基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)

李云聰，李云峰

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原 030031）

0 引言

受到技術(shù)因素、地質(zhì)條件等因素的共同影響，我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)多應(yīng)用在智能化交通方面，在工程監(jiān)測方面的應(yīng)用較少?；谖锫?lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)是一種以人員定位和智能管理為主的全新監(jiān)測系統(tǒng)，將其應(yīng)用到隧道工程監(jiān)測中，可充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，及時掌控隧道工程變化數(shù)據(jù)，為隧道工程設(shè)計和施工方提供真實有效的數(shù)據(jù)，以保證施工進(jìn)度和安全要求。因此，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)的探討顯得尤為必要。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，基礎(chǔ)是RFID 系統(tǒng)，是計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式和微電子技術(shù)發(fā)展到一定程度的主要產(chǎn)物。從狹義角度來看，物聯(lián)網(wǎng)指的是用于連接物和物之間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。從廣義角度來看，物聯(lián)網(wǎng)可看作信息空間和物理空間的有效融合，實現(xiàn)了高效、安全的信息交互。物聯(lián)網(wǎng)的實質(zhì)是一種擁有感知、計算、通信能力的微型智能傳感器，以其作為連接節(jié)點，形成的傳感網(wǎng)絡(luò)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊主要以隧道工程監(jiān)測數(shù)據(jù)為核心，面向隧道監(jiān)測點，并對每個監(jiān)測點進(jìn)行系統(tǒng)化管理。以隧道工程監(jiān)測日常工作、性質(zhì)、輔助管理決策為中心來組織數(shù)據(jù)和實現(xiàn)其相應(yīng)的計算機數(shù)字化管理模式。此系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)共同組成，包括：監(jiān)測信息查詢系統(tǒng)、監(jiān)測預(yù)報警展示系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析決策系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)報表及圖表生產(chǎn)系統(tǒng)、用戶權(quán)限管理系統(tǒng)、文檔資料管理系統(tǒng)、監(jiān)測點及監(jiān)測數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)等。這些子系統(tǒng)，都有其獨特的功能，每個子系統(tǒng)之間既相互獨立，又相互聯(lián)系。

每個子系統(tǒng)都有其獨特的內(nèi)部功能，并且在應(yīng)用時各個業(yè)務(wù)邏輯又可分為若干個獨立運行模塊，每個模塊都有與之相對應(yīng)的功能。例如，基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)具有的功能包括：監(jiān)測點布置、監(jiān)測數(shù)據(jù)展示等。各項監(jiān)測數(shù)據(jù)又可獨立輸入或者導(dǎo)出，經(jīng)過系統(tǒng)自動檢查，確認(rèn)無誤之后，再傳輸給數(shù)據(jù)庫，便于查詢和提取使用。總之，合理設(shè)計系統(tǒng)功能模塊，可及時發(fā)現(xiàn)問題，制定預(yù)防措施，降低安全事故發(fā)生概率。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)的具體應(yīng)用

3.1 工程概述

某隧道工程屬于典型的分離式雙洞隧道，其中左隧道的起訖樁號為ZK45+790～ZK47+645，總長度為1855 m，右隧道的起訖樁號為YK45+810～YK47+655，總長度為1845 m?？傮w規(guī)模較大，為降低研究難度，以ZK47+487 為研究背景，作為基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測斷面，通過地質(zhì)勘探表明，此監(jiān)測斷面圍巖等級為Ⅴ級，主要有玄武巖和灰?guī)r，其中玄武巖風(fēng)化比較嚴(yán)重，為保證隧道工程施工質(zhì)量，圍巖噴層厚度為25 cm，二襯厚度為50 cm。適用于該系統(tǒng)監(jiān)測的項目比較多，包括：錨桿軸力和圍巖內(nèi)部位移、圍巖和初支護(hù)之間的接觸壓力、鋼支撐的內(nèi)力、二襯混凝土內(nèi)力等[1]。

3.2 確定監(jiān)測方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用過程比較復(fù)雜，但應(yīng)用機理基本相同。為更加清楚直觀展示系統(tǒng)應(yīng)用方法，本文主要分析基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)在圍巖和初支護(hù)之間的接觸壓力監(jiān)測中的應(yīng)用。具體監(jiān)測方案：在開始監(jiān)測之前，需要在圍巖和支護(hù)之間，合理埋設(shè)各種傳感器，并在指定位置布置MCU32 采集器，具體監(jiān)測頻率見表1。

為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，需要在每個斷面上至少布置5 個監(jiān)測點，并以壓力盒上的數(shù)字進(jìn)行編號。傳感器布置效果對斷面監(jiān)測效果的影響非常大。為提升監(jiān)測精度，保證監(jiān)測到數(shù)據(jù)能夠真實反映實際情況，傳感器需要布置在圍巖和初襯相交的界面上，便于圍巖壓力的精確量測。在埋設(shè)之前，需要詳細(xì)記錄每個壓力及傳感器上的初始頻率，合理標(biāo)記相應(yīng)接頭。確認(rèn)達(dá)到要求之后，把壓力盒接入MCU32 采集器中，同時把頻率換算成相應(yīng)的接觸應(yīng)力。

表1 智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測頻率

3.3 監(jiān)測結(jié)果

通過應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)，可動態(tài)監(jiān)測圍巖壓力變化情況，為隧道施工提供真實有效的數(shù)據(jù)參考和理論指導(dǎo)。當(dāng)掌子面開挖結(jié)束之后，立即安裝壓力監(jiān)測盒，并接觸壓力進(jìn)行全方位動態(tài)化監(jiān)測，獲取真實有效的圍巖壓力沿著時間變化的數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，監(jiān)測頻率嚴(yán)格按照表1中規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)本隧洞工程混凝土初期噴射結(jié)束之后，在混凝土尚未凝固之前，混凝土層的接觸壓力，隨著圍巖變形而變形[2]。因此，隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的接觸壓力為零，隨著混凝土固化，形成了具有一定強度的支持層，可阻止圍巖進(jìn)一步變形。此階段，圍巖仍然處于應(yīng)力釋放階段，可在混凝噴射層和圍巖之間形成應(yīng)力，隨著時間推移，5 個監(jiān)測點位置的應(yīng)力進(jìn)一步提升，最終進(jìn)入圍巖變形穩(wěn)定階段。

從隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)給出數(shù)據(jù)中可以看出，在量測斷面中，不同位置圍巖穩(wěn)定性不同。其中08161 右拱腰位置，圍巖和混凝土噴層之間的接觸壓力最小，最大值為8.2 kPa，不足10 kPa。可以看出，整個斷面此位置最為穩(wěn)定。

08164 左拱腰位置和混凝土噴射層之間的接觸壓力，在開挖8 d 之前，接觸壓力快速上升，到第8 天時達(dá)到最大值，達(dá)到152.4 kPa。然后開始逐步回落，到50 d 后接觸壓力值基本趨于穩(wěn)定，接觸壓力在85 kPa 左右。

08181 左邊墻在隧道開挖時，接觸壓力上升速度比較快，開挖到第6 天后，接觸壓力上升速度減慢，但也在增加，到18 d 后接觸壓力達(dá)到最大值，在56 kPa 左右。此后接觸壓力開始逐步下降，到120 d 后基本趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后接觸壓力保持在38 kPa 左右。

08117 右邊強接觸壓力和時間變化情況和左邊墻類似，開挖8 d 內(nèi)，接觸壓力隨著時間變化的幅度比較大，8 d 之后增長幅度有所降低，到60 d 后變化幅度趨于穩(wěn)定，維持在88 kPa 左右。

08179 拱頂圍巖和混凝土噴射層之間，接觸壓力隨時間變化幅度最大。因此，拱頂所承受的壓力應(yīng)力也就最大，隧道開挖一直到18 d 之前，接觸壓力一直在增加，到18 d 后達(dá)到最大值，最大峰值應(yīng)力548 kPa 左右。此后開始逐步降低，但接觸壓力數(shù)值仍然很大，趨于穩(wěn)定所花費的時間比較長，直到100 d 之后，才基本趨于穩(wěn)定，最終維持在180 kPa 左右。

分析接觸壓力和時間統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，隧道開挖之后，圍巖和混凝土噴射層之間接觸壓力大致分為3 個階段，一是剛開始開挖后到8～16 d，應(yīng)力釋放速度比較快，導(dǎo)致圍巖和混凝土噴射層之間的接觸壓力快速上升；二是開挖之后8～16 d 到30 d 左右，混凝土強度逐步提升，雖然一定程度上減小了應(yīng)力，但圍巖和混凝土噴射層之間的接觸壓力仍然處于上升階段，只是上升速度明顯降低。甚至部分測點圍巖和混凝土噴射層之間的接觸壓力已經(jīng)沒有大幅度變化，正處于平穩(wěn)階段或者慢速增長階段；三是開挖持續(xù)30 d 之后，隧道工程圍巖和混凝土噴射層基本趨于穩(wěn)定，并沒有大幅度變化，此時圍巖已經(jīng)基本處于除拱頂圍巖之外，其余部位的圍巖已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 對施工的指導(dǎo)作用

通過分析物聯(lián)網(wǎng)隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，可知本工程拱頂處接觸壓力明顯大于其余位置的接觸壓力。拱頂位置屬于拉應(yīng)力區(qū)，相比其他部位而言，更容易發(fā)生松弛、掉塊等質(zhì)量通病。并且在拱頂施工時，受到混凝土噴射施工工藝及施工工期的影響，容易發(fā)生混凝土噴射厚度不足問題，造成混凝土噴射之后存在較大空洞，影響施工進(jìn)度和施工人員安全。因此在具體施工時，需要高度重視拱頂混凝土噴射情況，保證噴射厚度和密實度，在拱頂圍巖較差位置，還要開展注漿處理，避免發(fā)生局部破壞。

4 結(jié)論

結(jié)合工程實例，探討基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)的具體應(yīng)用。分析結(jié)果表明，科學(xué)合理地應(yīng)用智能監(jiān)測系統(tǒng)，可為隧道工程施工提供必要的技術(shù)支持，提升施工效率，保證隧道工程施工任務(wù)能夠高效、安全、有序完成。為隧洞工程智能化、信息化施工提供技術(shù)支持。此外，隧道工程施工時內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜多變，很多技術(shù)和機械設(shè)備受到制約，無法發(fā)揮出應(yīng)有的作用和優(yōu)勢。采用基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道智能監(jiān)測系統(tǒng)。即使在較差環(huán)境中，仍然可以保持良好的運行狀態(tài)，促使各道工序順利開展。