CN106401652A - 一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，适用于水利水电、交通等隧道工程远程在线遥测组网，本发明采用在隧道开挖过程中，根据监测需要，在沿隧道开挖方向，经初喷混泥土后的目标监测断面后方隧道围岩中依次埋设一组传感器，并将安装完成后的每组传感器经信号线分别接入对应区域通道处理器，最后通过总线电缆串联各区域通道处理器，组成线性网络接入监控中心，实现数据远程实时采集、传输和接收。本发明组网方法，充分考虑了隧道的线性结构特征，可与隧道逐层开挖工序形成有效结合，减轻监测工作对施工作业的干扰，同时有利于提高监测系统对监测数据的传输、采集能力和降低仪器受损率，且系统更易于扩展。

Description

一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法

技术领域

本发明涉及隧道工程监测领域，更具体涉及一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，适用于水利水电、交通等隧道工程远程在线遥测组网。

背景技术

当前，随着光学、电学、传感器技术、分布式信息处理技术和无线网络技术的迅猛发展，一类结合全球第五代总线控制系统和GPRS技术的新型隧道远程在线遥测系统，由于具有高采集频率、自动分析、远程实时传输等优点，已成功取代常规监测，被逐步应用于大型公路隧道、水利水电地下产房等重点工程，并取得了较以往更为丰富、客观、全面的各项围岩指标变化资料，获得如位移、变形、锚杆应力等全过程曲线，为后期分析岩体时空演变效应、围岩力学参数反演和稳定性数值计算提供了直观依据，并在此基础上，对工程施工开挖支护方案进行反馈优化，以最大程度的发挥围岩自稳作用，减少工程支护成本和有效节约人力成本，从而正式成为工程监控量测的主流。

可以明显得知的是，隧道远程监测系统的组网方式，是监控量测工作的“规划师”，其组织行为本身高效、科学与否，对整个隧道监测结果好坏有着最为直接的关系，同时对后期围岩稳定性评估和预警具有重要影响，但至今，关于此方面的报道却鲜有提及(《计算机工程》，2004年第6期，题名“基于现场总线的隧道监控系统的设计”，作者贺敬凯等。《武汉大学学报(工学版)》，2007年第4期，题名“超长隧道、矿井预警分布数据采集和传输系统研究”，作者梁湘宜等。中国专利公开号：CN201410074059.5，专利名称为“基于光纤传感网的智能隧道监测和报警系统”，中国专利公开号：CN201120171297.X，实用新型名称“一种基于CAN总线的隧道监测预警系统”，中国专利公开号：201210063334.4，专利名称为“一种隧道施工信息化动态监测系统及监测方法”)合理的组网方式，不仅能第一时间充分获取监测断面的各项围岩变化信息，而且能有效规避隧道作业环境复杂等不利因素对监测工作的限制，同时最大程度减轻监测工作对施工作业的干扰。

监测数据在隧道内部，是通过有线方式进行传输，同时每一个监测断面通常会埋设较多的监测仪器，用于围岩多项关键指标监测，因而在洞内会裸露大量的仪器线，当隧道进行施工爆破、机械开挖、喷锚支护等作业活动时，极易造成仪器线在裸露段或传输段断掉，进而导致埋设仪器失效或监测中断，造成部分重要监测数据丢失，从而使工程的动态反馈分析与设计优化无法继续开展。因此，很有必要考虑在隧道复杂环境条件下，监测数据如何安全、连续传输的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的不足，提供一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，以优化监测数据的传输路径，提高监测系统数据采集能力，降低仪器受损率，确保监测系统采集数据的稳定性与连续性，同时减少对施工作业的干扰。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法。

所述的串联式组网方法包括以下步骤：

步骤1

在隧道开挖过程中，在沿开挖方向经初喷混泥土后的隧道围岩的左拱肩、拱顶、右拱肩分别埋设第一位移计、第二位移计、第三位移计；

在隧道拱顶埋设第一喷层压力盒，第一喷层压力盒位于初衬钢拱架与喷层围岩之间；

在隧道左边墙、右边墙分别埋设第一锚杆应力计和第二锚杆应力计；

第一位移计、第二位移计、第三位移计、第一喷层压力盒、第一锚杆应力计和第二锚杆应力计分别经信号线接入第一通道处理器，第一通道处理器经电缆总线接入监控中心；

步骤2

随着隧道开挖推进至目标监测区域，在经初喷混泥土后的目标监测断面后方隧道围岩的隧道左拱肩、拱顶、右拱肩埋设第四位移计、第五位移计、第六位移计；

在隧道拱顶埋设第二喷层压力盒，其位于初衬钢拱架与喷层围岩之间；

在隧道左边墙、右边墙分别埋设第三锚杆应力计和第四锚杆应力计；

第四位移计、第五位移计、第六位移计、第二喷层压力盒、第三锚杆应力计和第四锚杆应力计经信号线分别接入第二通道处理器，第二通道处理器通过电缆总线与第一通道处理器串联连接；

步骤3

随隧道开挖继续推进至目标监测断面，在所需监测区域后经初喷混泥土后的隧道围岩中埋设第i组传感器，按步骤2的方式布置，并将安装完成后的第i组传感器经信号线分别接入第i通道处理器，第i通道处理器通过电缆总线与第二通道处理器串联连接。

由于采用了上述技术方案，本发明的一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，主要具有以下优点：

(1)串联式接入方法，充分考虑了隧道的线性结构特征，可与隧道逐层开挖工序形成有效结合，减轻监测工作对施工作业的干扰，保证隧道断面监测系统接入的连续性，进而确保监测数据传输的稳定性和高效性，同时系统易于扩展。

(2)采用通道处理器实现隧道内仪器线路集中，便于保护，进而降低了机械开挖、施工爆破、人工作业对线路的破坏几率，同时通道处理器在具备普通数据处理器一切功能的基础上，还能增加通信强度，并对异常传感器进行隔离，从而有效保障正常仪器不受干扰，独立完成数据传输。

(3)本发明组网方法可完全兼容不同类型的传感器，而且对接入传感器的数量和位置均没有限制，同时安装简便，系统线路易于维护，同时线性串联接入，有效规避了隧道作业环境复杂等不利因素对监测工作的限制，利于获得较好的监测结果，具有较强的推广应用价值。

附图说明

附图1为本发明的组网示意图。

附图2为本发明的系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

见附图。

一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，所述串联式组网方法包括以下步骤：

1)在隧道开挖过程中，在沿开挖方向经初喷混泥土后的隧道围岩的左拱肩和右拱肩分别埋设第一位移计101、第三位移计103，两者轴心保持在同一直线上，且与拱肩表面垂直，第二位移计102垂直埋入围岩拱顶中，第一锚杆应力计105和第二锚杆应力计106分别垂直埋入隧道左边墙、右边墙，两者轴心保持在同一直线上，且与左边墙和右边墙表面垂直，后向埋设孔内注浆，使仪器与围岩耦合固定，其中仪器埋设深度均应超过围岩松动圈深度，且钻孔深度略大于埋设深度，以防止钻孔后残余岩石碎渣掉入孔道底部挤占仪器空间，第一喷层压力盒104则置于混凝土喷层与钢拱架之间，底部使用钢板托盘顶起，托盘与工字钢架采用焊接固定，仪器安装完毕后，仪器线采用扎带束团，外部则用架立角钢进行保护，依隧道右侧走线后接入第一通道处理器107，其中，第一通道处理器107为八孔规格，两端两孔用于总线接入，中间六孔用于仪器接入。

2)第一通道处理器107通过电缆总线601接入监控中心301内无线发送模块501，监控中心主机401通过usb转RS485/RS422串口线403与无线发送模块404相连，接收现场采集数据，并安装有远程监测软件管理平台402，用于对采集数据进行管理、分析和输出，最后，监控中心主机401借助电源线404与外部电源联通，实现系统运转。

3)无线发送模块501与监控中心主机401相连，天线502与无线发送模块501相连，用于增加信号强度，无线发送模块501内置有通信服务功能的SIM卡506，通过GPRS网络实现与远程服务器504的远程通信，远程服务器504和远程客户端505同样装有远程监测软件管理平台502，用于对采集数据进行管理、分析和输出，同时远程服务器503还装有动态域名解析和端口映射软件505，用于用于固定IP和建立端口映射，实现Internet下远程服务器503和远程客户端504之间的远程通信。

4)随着隧道开挖推进至目标监测区域，在经初喷混泥土后的目标监测断面后方隧道围岩的隧道左拱肩和右拱肩，分别埋设第四位移计、第六位移计，两者轴心保持在同一直线上，且与拱肩表面垂直，第五位移计202垂直埋入围岩拱顶中，第三锚杆应力计205和第四锚杆应力计206分别垂直埋入隧道左边墙、右边墙，两者轴心保持在同一直线上，后向埋设孔内注浆，使仪器与围岩耦合固定，其中仪器埋设深度均应超过围岩松动圈深度，同时保持垂直边墙壁面钻孔，且钻孔深度略大于埋设深度，以防止钻孔后残余岩石碎渣掉入孔道底部挤占仪器空间，喷层压力盒204则置于混凝土喷层与钢拱架之间，底部使用钢板托盘顶起，托盘与工字钢架采用焊接固定，仪器安装完毕后，仪器线采用扎带束团，外部则用架立角钢进行保护，依隧道右侧走线后接入通道处理器207，第二通道处理器207通过电缆总线601与第一通道处理器107串联连接，其中，第二通道处理器207为八孔规格，两端两孔用于总线接入，中间六孔用于仪器接入。

5)随隧道开挖继续推进至目标监测断面，在所需监测区域后经初喷混泥土后的隧道围岩中埋设第i组传感器，按步骤2的方式布置，并将安装完成后的第i组传感器经信号线分别接入第i通道处理器，第i通道处理器通过电缆总线601与第二通道处理器207串联连接，依次类推。

实施例

宁波地区某在修公路隧道，断面呈圆形，全断面开挖，洞身全长3850米，围岩松动圈深度约为3米。存有四处节理密集带，有一定的塌方风险，分别在桩号位置为：ZK53+765、ZK53+780两处埋设监测仪器，开展围岩稳定性在线监测，其中位移计、锚杆应力计和压力盒直径分别为3、4、20公分，监控中心位于隧洞外。

1)当隧道开挖至桩号ZK53+780时，工作人员入场埋设第一组传感器，埋设时间间选在围岩初衬时同步进行。首先在相应埋设位置打孔，打孔深度为3.2米，略大于松动圈深度，便于安装和仪器测量，其中第一位移计101、第二位移计102、第三位移计103采用4公分钻头，第一锚杆应力计105和第二锚杆应力计106采用5公分的钻头，以防止钻孔后残余岩石碎渣掉入孔道底部挤占仪器空间，同时待打孔完毕，分别将第一位移计101、第三位移计103垂直埋入隧道左拱肩、右拱肩，两者轴心尽可能保持在同一直线上，以便后期分析，第二位移计102垂直埋入围岩拱顶中，第一锚杆应力计105和第二锚杆应力计106分别垂直埋入隧道左边墙、右边墙，两者轴心尽可能保持在同一直线上，以便后期分析，后向埋设孔内注浆，使仪器与围岩耦合固定，喷层压力盒104安装时，需提前准备沙袋一个，沙袋摊平后面积稍大于压力盒表面面积，以便于压力盒均匀受力，将沙袋置于压力盒顶与混凝土喷层之间，底部使用钢板托盘顶起托盘与工字钢架焊接固定，仪器安装完毕后，仪器线采用扎带束团，外部则用架立角钢进行保护，依隧道右侧走线后接入第一通道处理器107，其中，第一通道处理器107为八孔规格，两端两孔用于总线接入，中间六孔用于仪器接入。

2)第一通道处理器107通过电缆总线601接入监控中心301内无线发送模块501，监控中心主机401通过usb转RS485/RS422串口线403与无线发送模块404相连，接收现场采集数据，并安装有远程监测软件管理平台402，用于对采集数据进行管理、分析和输出，最后，监控中心主机401借助电源线404与外部电源联通，实现系统运转。

3)无线发送模块501与监控中心主机401相连，天线502与无线发送模块501相连，用于增加信号强度，无线发送模块501内置有通信服务功能的SIM卡506，通过GPRS网络实现与远程服务器504的远程通信，远程服务器504和远程客户端505同样装有远程监测软件管理平台502，用于对采集数据进行管理、分析和输出，同时远程服务器503还装有动态域名解析和端口映射软件505，用于用于固定IP和建立端口映射，实现Internet下远程服务器503和远程客户端504之间的远程通信。

4)当隧道掌子面推至桩号ZK53+780时，工作人员入场埋设第二组传感器，埋设时间间选在围岩初衬时同步进行。首先在相应埋设位置打孔，打孔深度为3.2米，略大于松动圈深度，便于安装和仪器测量，其中位移计201、位移计202、位移计203采用4公分钻头，锚杆应力计205和锚杆应力计206采用5公分的钻头，以防止钻孔后残余岩石碎渣掉入孔道底部挤占仪器空间，同时待打孔完毕，分别将位移计201、位移计203垂直埋入隧道左边墙、右边墙，两者轴心尽可能保持在同一直线上，以便后期分析，位移计102垂直埋入围岩拱顶中，锚杆应力计205和锚杆应力计206分别垂直埋入隧道左边墙、右边墙，两者轴心尽可能保持在同一直线上，以便后期分析，后向埋设孔内注浆，使仪器与围岩耦合固定，喷层压力盒204安装时，需提前准备沙袋一个，沙袋摊平后面积稍大于压力盒表面面积，以便压力盒克服喷层表面凹凸不平的不足，达到均匀受力，沙袋置于压力盒顶与混凝土喷层之间，底部使用钢板托盘顶起托盘与工字钢架焊接固定，仪器安装完毕后，仪器线采用扎带束团，外部则用架立角钢进行保护，依隧道右侧走线后接入第二通道处理器207，第二通道处理器207通过电缆总线601与第一通道处理器107相连，其中，第二通道处理器207为八孔规格，两端两孔用于总线接入，中间六孔用于仪器接入。

5)随隧道开挖继续推进至目标监测断面，在所需监测区域后经初喷混泥土后的隧道围岩中埋设第i组传感器，按步骤2的方式布置，并将安装完成后的第i组传感器经信号线分别接入第i通道处理器，第i通道处理器通过电缆总线601与第二通道处理器207串联连接(i由监测面数目确定)。

实施上述技术方法对该逐层开挖隧道进行稳定性监测，获得了连续完整的如位移、变形、锚杆应力等监测量全过程监测曲线，进而合理分析了隧道节理密集带洞段围岩稳定性，并准确预警了危险洞段围岩塌方风险，同时对工程施工开挖支护方案进行了反馈优化，最后，实施本技术方法后现场施工开挖未出现任何人员伤亡，确保了施工安全。

Claims (1)

1.一种隧道远程在线遥测系统串联式组网方法，其特征在于，所述的串联式组网方法包括以下步骤：

步骤1

在隧道开挖过程中，在沿开挖方向经初喷混泥土后的隧道围岩的左拱肩、拱顶、右拱肩分别埋设第一位移计(101)、第二位移计(102)、第三位移计(103)；

在隧道拱顶埋设第一喷层压力盒(104)，第一喷层压力盒(104)位于初衬钢拱架与喷层围岩之间；

在隧道左边墙、右边墙分别埋设第一锚杆应力计(105)和第二锚杆应力计(106)；

第一位移计(101)、第二位移计(102)、第三位移计(103)、第一喷层压力盒(104)、第一锚杆应力计(105)和第二锚杆应力计(106)分别经信号线接入第一通道处理器(107)，第一通道处理器(107)经电缆总线(601)接入监控中心(301)；

步骤2

随着隧道开挖推进至目标监测区域，在经初喷混泥土后的目标监测断面后方隧道围岩的隧道左拱肩、拱顶、右拱肩埋设第四位移计(201)、第五位移计(202)、第六位移计(203)；

在隧道拱顶埋设第二喷层压力盒(204)，其位于初衬钢拱架与喷层围岩之间；

在隧道左边墙、右边墙分别埋设第三锚杆应力计(205)和第四锚杆应力计(206)；

第四位移计(201)、第五位移计(202)、第六位移计(203)、第二喷层压力盒(204)、第三锚杆应力计(205)和第四锚杆应力计(206)经信号线分别接入第二通道处理器(207)，第二通道处理器(207)通过电缆总线(601)与第一通道处理器(107)串联连接；

步骤3

随隧道开挖继续推进至目标监测断面，在所需监测区域后经初喷混泥土后的隧道围岩中埋设第i组传感器，按步骤2的方式布置，并将安装完成后的第i组传感器经信号线分别接入第i通道处理器，第i通道处理器通过电缆总线(601)与第二通道处理器(207)串联连接。