隧道施工结构安全监测系统*

赵 靓

(山西云时代技术有限公司，山西 太原 030600)

0 引言

随着城市化进程的加快，城市人口规模急剧扩大，随之而来的城市交通拥堵问题也日益加重，为了解决出行困难，缓解交通压力，在建设高速公路的同时，隧道建设也加入其中。在此背景下，隧道建设过程中的安全问题受到了越来越多的关注。建设期安全监控管理失效所造成的事故后果非常严重[1]。隧道安全监测运用传统的人工现场管控方式存在着一定的局限性，人为影响因素较大且实时性较差，一旦出现事故代价便是惨痛的。应用物联网技术能够有效解决由于监控人员疲惫或工作疏忽导致的监控不及时等问题。借助现代信息技术的高速发展，物联网技术研究的不断深入，世界各国对地下施工安全监测预警的认识和处置不断加强[2,3]。

结合我省当前轨道交通及高速公路建设情况，围绕安全山西、平安山西建设，在安全生产、信息安全等方向开展关键技术研发，用科技力量坚守施工建设安全，在交通安全监测预警关键技术方面展开研发，开展将物联网技术运用于隧道施工结构安全监测的研究，建立一套涵盖建设期的动态无线自动化位移及应力监测系统，实现对隧道相关数据信息的实时监测预警，确保施工过程中工程结构及周边环境的安全。

1 系统结构设计

本设计将物联网技术运用于隧道施工结构安全监测系统中，运用高性能、小型化和智能化传感器，可以有效检测位移、裂缝等不易被人工肉眼察觉的变形等问题。在施工早期，对位移或裂缝发生的初期进行实时感知，能够尽早地对问题采取应对策略，防止未及时发现问题而产生更严重的后果。通过利用不同类型的传感器设备，可实现全过程、自动化、实时感知。将接收到的物理量转换为适合网络传输的电信号，为信息传输做准备。建立一套涵盖建设期的无线自动化监测系统，实现对隧道内多种信息的自动化采集监测，提升监测过程的自动化水平。采集的数据进入由Java与oracle编码完成的后端平台展示输出。图1所示为系统构成示意图。

图1 系统构成示意图

2 技术关键

系统运用物联网技术，通过布置在现场的自动化设备，采集相关数据信息，采集的数据通过无线方式传回后端控制平台。后端平台通过对数据信息进行判断风险，实现风险预警。系统可接入上百个监测点，为系统二次开发提前预留接口。本设计可检测目标主要包括：围护结构水平位移监测、沉降监测、支撑轴力在线监测、地下水位在线监测等。

围护结构水平位移监测：位移变形主要与自然条件和建筑物结构有关。施工期间必须及时、准确地对围护结构进行沉降、变形观测，确保其安全施工。在施工现场，每间隔一段距离布设一个监测点。监测设备为全自动全站仪及配套棱镜组[4]。图2为全自动全站仪。

图2 全自动全站仪

沉降监测：沉降监测采用电子水准仪监测。另外沉降监测还包括对周边管线的沉降监测，确保隧道施工过程中地下管线的变形在安全运行允许的范围之内[5]。

支撑轴力在线监测：随着隧道施工情况的变化，通过支撑轴力监测，可及时了解支撑受力情况，判断支撑体系稳定安全情况，及时指导施工程序[6]。

地下水位在线监测：由传感器主体、气压补偿计、通讯数据线、固定套环等部件组成。适用于测量地下水位的变化，可通过直接挂接系统进行数据自动采集。气压补偿计可补偿由大气压的变化所引起的误差。图3所示为渗压计。

图3 渗压计

3 软件设计

安全监测软件系统采用B/S体系结构，设置服务器服务端及工作站客户端。各自动监测设备通过现场感知、无线传输将采集的数据存储在Oracle数据库，服务端根据客户端请求提供对数据查询、修改等管理功能的响应。客户端向用户展示监测数据，提供操作入口。另外，软件系统可根据原始监测数据提供预警功能，保证施工过程各关键数据的监测及分级预警提醒。图4是人员管理界面图。图5是工程资料管理界面图。

图4 人员管理界面图

图5 工程资料管理界面图

4 总结

本研究将物联网技术应用于隧道施工结构安全监测系统中，通过自动化设备采集目标区域的目标信息，替代传统的人工检测为主的方法，大大提高了监测过程中的自动化水平，最大限度地减少了人为因素的影响，提高了监测方法的信息化程度，保护了隧道内施工人员与公共财产安全，具有重要的经济社会效益。