐵路等有關規定，并根據實際情況，建立了自動實時監控的精度和控制數值。自動化監測要求如表1所示。

表1 自動化監測要求

3.2 監控地點的設置

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置棱鏡。一個監測斷面主要影響區域為5m，次要影響區域為10m；本項目中監測斷面共計44處，各設5處監測點。自動檢測站主要使用棱鏡元件。布點時，先在隧道內壁上打一個洞，洞深8cm，孔徑1.6cm左右，用兩根化學錨桿和植筋膠固定在洞壁上，并用兩個螺絲固定。由于高鐵運行速度快，在活塞作用下，為了確保觀測站的穩定，防止觀測點脫落造成災難，觀測站采用化學錨栓與L型支架相連接。用TS60型智能型全站儀進行觀測。

3.3 自動監控系統

系統選用測量機器人自動化監測系統，該系統具有自動測量、處理、發送、預警和控制等功能。每次測試結束后，系統都會自動將測試結果上傳，當需要報警的時候，會自動向用戶發出警報，同時，該系統還具備實時的數據比對功能，可以讓用戶一目了然。在安裝和調試完后，將原始數據傳輸給全站儀，設定好的觀測間隔，全站儀通過網絡接收指令，自動觀察到現場的棱鏡，然后由全站儀將測量結果通過網絡傳給相應的計算機，由計算機進行分析，確認后，再將結果反饋給各參與方，如果出現任何異常，則由手機短信通知各參與方，避免人工干預，確保數據的真實性。

3.4 監測

（1）本系統所使用的徠卡TS60全站儀，具備自動識別和馬達驅動、自動精瞄、自動追蹤、自動追蹤等功能。設備自動將監控結果記錄下來，并將其發送到遠程服務器，通過遠程服務器自動調整，防止了人為的錯誤，然后將監測結果發送給監控結果分析系統，自動生成、分析、發送報告。

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

（3）對平面控制點要定期與鄰近的起點進行連續測量，如果出現位移，則在監測時將觀測到的位移量加入監測中，以確保監測結果的正確性。

3.5 監測數據的分析

監測期為2020年7月1日—12月30日，共6個月，從開始測量開始到全部工程結束，隧道沒有發生任何變形，監測數據也沒有報警，直到施工結束，監測點位被拆除并進行了內部恢復，沒有發生安全及其他事故。在自動化監控中，每次自動監控結果與初始數據進行比較，得到了ΔX、ΔY、ΔH3個方向的變化。最后的現場監控結果以報告的形式呈現，從報告的結果可以看出，自動實時監控存在如下特征。

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

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

（3）相關性：工程施工對隧道的影響，不僅限于一個監測點，而且會影響到整個區間或局部區域；因而，當隧道發生改變時，觀測斷面或整個區域的觀測資料可能會出現異變、突變、逐漸改變等現象。

（4）偶然性：在自動監測過程中，由于隧道中的觀測條件是復雜多變的，一旦有了障礙物，就會有可能發生偶然的異常，出現沒有規律的監測數據；所以，在對數據進行監督時，必須對數據進行正確的判斷和篩選，以避免虛假數據的產生。

4 淺析隧道自動監控技術的發展

4.1 隧道工程圍巖自動化監控的技術難點

目前，隧道圍巖變形的自動監控技術有很多，但在實際工程中仍有很多問題有待解決。

（1）測量機器人及自動隧道剖面掃描系統造價過高，施工干擾較大，觀測基點和測點容易受到損壞，因此要經常人工進行觀測，而且在隧道中安裝的儀器設備容易損壞，而且很少向公眾開放，與自動監控系統集成。

（2）激光位移儀技術尚在研發中，尚未有成熟的產品投入生產，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，因此有關的信號處理技術尚未完全成熟。

（3）靜水位計各傳感器間的物理聯接，由于施工的影響，測量范圍小，安裝時要求結構物的表面平坦，而在隧道工程中，測量點在初始支護上，不能滿足要求。

（4）巴塞特收斂系統是國外自主開發的，具有造價高、施工擾動大、資料不能向公眾開放、不能與其它自動監控系統兼容等特點。

4.2 使用自動化監控系統的費用很高

在隧道工程中，圍巖變形的自動監控一直是一個技術難點，目前只有在選定的工程中才能實現。由于隧道是一條長大的線路，監控斷面眾多，需要大量的傳感器，按照以往的經驗，每一個監控斷面的選擇傳感器都要在2～3萬元，而隨著隧道的不斷深入，監控數據的傳輸成本也很高，自動化監控的成本很高，這也是導致自動化監控很難普及的主要原因[3]。

4.3 監測目標和監測預警指標不清

隧道工程屬于長線路工程。由于圍巖的地質情況不清楚，造成了結構受力薄弱環節不清楚，需要重點監控的區段布局不清楚，常常會發生在監控區段沒有問題的情況下，而未發生工程事故[4]。由于隧道工程的個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隧道的變形預警指標，同一隧道的變形預警指標也各不相同，所以在同一隧道的不同段或不同隧道中，要開發出相應的軟件體系，這就給施工帶來了一定的難度。

4.4 施工期間的嚴重擾動

由于隧道施工過程復雜，易損毀監測測點，爆破振動對信號的干擾，隧道施工中粉塵大，影響數據的收集和處理，同時，由于隧道施工中經常更換基點，并跟蹤隧道施工過程中的傳感器的埋設，傳感器的埋設質量會對數據的采集精度造成很大的影響，同時也會受到人為的干擾[5]。

5 結語

在隧道工程中，施工監控量測是新奧法設計和施工中的一個關鍵環節，是保證工程質量的關鍵。由于技術、成本、施工等原因，限制了隧道自動監控技術的發展。為了逐步取代手工監控技術，實現隧道自動監控技術的快速發展，需要在多個領域進行深入的探索，并在此基礎上取得突破，研制相應的檢測儀器。具體如下。

（1）應著力解決圍巖變形自動化監控技術的瓶頸問題，研制相應的監控設備，改善在惡劣條件下的穩定性。結合我國隧道工程建設的實際情況及有關技術發展的需要，提出了一種基于激光位移測量的方法，即對目標光斑位置的光電信號進行自動轉換、自動傳送，并對其進行自動采集。

（2）建立合理的變形預警指標是實現自動監測和預警精度的先決條件。提出了在監控系統中應加強人機交互設計，為特定項目設置人工輸入窗口，提高監控的精確度和可靠性。

（3）提出了從監測指標、無線傳輸等幾個方面著手，通過減少監測指標來減少傳感器的數目和費用，并采用一種新的傳輸方式來實現遠距離的傳輸，從而降低了數據傳輸的費用。

（4）我國和行業應該進一步探索隧道自動化監測系統，提高自動化監測系統、遠程傳輸系統、監測儀器及輔助設備的靈敏度響應、施工現場的適應性，從而提高自動化監測系統的綜合、準確和適應性，為隧道自動化實時監測工作的開展提供科學依據和相關規范作業。