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浅探隧道施工安全预警中的自动化监测技术

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：贾小鹏

[导读] 摘要：在隧道施工过程中会随时遇到安全隐患，对此若未及时发现、未采取措施，可能危及施工安全，因此有必要建立监测及安全预警机制，实现对危险因素的及时发现、实时监测与有效防范。

        四川正路建设工程检测咨询有限公司
        摘要：在隧道施工过程中会随时遇到安全隐患，对此若未及时发现、未采取措施，可能危及施工安全，因此有必要建立监测及安全预警机制，实现对危险因素的及时发现、实时监测与有效防范。由此，自动化监测技术应用而生，它以传统人工监测技术为内核，以信息化技术运用为手段，大大提高了信息采集、传输、处理及预警工作的效率。基于此，本文提出了监测工作的监测重点，并对自动化监测技术的三个方面（数据采集、传输与预警）进行梳理，最后对未来隧道施工安全预警中的自动化监测技术的发展方向进行了初步探讨。
        关键词：隧道施工；安全预警；自动化监测；监测重点；监测技术
        1.隧道施工安全预警中的自动化监测重点
        1.1明确监测断面、监测点位与监测频率
        监测部位的确定与监测的实施应首先满足隧道施工的设计文件及有关技术规范的规定和要求，同时应符合项目隧道的实际施工进度与工程地质条件。除此，在发生测值超限的位置、以及现场实地发现安全隐患的位置，均应考虑断面数量、测点数量及监测频率的适当加密。
        在不同地质条件区段，其监测断面的间距要求不同。地质条件越差，监测断面要求越密，相应的监测频率要求越高；距离施工掌子面越近的位置，监测频率要求越高。对于具体的测点布设（例如，隧道洞内变形监测，常见的测点类型为拱顶沉降与围岩收敛），也应遵循以上规律，并结合现场实际情况合理布设。
        1.2自动化监测模式
        在隧道施工安全预警机制当中，自动化监测过程离不开监测仪器、设备及传感器的功能体现。例如，可运用全站仪实现对隧道变形量数据的监测。在这个过程中，工作人员可以使用GPRS数据链与计算机设备相对接，以此来实现对全站仪的控制。进行设备选型时，应充分考虑监测精度要求，并按照有关规范的规定与项目隧道的具体情况制定合理的监测方案（测点布设位置、数量与监测频率、预警机制等）。在监测实施阶段对各个测点的位置、变形量、变形速率数据进行测取与处理分析。
        在这其中，SQL数据能够做到对数据的针对性储存，如果监测过程中某些点位数据异常（软件通过数据分析机制，如线形拟合手段、离散分析等）或超限（通过限值比较机制），系统将会对异常、超限数据加以识别和提取，并将其分类存于数据库中，然后继续对其他监测点进行监测，以此确保量测信息的完整。继而，系统将对异常、超限数据的点位进行加密监测，有效防微杜渐，防范安全事故。
        2.隧道施工安全预警中的自动化监测技术
        2.1监测数据的自动采集技术
        针对不同的监测参数，应选取不同类型的传感器，即便是相同类型的传感器，其工作原理也不尽相同，因此其数据信号格式也不相同。当前比较常见的信号类型主要包括电压数据信号、振弦数据信号以及电流数据型号等。在自动化监测的过程中，第一个步骤就是要对不同种类传感器生成的信号源进行自动化采集。目前，监测数据的自动采集技术已经比较成熟，不同类型的数据信息信号都可利用通讯协议实现格式转化与识别。
        2.2监测数据的自动传输技术
        隧道的施工环境通常都在山体内部或地下，因此在施工过程中无法实现无线网络的全覆盖。因此，为实现自动化监测，需在隧道洞内专门建立无线网络，或者通过有线传输方式将数据向外传输。随着无线通信技术的成熟，自动传输技术在隧道施工安全预警当中得到了充分的运用。具体来说，当前无线通信技术下的自动传输技术主要包括两大类。第一类是基于蜂窝的接入技术，比如蜂窝数字分组数据、无线传输、改进数据率GSM等技术都比较常用。第二类是基于局域网的技术，比如无线局域网、蓝牙、频射等都比较常用。

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目前数据传输技术也已经比较成熟，应根据具体项目的具体情况采取相宜的传输方式。
        2.3监测数据的自动分析、处理和预警技术
        在计算机软件的辅助下，可实现对监测数据的自动化分析、处理和预警。具体来说，通过计算机软件开发，针对具体隧道项目建立便捷友好的人机交互界面，并实现数据的分类获取、处理与存储等基本功能。基于此，将项目的隧道施工安全状态评价系统通过限值设定与相应的数据处理功能嵌入系统，就可向工程管理人员及时推送（PC端网页或程序界面、移动端信息、手机APP等）超出安全限值的预警信息。为了实现以上所述的预警效果，需建立相应的隧道施工自动化监测安全预警信息系统。该系统包括：传感器、采集器、无线通讯、控制系统、数据库以及施工安全信息终端等几个模块。在运行过程中，数据自动采集器会按照预先设定的采集频率通过传感器进行数采与收集，继而由无线通信模块将数据信息传输到控制系统，控制系统对数据进行一系列综合处理与分析，生成数据是否超限的判定，并按照不同层级的预警设定，输出相应的预警层级与信息（监测数据、超限程度、处置建议等），从而实现数据分析、成果输出、监测预警等多样化功能。
        3.未来隧道施工安全预警中的自动化监测技术的发展方向
        在未来，自动化监测技术可能在以下三个方面不断完善。
        第一是在监测设备方面，会不断研发新的监测设备，使设备在面临恶劣的环境下仍然具有较为稳定的运行能力，同时设备测值的准确性将不断提升。为自动化监测系统提供愈发可靠的数据源。
        第二是监测预警限值会变得更加合理。人们会根据具体的工程特点来设置相应的初始预警标准和预警值。与此同时，自动化监测系统的智能化水平在不断提高。例如：基于机器学习技术运用的人机互动机制，能够针对具体的工程预警限值来设置人工反馈录入窗口，系统通过对大量的人工反馈信息进行处理，实现对初始预警限值的动态迭代与调整，实现智能化监测。
        最后，自动化监测成本将会得到更为有效的控制。为了实现这个目标，可以从监测参数优化和无线传输节点优化这两个方面入手。对于前者：基于系统的智能化水平不断提升，将在监测前期对各项数据源实施权重分析，并藉此对不必要测点进行减除，合理减少监测参数与传感器数量，实现成本降低。而对于后者：可采取不断发展的新型网络传输系统，减少中间网络节点数量，使长距离的信息稳定传输成为可能，从而降低数据传输的成本。
        结束语
        综上所述，自动化监测技术能够实现对隧道施工安全的自动化监测与监控，在必要时，它不仅能够对监测区域当中的力学参数（如变位、应力）实施监测，也能够对洞内环境参数（如噪声、烟尘浓度）、洞外气象参数（如风速、降雨量）、特殊地质区域（如有毒有害气体溢出浓度）等参数进行实时监测。如果监测数据异常，系统将发出安全预警。管理人员可以根据安全预警信息对施工安全措施进行完善，对施工工艺进行优化，由此尽可能避免工程事故与人员伤亡，并将经济损失降到最低限度。自动化监测技术在发展过程当中日趋完善，但仍无法完全取代人工监测，在技术、成本等方面还存在一定的瓶颈，这也是未来自动化监测技术的发展方向。
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