隧道无线自动监控量测系统

监控量测是隧道施工中非常重要的一项工作,通过监控量测可掌握围岩动态和支护结构的工作状态,对量测数据经过分析处理后,可用来预测围岩变形趋势,来验证和修改设计支护参数,从而采取相应的施工措施,科学的组织和指导施工,保证隧道施工安全。

监控量测是隧道施工中非常重要的一项工作,通过监控量测可掌握围岩动态和支护结构的工作状态,对量测数据经过分析处理后,可用来预测围岩变形趋势,来验证和修改设计支护参数,从而采取相应的施工措施,科学的组织和指导施工,保证隧道施工安全。
目前监控量测工作主要是由人工操作测量仪器完成,存在监测频率低、预警不及时的问题。云南航天工程物探检测股份有限公司在多年监控量测实践的基础上,通过不断研发创新,开发了隧道无线自动监控量测系统。该系统通过自动监控量测设备和监控量测预警云平台可实现对在建隧道拱顶下沉、周边收敛的实时监测、智能分析,可以达到及时预警、减少安全事故的目的,同时可作为调整支护参数、确定二衬施作时机的重要依据。

本系统主要由硬件和软件两大部分组成。第一部分是由AGI-LC无线自动监控量测仪、WR无线中继、WG网关及LAT现场报警设备等硬件构成如图1所示。第二部分是由隧道检测云平台及隧道检测云APP等软件构成如图2和图3所示。

1、AGI-LC无线自动监控量测仪:每个监测断面使用一台或一对,安装在隧道边墙。使用防爆无线双头可调角度激光测距硬件,采用相位法激光测距技术,连续监测拱顶沉降和周边收敛,量程30m,实时精度1毫米,滤波精度0.1mm。通过无线通信方式上传数据。




2、WR无线中继:安装在长隧道中段,实现无线信号的接力传输。随着隧道掘进,AGI-LC无线自动监控量测仪距离洞口越来越远,因此当距离超出无线通信距离后,需通过WR无线中继设备来延长通信距离。每500m安装一台中继。



3、WG网关:安装在洞口,接收洞内传出的无线信号,并通过2G/3G/4G网络转发到隧道检测云平台。



4、LAT现场报警设备:放置于掌子面附近或者洞口,无线接收监控量测数据,LED屏实时显示信息,方便现场人员查看实时变形数据;根据预警规则判断,预警条件触发时,通过高音喇叭进行语音广播,通知现场人员撤离,并通过LED显示屏指示撤离方向。



5、隧道检测云平台:对4G网关传回的隧道自动监控量测检测数据,进行大数据算法分析,生成可视化图表信息及检测报告,对分析得出的异常数据进行及时的提醒和标示,并实时同步到移动APP和小程序,便于业主单位和管理人员进行及时检查处理和预警,预防灾害发生,保障现场施工安全。现场检测人员也可以通过手机或电脑进行人工录入检测信息到平台上,提升现场施工安全防护效率。



6、隧道检测云APP及小程序:实时同步隧道检测云平台信息,随时随地查看隧道检测数据,了解施功进度和施工安全状况,对异常检测数据及时提醒,有效提升施工安全防护保障。





隧道监控量测系统实施方案

1、隧道监控量测系统硬件布置
隧道监控量测系统硬件布置大致如图4所示,在初支监测断面安装AGI-LC无线自动监控量测仪采集拱顶下沉及周边收敛数据,通过LoRa协议将数据无线传输给洞口GW远传网关,再通过网关将采集的数据远传至Internet云平台。当隧道掘进的深度超过一定距离时,为了使采集的数据能正常发送给网关,会根据掘进深度在隧道掘进中间部位安装WR无线中继,每500M布置一个,数量视掘进距离而定。本系统考虑到作业人员安全在监测断面及洞口各配置了一个LAT现场报警器,两个警报器分别通过AGI-LC无线自动监控量测仪和GW远传网关各获得一份数据,实时显示拱顶下沉及周边收敛数据,当触发预警条件时,通过高音喇叭及时语音广播,通知现场人员撤离,并通过LED显示屏指示撤离方向。




无线自动监控量测仪布置在初支边墙上,一般距墙脚1.5M处。目前布置有两种方案。第一种方案如图5所示,在初支左边墙且单边布置,第二种方案如图6所示,在初支边墙且双边布置。由于AGI-LC无线自动监控量测仪是利用激光测距模块采集距离数据在通过角度传感器获取激光束角度,从而计算得出拱顶下沉及周边收敛量,所以每一个监测断面只需一台AGI-LC无线自动监控量测仪就能满足监测需求,这也是第一种布置方案的理论依据来源。在第一种布置方案的基础上,为求更加精确测量数据,通过两侧各布置一台AGI-LC无线自动监控量测仪形成对测,从而得到第二种布置方案。WR无线中继布置于二衬上距墙脚1.5M左右。GW远传网关布置于洞口周围,因是太阳能供电需调节好太阳能板角度。

    
           

2、隧道监控量测系统软件部分



当接收到隧道断面的监测数据后,监测预警云平台实时在线分析,内置核心预警算法、防误报算法,可生成日报、周报、预警报告。该平台同时可接入传统的人工监控量测数据。遇到警报信息,第一时间推送至手机APP。业主等各方可通过手机APP随时了解隧道情况。

3、隧道监控量测系统硬件安装实例
如某隧道长三公里,已开挖1.8公里作为安装实例,按以下步骤进行:
(1)在开挖初支上,按围岩级别布置3-5个监测断面,每个断面安装一对AGI-LC无线自动监控量测仪,距离墙脚1.5M处。按要求量测仪水平红外线束射到对侧,调节角度旋钮使斜向红外线束两点相交位于拱顶。
(2)安装一台LAT现场报警器于二衬台车上,报警器显示屏会循环显示每一台AGI-LC无线自动监控量测仪数据。当出现紧急情况时会及时预警通知现场作业人员撤离。
(3)随着隧道掘进,AGI-LC无线自动监控量测仪距离洞口越来越远,因此当距离超出无线通信距离后,需通过WR无线中继设备来延长通信距离。在距离洞口每500M(0.5KM、1KM、1.5KM)处,各安装一台中继距离墙脚1.5M高度处。
(4)在洞口附近安装GW远传网关,由于是太阳能供电,所以需要调节好太阳能板角度。
(5)安装一台LAT现场报警器于洞口值班室,显示断面监测数据,以便洞外施工人员了解洞内情况。

技术优势及特点
1、技术优势
1).实现实时自动获取监控量测数据,监测频率高,减少监测人员工作量。
2).监测预警云平台实时在线分析,内置核心预警算法、防误报算法,可生成日报、周报、预警报告,能做到预警及时,出现紧急情况及时通知掌子面施工人员撤离。
3).在研发过程中产生具有独立自主的知识产权,发明专利一项、实用新型一项、软件著作权一项。
发明专利:基于隧道监测预警系统的拱顶下沉、周边收敛计算方法(正在受理中)
实用新型:隧道施工安全在线监测预警系统(已受理)
软件著作权:隧道监控量测分析系统V1.0
2、技术特点
1).数据自动采集,无线传输。
2).智能分析,及时预警。
3).自动生成报告,为施工合理开挖支护变更预警等各环节服务。