CN102587986A - 一种隧道施工信息化动态监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道施工信息化动态监测系统及其监测方法，系统包括：相互连接的工控机、PLC无线控制器、高配置数字摄影机、变形监测感光件、数显采集设备、无线传输设备和动态设计反馈装置。方法包括：1)电脑控制总台控制指令至PLC无线控制器，控制数字摄影机和数显采集装置；2)数显采集装置采集内力监测数据；数字摄影机通过变形监测感光件采集变形监测图像；3)无线传输设备将监测值传输至电脑控制总台；4)电脑控制总台经实时分析模块分析结果；5)分析结果输送至动态设计反馈装置中，通过实测值与标准值对比差值分析，由预警模块实时报警。本发明系统科学、安全实用，方法便捷实时、快捷有效，避免了隧道施工监测中的安全问题。

Description

一种隧道施工信息化动态监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种隧道施工信息化动态设计系统和方法，更具体的涉及DIC数字图像相关技术、无线控制和传输技术，同时还涉及一种综合评判预警技术，特别适用于复杂恶劣环境下大型隧道的实时监测、信息化动态设计，适用于监测精度要求较高的工程。

背景技术

隧道的建设由于地质环境复杂、基础信息缺乏，地下工程的设计无法在开工前就做到一步到位，这就是地下工程有别于其他土木工程的重要特征。因此，目前地下工程中的隧道设计和施工广泛采用经验借鉴、理论分析、现场量测技术、信息反馈、超前预报和动态调整相结合的信息化设计-施工组织模式，而新奥法(NATM)理论较完整地描述了地下工程动态设计与施工的概貌，已广泛应用于现代隧道工程。

隧道施工监控量测是新奥法施工的眼睛，是新奥法现场量测的首要内容，不但可以为隧道的动态设计和信息化施工提供依据，能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。监控量测分为必测项目和选测项目，必测项目为日常施工管理必须进行的量测，选测项目为未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测。

隧道施工监测的必测项目一般包括地质及支护状况观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测、地表下沉，其中变形监测(包括周边收敛监测和拱顶下沉监测)项目是监测工作的重中之重。周边收敛量测是量测隧道周边位移，了解收敛状况、断面变形状态，判断稳定性；拱顶下沉量测是监视拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性。选测项目为未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测，主要包括围岩压力、混凝土初衬应力、二衬应力、锚杆轴力和钢拱架应力，通过监测数据，确定结构的受力以及支护体系各部分的受力情况。

一方面，目前监控量测数据反馈应用于施工方案时，主要应用必测项目中的变形量测对施工的合理性进行评估和信息反馈，未能综合应用必测项目和选测项目的数据进行综合评判预警隧道的施工过程。仅仅依据变形量测控制隧道的施工过程，还不能有效避免施工中重大安全事故的发生，不能有效确保隧道施工安全和质量。因此通过必测项目和选测项目的数据综合指导隧道施工是工程顺利开展的保障，将使信息化动态设计更具科学性和准确性。

另一方面，隧道施工变形的监控量测方法主要包括：传统的接触监控量测方法和全站仪非接触量测方法。传统监控量测方法，周边位移采用收敛计进行观测，拱顶下沉采用水准仪、钢尺等进行观测，虽然该方法成本低、操作简单和适用于恶劣施工环境的优点，但存在以下缺点：1、工作难度大，由于隧道高度大，拱脚部位的收敛往往无法测量，拱顶挂尺也非常困难；2、量测时间长，施工干扰大；3、不能应用于大断面隧道，接触量测几乎不可能。4、无法进行三维观测。5、隧道进入中间段后，通风、照明问题、洞内不平整及积水等环境问题制约监测工作的开展。全站仪非接触量测方法，采用全站仪设备进行隧道周边收敛和拱顶下沉的监测，该方法较传统方法简单易行，具有一定的可靠性，其量测精度能够满足量测目的的要求，量测速度快，对施工干扰小，实现了隧道测点三维位移量测，但仍然存在精度不高的缺点，全站仪非接触量测的精度比传统量测的精度要低，监测数据的准确性会受到仪器人工操作误差、设备机器自身误差、测角和测距误差、监测点和基站采用人工对中读取数据误差的影响，精度虽能一定程度上满足常规隧道的量测目的，但对于隧道施工要求较高、监测数据精度要求较高的工程该方法就无能为力。并且两种监控量测方法均受到监测频率、环境的影响，避免不了由于监测频率不足所引起的突发性事故；两种监控量测方法均需要足够的相关技术人员。

近些年，DIC数字图像相关技术的非接触量测方法已得到了一定程度的发展，已较深入的应用于岩石与混凝土实验中，主要用于岩石和混凝土材料的变形和破裂模式及其演变过程的准确测量。已探索性的应用于隧道或巷道超前地质预报、围岩松动圈的测试，以及桥梁裂缝变形监测和病害检查。但由于隧道的特殊环境和监测方法的要求、现场测点的布设与维护问题、光线变化的影响问题和大范围图像的变形校正问题，DIC数字图像相关技术方法还没有直接有效应用于隧道的施工变形监测工作。

发明内容

针对上述背景技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于DIC数字相关技术的隧道施工信息化动态监测系统及其监测方法，用于解决现有技术中监测数据精度受环境、人工操作、仪器本身精度的影响；受隧道跨度和尺度、隧道施工和隧道安全的影响；受监测频率不足和需要足够监测技术人员的影响问题，以及解决基于DIC图像相关技术的大范围图像变形校正问题，解决通过必测项目和选测项目的数据综合指导隧道施工过程的问题。采用本发明的系统能大大提高监测数据的精度，能随时动态反馈监测数据指导动态设计和施工方案，最大限度的降低了监测成本，综合评判预警方法最大限度的避免塌方、冒顶等突发性事故的发生，实现了隧道施工信息化动态设计更加动态实时、准确安全、经济快捷、科学便捷。

为了实现上述技术方案，本发明采取如下技术解决方案：

一种隧道施工信息化动态监测系统，该系统至少包括：

——工控机，包括一个含有采集控制程序模块、图像和数据实时分析模块的电脑控制总台，用于远程控制隧道施工的监测和数据结果的分析；

——PLC无线控制器，包括解码模块、无线主控装置和无线从动装置，用于解码工控机中采集控制程序模块发出的指令，控制数字摄影机的图像采集，同时控制数显采集装置的数据采集；

——数字摄影机，用于采集高分辨率现场隧道变形图像数据；

——变形监测感光件，安装于隧道实时变形监测点，将变形监测图像传输至数字摄影机中；

——数显采集装置，用于监测隧道监控量测选测项目中内力数据值的采集；

——无线传输设备，用于数字摄影机的图像数据以及数显采集装置所采集数据的存储和无线传输；

——动态设计反馈装置，包括监测值与标准值对比的设计参数分析模块和综合评判预警模块，用于将工控机传输的隧道监测值与标准值对比，并发出预警；

所述动态设计反馈装置连接工控机，工控机分别连接PLC无线控制器以及图像和数据无线传输装置；所述PLC无线控制器以及图像和数据无线传输装置分别连接数字摄影机和数显采集装置，数字摄影机连接变形监测感光件，数显采集装置与隧道选测项目内力监测设备连接。

本发明系统进一步的特征在于：

所述数字摄影机通过变形监测感光件采集隧道变形的图像数据，用于隧道监控量测必测项目中的变形监测。

所述系统的变形监测感光件与数字摄影机距离在100m以内。

所述数显采集装置包括内力监测设备和数显采集仪；所述内力监测设备包括压力盒、应力计和应变计等传感器；数显采集仪存储压力盒、应力计和应变计等传感器采集的隧道内力监测数据。

所述数显采集装置采集隧道监控量测选测项目中的内力监测数据，通过压力盒、应力计和应变计等传感器监测隧道围岩压力、锚杆轴力、混凝土初衬应力、混凝土二衬应力和钢拱架应力；压力盒设置于隧道监测断面围岩和初衬之间，应力计设置于隧道监测断面锚杆和钢拱架上，应变计设置于隧道监测断面混凝土初衬和二衬内。

本发明还给出了一种隧道施工信息化动态监测方法，该方法包括下述步骤：

1)电脑控制总台发出控制指令给PLC无线控制器，通过解码模块解码后，控制数字摄影机和数显采集装置；

2)数显采集装置采集隧道监测选测项目中的内力监测数据；数字摄影机通过变形监测感光件采集变形监测图像；

3)无线传输设备将必测项目的变形监测图像和选测项目的内力监测数据无线传输至电脑控制总台；

4)电脑控制总台将隧道变形监测图像和内力监测数据输送至图像和数据实时分析模块；对大范围图像进行变形校正和图像分析，将图像数据转化为隧道变形监测数据；同时对选测项目的内力监测数据进行拟合分析，最后将分析结果回馈给电脑控制总台；

5)电脑控制总台最终将分析回馈结果输送至动态设计反馈装置中，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块进行差值分析，由综合评判预警模块实时报警。

所述动态设计反馈装置通过下述步骤实施动态监测：

综合评判预警模块将必测项目和选测项目的监控量测数据进行判断，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块进行差值分析，若超过预警值则通过综合评判预警模块发出预警，并调整监测采集频率，重新作出施工方案；若未超过预警值则继续监测过程，并作出动态优化设计方案。

本发明基于DIC数字图像相关技术，设计了一套基于DIC数字相关技术的隧道施工信息化动态设计系统，该系统具有以下优点：

(1)采用数字化监测，通过电脑控制总台编程控制数字摄影机进行数据采集，避免了仪器误差、人工操作等误差累计，大大提高监测数据的精度；

(2)无线远程控制和采集技术，避免了隧道内监测的安全问题，使监测工作安全性更高，同时最大限度的降低了监测成本；并且可以实时采集施工变形的数据；

(3)可实时动态采集大范围图像，并进行数据处理和分析；

(4)通过必测项目和选测项目的数据综合评判、预警隧道施工过程中的危险，最大限度的避免塌方、冒顶等突发性事故的发生；

(5)通过必测项目和选测项目的图像和监测数据与标准值分析对比，作出动态优化施工方案，用于指导动态设计和隧道实时施工。

本发明系统科学、便捷实时，方法安全实用、快捷有效，避免了隧道施工监测中的安全以及监测工作受恶劣环境影响的问题，避免了由于监测频率不足所引起的突发性事故，采用本发明能大大提高监测数据的精度，远程动态全面监测隧道必测项目中的变形监测以及选测项目中的内力监测，最大限度的降低了监测成本，避免塌方、冒顶等突发性事故的发生。同时减少了监测数据精度受环境、人工操作、仪器本身精度的影响，监测方法受隧道跨度和尺度、隧道施工和隧道安全的影响；解决了监测方法受监测频率不足和需要足够监测技术人员的问题，以及基于DIC图像相关技术的大范围图像分析问题；本发明所涉及的DIC数字图像相关技术特别适用于复杂恶劣环境下大型隧道的实时监测，以及大断面、大型隧道等监测精度要求较高的工程，弥补了现有技术中全站仪非接触量测精度不足以及接触量测不能应用于大断面、大型隧道的缺点；所涉及的一种综合评判预警方法通过必测项目和选测项目的数据进行综合指导隧道施工过程。因此，采用本发明的系统能随时动态反馈监测数据指导动态设计和施工方案。

附图说明

图1是本发明系统示意图。

图2是本发明应用于隧道施工示意图。

图3是本发明综合评判预警流程图。

图中：1、电脑控制总台；2、采集控制程序模块；3、PLC无线控制器；4、数字摄影机；5、变形监测感光件；6、数显采集装置；7、无线传输设备；8、图像和数据实时分析模块；9、综合评判预警模块；10、设计参数分析模块。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，该隧道施工信息化动态监测系统包括：

工控机，包括一个含有采集控制程序模块2、图像和数据实时分析模块8的电脑控制总台1，用于远程控制隧道施工的监测和数据结果的分析；

PLC无线控制器3，包括解码模块、无线主控装置组件和无线从动装置，用于解码工控机中采集控制程序模块2发出的指令，控制数字摄影机4的图像采集，同时控制数显采集装置6的数据采集；

数字摄影机4，用于采集高分辨率现场隧道变形图像数据；

变形监测感光件5，安装于隧道实时变形监测点，将变形监测图像传输至数字摄影机4中；

数显采集装置6，用于监测隧道监控量测选测项目中内力数据的采集；

无线传输设备7，用于数字摄影机4的图像数据以及数显采集装置6所采集数据的存储和无线传输；

动态设计反馈装置，包括监测值与标准值对比的设计参数分析模块10和综合评判预警模块9，用于将工控机传输的隧道监测值与标准值对比，并发出预警；

其中，系统动态设计反馈装置连接工控机，工控机分别连接PLC无线控制器3以及图像和数据无线传输装置7；PLC无线控制器3以及图像和数据无线传输装置7分别连接数字摄影机4和数显采集装置6，数字摄影机4连接变形监测感光件5，数显采集装置6与隧道选测项目内力监测设备连接。

在系统中，采集控制程序模块2通过电脑控制总台1人工输入指令，设定数字摄影机4的镜头焦距、变倍等采集参数，使监测图像达到最佳清晰度，同时设定数显采集装置6的采集参数。

数字摄影机4通过变形监测感光件5采集隧道变形的图像数据，用于隧道监控量测必测项目中的变形监测。

并且，设计系统的变形监测感光件5与数字摄影机4距离在100m以内，这样布置能够保证摄影图像数据采集的精度。

数显采集装置6采集隧道监控量测选测项目中的内力监测数据，通过压力盒、应力计和应变计等传感器监测隧道围岩压力、锚杆轴力、混凝土初衬应力、混凝土二衬应力和钢拱架应力。数显采集装置6包括内力监测设备和数显采集仪；内力测量设备包括压力盒、应力计和应变计等传感器；数显采集仪存储压力盒、应力计和应变计等传感器采集的隧道内力监测数据；压力盒设置于隧道监测断面围岩和初衬之间，应力计设置于隧道监测断面锚杆和钢拱架上，应变计设置于隧道监测断面混凝土初衬和二衬内。

如图2所示，为本发明应用于隧道施工示意图。通过该隧道施工示意图可进一步说明本发明系统的工作原理：

首先，系统的PLC无线控制器3与工控机中电脑控制总台1连接，PLC无线控制器3分别与数字摄影机4、数显采集装置6无线连接，由MATLAB编制的采集控制程序模块2通过电脑控制总台1发出控制指令，PLC无线控制器3接收工控机中电脑控制总台1所发出的指令，并解码识别控制指令，之后通过PLC无线控制器3中的无线主控装置和无线从动装置组件控制数字摄影机4和数显采集装置6，包括变焦、变倍、摄影、存储等功能以及数显采集装置6的采集功能。其中无线主控装置组件设置在PLC无线控制器3中，无线从动装置连接在数字摄影机4和数显采集装置上6。

当数字摄影机4识别出电脑控制总台1发出控制指令后，开始隧道必测项目中施工变形点的监测。数字摄影机4通过变形监测感光件5采集隧道变形的图像数据，进行隧道监控量测必测项目中的变形监测。数字摄影机4固定安装于隧道断面上，同时将变形监测感光件5安装于隧道需要实时变形监测的位置，通过数字摄影机4实时拍摄获取隧道施工变形的高清图像数据用于隧道监控量测必测项目中的变形监测。

当数显采集装置6识别出电脑控制总台1发出控制指令后，开始隧道选测项目的监测。内力监测设备提前埋设于隧道监测断面内，埋设位置根据监测规范要求设定，压力盒埋设于隧道围岩和初衬之间、应力计设置于锚杆和钢拱架上，应变计设置于混凝土初衬和二衬内。数显采集装置6采集隧道监控量测选测项目中的内力监测数据，通过隧道围岩压力传感器、锚杆轴力传感器、混凝土初衬应力传感器、混凝土二衬应力传感器和钢拱架应力传感器监测。

无线传输设备7将高清图像和数显采集装置6所采集的数据共同传输到远端的电脑控制总台1。

然后进行监测图像和数据分析。图像和数据实时分析模块8通过电脑控制总台1动态读取监测图像和数据，对大范围图像进行变形校正和图像分析，处理高清图像数据，将数据结果转化为测点变形的历时变化曲线；同时对选测项目的内力监测数据进行拟合分析，便于工程分析和应用。

动态设计反馈装置的功能是，通过电脑控制总台1动态读取变形监测数据和内力监测数据。综合评判预警模块9基于监测相关的规范、规程以及理论分析，综合应用内力和变形监测数据评判预警隧道的施工过程；设计参数分析模块10通过对监测数据进行参数分析，反馈给设计方，进一步调整和优化隧道结构、支护体系的设计参数。将监测结果进行评判、分析并指导动态设计和施工方案。

系统的综合评判预警模块9基于监测结果和规范、规程等监测标准，结合理论分析，提出合理的内力和变形综合控制方案，进行隧道施工的评判和预警。

本发明隧道施工信息化动态监测方法，具体包括下述步骤：

1)电脑控制总台1发出控制指令给PLC无线控制器3，通过解码模块解码后，控制数字摄影机4和数显采集装置6；

2)数显采集装置6采集隧道监测选测项目中的内力监测数据；数字摄影机4通过变形监测感光件5采集变形监测图像；

3)无线传输设备7将必测项目的变形监测图像和选测项目的内力监测数据无线传输至电脑控制总台1；

4)电脑控制总台1将隧道变形监测图像和内力监测数据输送至图像和数据实时分析模块8，对大范围图像进行变形校正和图像分析，将图像数据转化为隧道变形监测数据；同时对选测项目的内力监测数据进行拟合分析，最后将分析结果回馈给电脑控制总台1；

5)电脑控制总台1最终将分析回馈结果输送至动态设计反馈装置中，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块10进行差值分析，由综合评判预警模块9实时报警。

如图3所示，为本发明动态设计反馈装置工作流程图。

动态设计反馈装置通过下述步骤实施动态监测：包括通过工控机控制的电脑控制总台1进行远程采集控制，综合评判预警模块9将必测项目和选测项目的监控量测数据进行判断，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块10进行差值分析，若超过预警值则通过综合评判预警模块9发出预警，并调整监测采集频率，重新作出施工方案；若未超过预警值则继续监测过程，并作出动态优化设计方案。

该发明采用数字化监测，能大大提高监测数据的精度；自动化程度高，能随时动态监测隧道施工时的围岩变形情况；无线远程控制，使监测工作安全性更高，同时最大限度的降低了监测成本；通过必测项目和选测项目综合评判预警隧道施工过程，最大限度的避免塌方、冒顶等突发性事故的发生。通过必测项目和选测项目的数据指导动态设计和施工方案。因此，该发明系统使得隧道施工变形监测更加动态实时、准确安全、经济快捷、科学便捷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道施工信息化动态监测系统，其特征在于，该系统至少包括：

——工控机，包括一个含有采集控制程序模块(2)、图像和数据实时分析模块(8)的电脑控制总台(1)，用于远程控制隧道施工的监测和数据结果的分析；

——PLC无线控制器(3)，包括解码模块、无线主控装置和无线从动装置，用于解码工控机中采集控制程序模块(2)发出的指令，控制数字摄影机(4)的图像采集，同时控制数显采集装置(6)的数据采集；

——数字摄影机(4)，用于采集高分辨率现场隧道变形图像数据；

——变形监测感光件(5)，安装于隧道实时变形监测点，将变形监测图像传输至数字摄影机(4)中；

——数显采集装置(6)，用于监测隧道监控量测选测项目中内力数据值的采集；

——无线传输设备(7)，用于数字摄影机(4)的图像数据以及数显采集装置(6)所采集数据的存储和无线传输；

——动态设计反馈装置，包括监测值与标准值对比的设计参数分析模块(10)和综合评判预警模块(9)，用于将工控机传输的隧道监测值与标准值对比，并发出预警；

所述动态设计反馈装置连接工控机，工控机分别连接PLC无线控制器(3)以及图像和数据无线传输装置(7)；所述PLC无线控制器(3)以及图像和数据无线传输装置(7)分别连接数字摄影机(4)和数显采集装置(6)，数字摄影机(4)连接变形监测感光件(5)，数显采集装置(6)与隧道选测项目内力监测设备连接。

2.根据权利要求1所述的一种隧道施工信息化动态监测系统，其特征在于，所述数字摄影机(4)通过变形监测感光件(5)采集隧道变形的图像数据，用于隧道监控量测必测项目中的变形监测。

3.根据权利要求2所述的一种隧道施工信息化动态监测系统，其特征在于，所述系统的变形监测感光件(5)与数字摄影机(4)距离在100m以内。

4.根据权利要求1所述的一种隧道施工信息化动态监测系统，其特征在于，所述数显采集装置(6)包括内力监测设备和数显采集仪；所述内力监测设备包括压力盒、应力计和应变计传感器；数显采集仪存储压力盒、应力计和应变计传感器采集的隧道内力监测数据。

5.根据权利要求4所述的一种隧道施工信息化动态监测系统，其特征在于，所述数显采集装置(6)采集隧道监控量测选测项目中的内力监测数据，通过压力盒、应力计和应变计传感器监测隧道围岩压力、锚杆轴力、混凝土初衬应力、混凝土二衬应力和钢拱架应力；压力盒设置于隧道监测断面围岩和初衬之间，应力计设置于隧道监测断面锚杆和钢拱架上，应变计设置于隧道监测断面混凝土初衬和二衬内。

6.一种隧道施工信息化动态监测方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

1)电脑控制总台(1)发出控制指令给PLC无线控制器(3)，通过解码模块解码后，控制数字摄影机(4)和数显采集装置(6)；

2)数显采集装置(6)采集隧道监测选测项目中的内力监测数据；数字摄影机(4)通过变形监测感光件(5)采集变形监测图像；

3)无线传输设备(7)将必测项目的变形监测图像和选测项目的内力监测数据无线传输至电脑控制总台(1)；

4)电脑控制总台(1)将隧道变形监测图像和内力监测数据输送至图像和数据实时分析模块(8)，对大范围图像进行变形校正和图像分析，将图像数据转化为隧道变形监测数据；同时对选测项目的内力监测数据进行拟合分析，最后将分析结果回馈给电脑控制总台(1)；

5)电脑控制总台(1)最终将分析回馈结果输送至动态设计反馈装置中，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块(10)进行差值分析，由综合评判预警模块(9)实时报警。

7.根据权利要求6所述的一种隧道施工信息化动态监测方法，其特征在于，所述动态设计反馈装置通过下述步骤实施动态监测：

综合评判预警模块(9)将必测项目和选测项目的监控量测数据进行判断，通过实测值与标准值对比，经设计参数分析模块(10)进行差值分析，若超过预警值则通过综合评判预警模块(9)发出预警，并调整监测采集频率，重新作出施工方案；若未超过预警值则继续监测过程，并作出动态优化设计方案。

Images