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浅谈隧道围岩量测信息化系统应用

发表时间：2021/6/7 来源：《基层建设》2021年第2期作者：张翼鹏

[导读] 摘要：在结合了信息化之后，实行了以西成--宝兰线为试验点的围岩量测信息化技术。

        中铁十二局集团第七工程公司 410000
        摘要：在结合了信息化之后，实行了以西成--宝兰线为试验点的围岩量测信息化技术。本文以实际情况出发，分别对围岩量测信息化技术在系统设置，数据采集，信息处理等各方面进行了阐述，此次成果具有实验意义，并可供相关人员作为数据参考，可以作为围岩量测信息化技术推广的依据
        关键词：围岩量测、信息化、系统
        引言：随着现代科技不断发展，数字化、信息化模式渐渐深入各行各业，尤其在建筑施工方面.所区别于以往的纸、笔、眼、口，加入了一项新兴元素--信息化，下面，本人以西成4标秦岭天华山隧道出口为范例，介绍围岩量测与信息化的融合及其使用过程中的心得。
        1 隧道概况
        秦岭天华山隧道为新建高速铁路西安至成都（陕西段）IV标工程（以下简称“西成IV标”）高风险重难点隧道之一，位于陕西省安康市宁陕县境内秦岭南麓高中山区，隧道全长15988.6m。本标段负责区域为秦岭天华山隧道出口，全长3552m。根据设计和钻探资料，。所在段围岩相关信息如表1所示
        表1 围岩类别设计统计表

        2 围岩量测信息化
        2.1围岩量测的目的
        现场监控量测是指导施工、动态设计的基础，反映现场情况的必要条件。在隧道内实施监控量测，其主要目的为：
        （1）为了掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态，监测围岩与支护的变形和应力；
        （2）确定支护结构形式，参数和支护时间，掌握支护结构的工作状态，对下一步的设计与施工提供指导，实现动态设计与施工；
        （3）为理论解析、数据分析和工程类比提供计算数据和对比指标；
        2.2 围岩量测信息化作业
        2.2.1 外业准备
        2.2.1.1 围岩量测点标准
        监控量测点的加工制作采用Φ16螺纹钢，具体制作方法如下：前端（喷锚后外露部分）5*5cm的闭合四边形，贴一块画好十字丝的反光贴，并用透明胶布缠绕加以保护。预埋部分为30cm（喷锚埋深25cm，外露5cm.）钻孔直径同锚杆，采用早强锚固剂固定。
        2.2.1.2 围岩量测点埋设
        （1）埋设要求
        测点要求在开挖爆破后8小时内与下一循环爆破前完成全部埋设，13小时内读取初次数据。
        周边收敛量测点埋设于隧道边墙部位，
        拱顶下沉量测点布置在隧道的拱顶中轴线处。
        同一断面测点应尽可能布置在同一里程上。
        （2）埋设间距与点数
        由于隧道施工过程中围岩变化不定，因此对于不同级别围岩采用不同的埋设间距。Ⅱ级围岩每50米布设一个断面，Ⅲ级围岩每30米布设一个断面，IV级围岩每10米布设一个断面，V级围岩每5米布设一个断面。因施工方法的不同，埋设点位个数也有所差异。全断面开挖埋设3个测点（拱顶一个测点，周边一条测线），台阶法开挖埋设点数为1+n*2（n为开挖台阶数，即拱顶一个测点，每台阶一条测线）。埋设间距如表2所示
        表2 埋设间距

        2.2.2 信息化系统
        为了更规范与准确的实时反映现场围岩情况，在西成公司和西南院的指导下，于2013年11月正式推行了隧道监控量测信息化系统。
        信息化系统包括网络平台、客户端、手机客户端三部分。网络平台，程序部署于西成西兰公司服务器，即浏览器与服务器之间的通讯。我们可以在任何能上网的地方打开IE浏览器即可查看监控量测数据、图线、预警、测点统计等信息。
        信息化系统以电脑客户端为起点，录入断面信息后上传进服务器，手机进行下载，连接仪器进行数据采集，然后上传，会在服务器里对数据进行整合，成图等相关处理。
        信息化使用流程如图1所示
        图1 信息化系统关系图

        2.2.2.1 配置需求
        网络平台要求使用IE8.0以上版本，而且要安装silver light（silver light为微软IE浏览器显示图形必须安装的插件），且必须为2M宽带独立网口，以满足网速需求。
        手机客户端的安装要求为Android4.0以上系统，且为4核（包含4核）以上处理器。
        仪器要求为具有内置蓝牙或可连接外接蓝牙设施的仪器，包括徕卡、拓普康等多种测量仪器。
        2.2.2.2起点--信息录入
        （1）网络平台录入
        首先明确断面信息，如所处围岩的级别、埋设的点数、埋设时间等然后进入系统进行断面以及测点的添加
        具体情况如图2、3所示
        图2 断面信息录入

        如图3所示输入相关断面信息，*部分为必填项目，其中“断面个数”、“断面间隔”、“测点前缀”、“测点个数”为系统默认，可不进行人为更改；“埋设时间”为埋设点位时的时间，精确到分钟即可；“仪器设备”、“设备标号”为进行围岩量测（与测量手机相连接）的设备型号；其余项目可酌情更改。确认无误后，点击确定，即完成断面信息的录入。
        图3 测点信息录入

        如图3所示，建立相关信息，其中“测点编号格式”为GDXC122+330（IV）或ZBSL122+330-1（IV），测点类别前者编号为拱顶下沉，后者编号为周边收敛，小括号内为围岩级别，另外，如果周边收敛测线个数超过一条，则在里程数后与小括号前加入-1，-2等以区分，加入位置为编号红色部分，若只有一条测线，则不加入红色-1部分即可（注意修改围岩级别）；“埋设时间”，其默认为添加断面的时间，若存在多条测线且有时间间隔，则以埋设时间为准，时间自行更改；“极限位移合成参考值”需严格按要求填写，不可随意更改，不同围岩的极限位移合成参考值不同，如表3所示。确认无误后，即完成测点信息的录入。
        表3 极限位移合成参考值

        最后进行数据上传，至此，网络平台的录入工作完成
        （2）手机客户端
        上传之后，使用专业测量手机进行数据下载（为第二行左手第一个绿色图标），然后点击下载数据，确认，如图4、5
        图4 手机客户端总界面

        图5 测点信息下载

        至此信息的录入准备工作完成。
        2.2.2.3行程--现场测量
        本项目围岩量测的现场测量仪器型号为徕卡TCRP1201，隧道内采用后方交会法设置测站，明确测量数据的绝对性与准确性。
        设置测站后，使用专业测量手机与全站仪相互连接，进入手机主界面，点击“现场测量”选择隧道，确认连接无误后，选择仪器型号，然后打开仪器激光指示器照准反光贴十字丝中心进行数据采集，确认数据后，继续下一测点的测量，直至所有测点全部测量完进
        行数据保存，随后进行数据上传。如有点位破坏致使数据重新观测，则需要点击数据右侧小方块“归零”，重新观测即可，另外，在隧道内观测网络会失去链接，如果此时无法登陆系统，只需关闭手机WIFI以及数据流量即可。
        由于掌子面的不断推进，因此产生了量测频率的变化，其变化情况如表4
        表4 围岩量测时间间隔

        注：B为隧道开挖宽度
        2.2.2.4支路
        （1）数据查询
        数据采集并上传之后，也可以在任何有网络的地方用手机或者电脑实时查看所传数据，准确无误地做到了数据的信息化，透明化。图6为相应的查询界面（上为手机，下为电脑。手机查询在总界面第一排第三个图标）
        图6 数据查询（上：手机，下：电脑）

        （2）预警与处理
        在实施隧道围岩量测的过程中，由于种种原因可能会导致上传数据超出规格而导致预警的发生，而在正常状况下，从数据采集到人工分析再到预警的出现，势必要经过一个繁杂漫长的过程，稍有不慎还会延误处理时机，而采用信息化系统则可完美避免此类状况，因为信息化系统的服务器直接与各项目负责人手机相连接，一旦数据上传后，经服务器处理发现预警情况，就会马上通知各项目负责人，从而采取相关处理措施，真正做到了快捷、安全。
        另外，对于现场处理后，在信息化系统上也要进行预警消除处理，根据预警原因主要分为真实预警、假性预警两种情况，其处理方式如下。
        真实预警即为数据累计值超过限度而爆发的红色或黄色预警信息。处理步骤如下第一步：打开网页，找到预警信息；
        第二步：打开警示处理对话框；
        第三步：在处理级别处选择要处理成的级别；
        第四步：填写处理意见；
        第五步：点击保存，处理完成。
        假性预警即为上传了错误数据导致预警，这分两种情况：
        第一种：若是第一次的测量数据就上传了错误数据，或者是手机归零的时候归错了，就按照“预警处理申请表”要求填写好资料后发给建设单位主管负责人，同意后西南院软件管理人员再进行处理。
        第二种：若是前面测的数据都是正确的，本次上传了错误数据，导致了假预警，可以再测一次正确的数据传上去，这个假预警就会自动取消了，不用处理。
        （3）周报表
        为规范围岩量测的测量情况，推出了围岩量测周报表模式，设定好观测频率，并严格按照要求进行观测，如图7
        图7 周报表

        2.2.2.5终点--数据处理
        不同于以往的常规围岩量测数据处理方法，采用信息化系统之后，已经可以真正做到数据采集——数据处理——结果分析一体化，并能对超出规范部位进行及时预警，极大提高了隧道施工的安全性和规范性
        （1）日报
        对于当日测量结果，不仅仅在专业测量手机上能够显示单个测点（测线）的下沉（收敛）值，在电脑系统里更可以对当天测量所有信息进行统计，综合整理出隧道当次变化情况，及时、准确地反应出隧道内的潜在问题
        （2）周报
        隧道围岩量测工作不只是反映单次的变化情况，最重要的是对一段时间内隧道变化情况的统计，这里取一周为一个时间-数据统计区。
        采用围岩量测信息化技术后，实行的是数据-主机一体化，其量测数据将第一时间传送至主机处理器，有内部系统软件进行数据的加工和处理，形成报表，同时形成相关图像，如图8、9所示
        图8 水平收敛时态曲线图

        图9 拱顶下沉时态曲线图

        （3）月报（回归分析）
        不同于周报的区间性分析，月报则是对一个断面信息的汇总处理，并进行稳定性测试--回归分析。其曲线图与周报大致相同，在此不多加坠诉，下图10、11为回归分析经由系统处理后的形态图
        图10 水平收敛回归分析曲线

        图11 拱顶下沉回归分析曲线图

        3 系统的使用心得和体会
        1、围岩量测信息化系统硬件配置要求较低，可满足绝大部分隧道工程的要求，普遍化实行难度降低
        2、信息化技术的断面、测点创建信息简洁、全面，对现场情况的概括完整，且信息录入后直接上传至网络，不易丢失，可视度高
        3、使用专业测量手机与测量仪器互相连接，数据衔接性好，并与计算机联网，信息回馈及时、准确
        4、由于数据及时上传至网络，并避免人为原因所造成的数据误差，更具客观性，由于信息归由中央服务器统一处理，预警信息发布及时，问题处理更直观，简洁。
        5、数据查询真正做到了直观，信息化使数据可多地查询的同时，也加大了对数据的监督力度，
        6、周报表的建立是的测量频次更加规范，周报表的信息化处理，使得测量数据公开化、透明化，并形成严谨、系统的资料管理体系
        7、因为系统生成当日测量结果，及时、有效地反映现场情况，对于异常数据能进行快速处理，避免因数据延误所造成的不必要意外；
        8、回归分析的信息化使得对断面信息拟稳性判断更加准确，为二衬的及时施作提供必要依据。
        9、节省数据处理人员，提高工作效率
        4 系统有待解决的问题及建议
        1、本系统曲线图中所采用分析的数据皆为相对差值，即上一次测量高程与本次测量高程、上一次水平收敛长度与本次水平收敛长度之间的差值，对于测量点所处位置无法明确，容易出现数据造假的可能性，建议增加相关位置信息。
        2、对于特殊区段和围岩质量理想段，其变化曲线有概率出现连续无变化的直线线型，而对于这种线型本系统无法进行回归分析，建议增加对此类特殊情况的处理方法。
        3、系统使用中发现添加断面以及其他数据更新需要手动下载才会反映到专门测量手机中，建议采取和预警信息同样的即时更新措施。
        参考文献：
        ［1］铁道部TB10121-2007铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京：中国铁道出版社，2007.
        ［2］铁道部TB10101-2009铁路工程测量规范［S］.北京：中国铁道出版社，2010.