隧道施工安全预警中的自动化监测技术

隧道施工安全预警中的自动化监测技术

常继坤

中交路桥检测养护有限公司   北京市  101300

摘要：针对目前我国地铁建设中普遍采用的传感器网络、激光扫描、无人机监控等自动监控方法，对其进行了详细的阐述。针对目前我国地铁建设中存在的数据处理和分析、系统可靠性等方面存在的问题，给出了一些应对措施。通过对智能监控技术在隧道建设中的实际运用进行了研究，希望能给城市轨道交通建设带来一定的借鉴作用。

关键词：隧道施工；安全预警；自动化监测技术

引言

城市轨道交通是交通系统中最主要的一环，其施工及运行过程中的安全性是人们普遍关心的问题。由于其施工环境复杂，施工工艺多变，且与市政管道等建筑物之间存在着相互作用，因此，其安全性问题不可忽视。以其高效、精确和实时的特点，实现了对隧道工程的安全监控。利用这一方法，既能及早地检测出工程中存在的安全问题，又能对工程建设和公众的生命财产进行有效的保护。通过对智能监控技术在隧道建设中的实际运用进行了较为详细的探讨，希望能对我国城市轨道交通建设有一定的借鉴作用。

1自动化监测系统工作特点及原理

1.1自动化监测技术的特点

1.2针对当前城市轨道交通建设中，由于城市轨道交通建设中的复杂情况，人工监控很难进行，且具有很大的局限性。采用先进的传感器与设备，能够有效地降低人工因素带来的干扰，提高监控效果。采用自动监控系统，实现了对现场信息的实时收集与传递，使得监控结果可以及时地反应整个工程的运行状况，及时地检测出工程中出现的各种异常状况。该系统能够在不同的工程、不同的地质情况下，对不同地点进行多点监控，从而达到分布式监控的目的。该自动化监控系统能够在施工期间设定一个警告门槛，一旦超出设定值就会自动发出警报，方便使用者对隐患进行处理，这既可以节省人力、物力、财力，又可以有效地降低监控人员的危险性。通过对各种资料的集成处理，可以让工程师掌握工地的实际情况及发展动态，从而作出更合理的规划。该系统能够满足工程建设的要求，满足工程建设的要求，满足工程的要求。

1.2 系统基本原理

自动化监测系统通常由多个组件和模块组成，这些组件和模块协同工作，从而实现对隧道施工过程的全面监测和管理。其中，以数据获取为中心，对工程建设过程中的振动、位移、变形和温度等数据进行了采集和分析。该系统采用多种传感器及检测装置对所采集的信息进行采集，并将其传送至下一步的处理模块。在地铁隧道内部及周边重要部位设置有大量的传感器及检测装置，对地下工程中的地质变化、结构变形、环境状况等进行实时监控。该数据发送与通讯系统包含将来自感测器的资料传递至中央监控中心的有线及无线通讯装置。中心监测中心对各传感器数据进行收集、存储和分析，并利用专用的软件平台对所收集到的数据进行处理、分析和可视化，同时还可以绘制历史曲线，检测异常状况，并生成报告，为技术人员提供依据。该自动监控系统根据预先设定的监控指数及设定的阀值，对资料进行实时监控，当发现有任何不正常现象时，便会发出警报，并利用多种通讯方式（短信、邮件、警报声等）向有关人员发出警告。通过与 GIS的整合，可以将监控资料的位置及状况呈现在地图上，便于工程师对资料的了解与处理。工程师可以在网上对现场的监控及警报等进行远程监控，从而实现对整个系统的监控。项目数据处理功能是对施工过程中涉及到的各类数据进行有效的管理，包括设计文件、施工计划、监测报告等。为保证城市轨道交通工程建设的全流程监控，提供了一套完整的城市轨道交通监控体系。

2监测目的和原则

在隧道施工中，为了确保施工的安全，必须对不稳定的因素进行检测。由于拟建隧道所在地区的工程地质条件较为复杂，且受自然条件等诸多不可控制的影响，因此需要通过对其进行自动监控来把握其在建设期间的运行状况。负责工地的安全工作。通过观测资料对周围岩体结构的安全性和稳定性进行了相应的调节。对区域建筑特点进行了分析。通过对实测资料的收集和分析，直观地展示了被测物的真实变形和稳定性，并对其周围的环境条件产生了一定的影响，从而为同类工程提供了可借鉴的技术手段。从上述分析中可以看出，在进行实际监控时，应遵守如下基本原理：可靠性，即在监控体系的设计中，为了确保施工的安全性，应优先考虑。多级监控原理：在巷道中布置多个方向的监控网络，以保证监控资料的可靠性和连续性。主要监控要点：按实际工程经验，对每一个重要地段采取监控措施，确保施工的安全性。

3自动化监测平台

3.1全站仪

在城市轨道交通建设中，采用了莱卡 TS型全站仪对其进行监控。本仪器是一种集自动监控、精密检测为一体的仪器，它可以在各种工况下进行有效、准确的检测。该仪器具有对焦功能，能实现对焦的自动调节，从而大大降低了人为的工作量，增加了测试的便利性。配备监视前向反射镜，可以很容易地在各种高程之间转换，以满足各种测试任务。本文介绍了利用全站仪进行现场观测的方法，并对其进行了实时的数据采集与处理。在实际应用中，测试结果可以直接上载至电脑或云平台，以便于以后的处理与管理。

3.2反射棱镜设备

反射棱镜是一种用来接受全站仪所发出的量测讯号，并将讯号回传给量测单位的量测仪器。在城市轨道交通施工中，施工人员应按设计及施工需求，将其设置于适当的位置。一般情况下，隧道控制点和变形点都要进行精密的量测。在完成了三棱镜的架设之后，为了精确的接受到测试的讯号，必须将其对准了全站仪或者工作基地。全站仪会发出激光束或者是其他的量测讯号，经由反射棱镜接受讯号，再进行运算。

3.3计算机

GPRS是一种无线通信技术，通过 GPRS网络将电子电脑与全站仪相连，将采集到的资料即时传送至中央监控中心或远端伺服器，进行即时监控及资料处理。这种方法可以使各种观察资料的自动存贮，对各种观察资料进行汇总和分析，从而降低了人工测量的误差。通过对现场数据的实时传递与自动处理，实现了对现场施工进度与动态状况的监控，并作出相应的判断与调整。该自动化监控系统可以自动地储存海量的监控资料，并从中抽取出有效的信息，形成监控报告，方便工程人员及时掌握隧道的运行状况，辅助工程管理与决策。

3.4监测软件

智能监控系统是一款专门用于监控项目的智能监控系统，利用全站仪进行精确的量测资料，通过智能监控系统实现对各种参数的实时分析与监控。采用智能监控系统，结合全站仪能对隧道进行全面的变形、位移和变形等综合监控。可按要求建立相应的资料表格，并按指定的形式与规范保存各种资料，以便日后的研究与查询。在监控工作中，通过周期计划的实施，保证各装置监控周期内的工作周期不发生交叉，实现对各装置监控周期的有效控制。

3.5监测数据分析

通过智能分析软件从自动监控系统中获得原始数据，通过一系列的数据处理、计算和分析运算，从中抽取出异常数据筛选、平滑处理、平均值计算等有益信息。并能利用该代码实现对各种数据的分类，异常数据的标注，变化率的计算。利用该方法进行实时监控，消除了观测误差，获得了更为精确的资料。在对这些资料进行处理时，我们可以将这些资料中的一些不正常的资料，例如有很大的偏差或与期望不符的资料，加以剔除。根据所得到的数据，可以得出各时段的数据平均值和变化趋势等。在资料的后期，要根据工程的具体需求，对资料进行全面的分析，以便于了解资料的含义，并找出可能出现的问题或趋向。

4隧道施工安全预警中的自动化监测技术

4.1监测位置确定

在确定监控点时，必须对断面进行监控。通过在地下工程中的探测部位，在其正交断面上布置观测点，以获取断面内部的变形信息。采用多点布置正交断面，能够更加完整地监控隧洞各部分的变形，从而得到更为精确的资料。以一座城市轨道交通工程为实例，按设计要求，每10 m布置一段，共计30段。各断面需布设5个测点，并分别布置在道砟下沉、拱顶等要害部位。在对地下工程进行现场监控时，采用了4个测点，这些测点分布在各个测点上，覆盖了不同的观测区域。在选取参考点时，应充分利用观测资料中的距长和偏差较大的部位，使其能充分利用观测资料。按照项目设计，对全站仪所处的具体方位进行定位。

4.2调整距离差分

对两个参考点进行了定位测量，确定了两个参考点的相对位置。第一参考点被设置成以“S 10”来表示监控点与参考点之间的倾斜距离。在观测过程中，用“S'1”表示所测得的倾斜距离，用“S'2”表示与其它参考点之间的倾斜距离。要获得精确的形变信息，必须先求出校正尺度参量△ S，再将其转换到（1）式中来算出：

（1）

SP = S'P - △ S · S'P

4.3计算平距与高差差分调整

采用单极标方法进行单极标时，由于大气压力等原因，会造成测定结果的偏差很大。要纠正这种偏差，就必须采用微分调节算法。采用差分修正算法，对实测点与参考点间的差异值进行修正，从而得到更加准确的高程值。

利用以上的公式，结合具体参考点的条件，即可求出高程修正系数。结果表明，当施工周期很短时，高差调节参数对变形点的作用与参考点一样。观测站点和形变点间的高程差异调节参数可用以下公式来求出： h P= S p sin a P+ x 2 p cos 2 a p+ i p- Lp式中： i p是已知点全站仪的实测高程；其中， l p是可变点灵镜高；a p是对形变量的垂直方向。在求出了变形体点到观测点的斜距和高差等参数之后，再用一个方程求出从观测点到形变量的平面距离参数：

4.4计算变形点位置

将各类差校正资料经分类、处理后，按极座法求出各周期形变量的精度，从而实现了各周期形变量的高精度定位。由以下几个方程求出：形变点到观测点的方向： HΦ是形变量的坐标；其中， D p cos是微分校正参量；其中， X 0Y0H0是从观测站到形变点的真实间距；其中， X P为横、纵坐标， Yp为形变量。

4.5平差处理方法

在解算过程中，以高程差差、测距等方法得到的实测资料为输入，并对其进行了三维空间的解算与绘图。所用的资料主要有差分改正资料、实际距离和方位角等资料。在此基础上，对其进行了相应的数学分析与计算，获得了相应的空间位置。用该方法制作出高精度的立体座标，可使人们更加精确地掌握各形变点的分布及分布状况。

结语

随着科技水平的提高，在地下工程建设中的应用日益广泛。该系统从多角度、多维度对整个工程进行全方位的监控，可以实时捕获地质变化、结构位移等各种异常现象。通过智能监控提升项目早期预警精度，为项目管理队伍的建设管理提供一种高效的手段，促进项目的科学决策，为保证项目的质量与人身安全，具有重要的理论意义与应用价值。随着科技水平的提高，我们有理由认为，智能监控在我国地铁工程中的应用将会更加广泛，从而为我国的城市发展与道路运输事业做出更大的贡献。

参考文献

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