CN103197644A - 一种隧道施工及营运期一体化监控***及方法 - Google Patents

一种隧道施工及营运期一体化监控***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种隧道施工及营运期一体化监控***，包括多个埋设于隧道施工及建成初期的不同断面中的传感器、多个自动采集仪、数据传输***、协议转换器和监控计算机，多个自动采集仪之间通过总线串联，每个所述传感器的信号输出端与对应的自动采集仪的信号输入端连接，所述自动采集仪通过数据传输***与所述协议转换器通讯连接，所述协议转换器的数据端口与所述监控计算机的数据端口连接。本发明还公开了一种用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法。本发明通过设置耐久性好的长期监控元器件，形成长期监控网络，对隧道从施工至服役期结束全寿命范围内的结构力学行为特征进行全过程监控。

Description

一种隧道施工及营运期一体化监控***及方法
技术领域
本发明涉及一种隧道结构安全全寿命监控***及方法，尤其涉及一种隧道施工及营运期一体化监控***及方法。
背景技术
目前我国山岭隧道普遍采用新奥法设计施工技术，隧道主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌结构为主流形式。在具体的施工方法中开挖步骤及锚喷支护和模筑混凝土的施设时机往往因施工单位的技术水平及围岩和环境条件出现极大的差异而导致同样的主体结构而具有不同水平的安全储备。同时，因地下水长期侵蚀等原因会引起锚杆失效、钢筋锈蚀、混凝土腐蚀导致衬砌结构实际承载力下降。近期国内部分省市即出现过因围压或其它未预见的原因而导致在施工期间及已经建成的山岭隧道主体结构失稳严重坍塌的重大事故，也有大量国内外铁路及公路隧道主体结构因严重开裂等工程病害出现破坏而影响行车安全和中断交通的报导。但是，截止目前，针对山岭隧道安全性监控大多集中在施工期间，而对于营运期间开展结构安全监测技术的研究并不多见。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种实现对隧道建成初期至营运期全过程主体结构安全与健康状态的智能评价，形成隧道施工及营运期结构整体健康状况的评估体系的隧道施工及营运期一体化监控***及方法。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种隧道施工及营运期一体化监控***，包括多个埋设于隧道施工及建成初期的不同断面中的传感器、多个自动采集仪、数据传输***、协议转换器和监控计算机，多个自动采集仪之间通过总线串联，每个所述传感器的信号输出端与对应的自动采集仪的信号输入端连接，所述自动采集仪通过数据传输***与所述协议转换器通讯连接，所述协议转换器的数据端口与所述监控计算机的数据端口连接。
进一步地，所述隧道施工及营运期一体化监控***还包括多个集线箱，所述集线箱上设置有传感器接线端、电源接线端和光纤接线端，每个所述自动采集仪设置于不同的集线箱中。
作为优选，所述集线箱的长×宽×高=1000mm×1000mm×350mm，所述集线箱位于隧道弱电缆槽侧边墙。
进一步地，所述数据传输***包括传输光缆、传输电缆、交换机和网关。
进一步地，所述自动采集仪上设置于有RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网口以及光纤传输接口。
更进一步地，所述自动采集仪内置大容量数据存贮器和可充电电池组。
一种用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法,包括以下步骤：
（1）在隧道施工过程中选择不同断面中安装和埋设传感器；将所述各不同断面的传感器与自动采集仪连接，同时将不同断面的自动采集仪间利用总线进行串接，再通过数据传输***与所述协议转换器连接，所述协议转换器与监控计算机相连；
所述步骤（1）还包括在传感器的埋设过程中在弱电缆槽侧设置集线箱。
所述步骤（1）中传感器埋设的具体方法如下：先按照确定好的走线线路将传感器放入布设位置，然后将尾纤布好，再用电焊将传感器按照要求的方向固定，并确保元件不会偏移所固定的位置、方向，最后提醒施工人员浇注、震动水泥时尽量减少对元器件的破坏。
（2）传感器埋设完成后，采集传感器将采集的原始频率输出值传输至自动采集仪，自动采集仪通过数据传输***将传感器采集的信号传输至所述协议转换器，所述协议转换器根据传感器相应的标定算法将采集到的频率值转换成实际的物理量后传输给监控计算机，通过监控计算机能够对隧道结构安全与健康状态监测数据进行自动采集，并能够对采集周期进行调整。
（3）所述监控计算机中采用自行研制的隧道结构安全性评价***对监测数据进行分析与评价。
进一步地，所述隧道结构安全性评价***由结构健康状态智能评价与预警***两部分组成，所述预警***由数据采集模块、数据管理模块、曲线绘制模块、结构安全性评价模块、设备管理模块和用户管理模块构成。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种从隧道建成到全服役期内的结构安全监控***及方法，本发明通过设置耐久性好的长期监控元器件，形成长期监控网络，对隧道从施工至服役期结束全寿命范围内的结构力学行为特征进行全过程监控，在数据继承、连续、发展的基础上，评价分析隧道结构的安全性，相对于一般的监控方法而言，本发明涵盖了隧道从施工初期至最终服役期满时的结构安全性全过程监控。
附图说明
图1是本发明一种隧道施工及营运期一体化监控***的结构框图；
图2是本发明中装有自动采集仪的集线箱的结构示意图；
图3是本发明中传感器在隧道中的安装位置示意图；
图中：1-监控计算机，2-协议转换器，3-总线，4-自动采集仪，5-集线箱，6-传感器接线端，7-电源接线端，8-光纤接线端，9-传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步具体描述：
如图1所示，本发明一种隧道施工及营运期一体化监控***，包括多个埋设于隧道施工及建成初期的不同断面中的传感器9、多个自动采集仪4、数据传输***（图中未示）、协议转换器2和监控计算机1，多个自动采集仪4之间通过总线3串联，每个所述传感器9的信号输出端与对应的自动采集仪4的信号输入端连接，所述自动采集仪4通过数据传输***与所述协议转换器2通讯连接，所述协议转换器2的数据端口与所述监控计算机1的数据端口连接。
如图1和2所示，所述隧道施工及营运期一体化监控***还包括多个集线箱5，所述集线箱5上设置有传感器接线端6、电源接线端7和光纤接线端8，每个所述自动采集仪4设置于不同的集线箱5中。所述集线箱5的长×宽×高=1000mm×1000mm×350mm，所述集线箱5位于隧道弱电缆槽侧边墙。
所述数据传输***包括传输光缆、传输电缆、交换机和网关。监测数据的传递有两种方式，分别是有线传输与无线传输两种方式。有线传输方式由自动采集仪4、隧道工业以太网环网及交换及、监控中心局域网与监控主机组成。所述自动采集仪4通过以太网接口接入隧道就近的工业以太网交换机，所述监控主机1通过对远程终端设定的IP地址就能直接和它建立网络连接，从而可以对实现远程数据采集。当自动采集仪4附近无工业以太网交换机时，在自动采集仪4和以太网交换机间增加一对以太网***，之间用一根光纤连接，从而将自动采集仪4接入最近的以太网交换机。对于隧道无工业以太网环网，而有485网的情况下，和以太网的接入方式相似，只需为自动采集仪4设定一个485站地址，通过它的485接口接入485网络，将安全监测数据通过485网络传输。
无线传输方式同样包括了自动采集仪4与监控主机1，其传输方式主要靠GSM无线网络模块得以实现。监控数据经监控主机1采集处理后通过自动采集仪4的RS232数据传输接口进行数据传送，远程终端的RS232接口与GSM无线网络传输模块的RS232接口相连接，GSM模块将数据发送到附近的无线机站，最终通过GSM网关接入Internet。监控主机1必需要接入Internet，而且还需要有公网IP地址才能够通过整个无线链路获取结构安全监测数据。GSM无线传输模块的数量与远程终端一致，毎个监控主机都需要一个GSM模块。在本实施例中，采用有线方式进行传输。
自动采集仪4上设置于有RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网口以及光纤传输接口。所述自动采集仪4内置大容量数据存贮器和可充电电池组。
一种用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法,包括以下步骤：
（1）在隧道施工过程中选择不同断面中安装和埋设传感器9；应选择典型的监控断面安装和埋设传感器9，为使选择的断面具有典型代表意义，特制定如下选取原则：
营运期监测断面的选择应考虑不同地质情况，其主要包括岩性特性、地下水发育特征、地层年代等特性。同时，监控断面选择适时也应考虑不同断面衬砌的类型，如隧道主体结构（标准断面、紧急停车带等）和大型附属结构物（联络横通道、斜竖井、地下变电所、风机房等）也应是其考虑之一。在地质条件复杂处，诸如：岩溶、断层破碎带、涌突水、塌方段、岩爆、大变形段等也应计入长期监测范围中；根据隧道埋深的不同，监测断面的选择应涵盖不同埋深情况。如图3所示，安装传感器9的监控断面选择左右线应尽量交错布置，使断面选择兼顾范围更广泛、代表性更强。
所述步骤（1）中传感器9埋设的具体方法如下：先按照确定好的走线线路将传感器放入布设位置，然后将尾纤布好，再用电焊将传感器按照要求的方向固定，并确保传感器9不会偏移所固定的位置、方向，最后提醒施工人员浇注、震动水泥时尽量减少对元器件的破坏。
如图1所示，将所述各不同断面的传感器9与自动采集仪4连接，同时将不同断面的自动采集仪4间利用总线3进行串接，再通过数据传输***与所述协议转换器2连接，所述协议转换器2与监控计算机1相连；在传感器9的埋设过程中在弱电缆槽侧设置集线箱5。
（2）传感器9埋设完成后，采集传感器9将采集的原始频率输出值传输至自动采集仪4，自动采集仪4通过数据传输***将传感器9采集的信号传输至所述协议转换器2，所述协议转换器2根据传感器相应的标定算法将采集到的频率值转换成实际的物理量后传输给监控计算机1，通过监控计算机1能够对隧道结构安全与健康状态监测数据进行自动采集，并能够对采集周期进行调整。
（3）监控计算机1中采用自行研制的隧道结构安全性评价***对监测数据进行分析与评价。所述隧道结构安全性评价***由结构健康状态智能评价与预警***两部分组成，本发明以隧道现场监控数据为基础，结合隧道结构安全性分级标准与常规的隧道结构安全性评价方法，采用模糊综合评判方法实现对隧道结构安全性的评价。模糊综合评判方法主要由因素集、权重集、评语集、综合评判的模糊数学模型、隶属函数的建立与确定，算子的选择共6大部分组成，其中隧道模糊综合评判模型的建立，隶属函数、权重值的确定是实现模糊综合评判法的关键，所述可依据具体隧道的特征进行确定。

Claims (10)

1.一种隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：包括多个埋设于隧道施工及建成初期的不同断面中的传感器、多个自动采集仪、数据传输***、协议转换器和监控计算机，多个自动采集仪之间通过总线串联，每个所述传感器的信号输出端与对应的自动采集仪的信号输入端连接，所述自动采集仪通过数据传输***与所述协议转换器通讯连接，所述协议转换器的数据端口与所述监控计算机的数据端口连接。
2.根据权利要求1所述的隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：所述隧道施工及营运期一体化监控***还包括多个集线箱，所述集线箱上设置有传感器接线端、电源接线端和光纤接线端，每个所述自动采集仪设置于不同的集线箱中。
3.根据权利要求2所述的隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：所述集线箱的长×宽×高=1000mm×1000mm×350mm，所述集线箱位于隧道弱电缆槽侧边墙。
4.根据权利要求1所述的隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：所述数据传输***包括传输光缆、传输电缆、交换机和网关。
5.根据权利要求1所述的隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：所述自动采集仪上设置于有RS232接口、RS485接口、RS422接口、以太网口以及光纤传输接口。
6.根据权利要求1所述的隧道施工及营运期一体化监控***，其特征在于：所述自动采集仪内置大容量数据存贮器和可充电电池组。
7.一种隧道施工及营运期一体化监控方法,其特征在于:包括以下步骤：
（1）在隧道施工过程中选择不同断面安装和埋设传感器；将所述各不同断面的传感器与自动采集仪连接，同时将不同断面的自动采集仪间利用总线进行串接，再通过数据传输***与所述协议转换器连接，所述协议转换器与监控计算机相连；
（2）传感器埋设完成后，采集传感器将采集的原始频率输出值传输至自动采集仪，自动采集仪通过数据传输***将传感器采集的信号传输至所述协议转换器，所述协议转换器根据传感器相应的标定算法将采集到的频率值转换成实际的物理量后传输给监控计算机，通过监控计算机能够对隧道结构安全与健康状态监测数据进行自动采集，并能够对采集周期进行调整。
（3）所述监控计算机中采用自行研制的隧道结构安全性评价***对监测数据进行分析与评价。
8.根据权利要求7所述的用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法,其特征在于:所述步骤（1）还包括在传感器的埋设过程中在弱电缆槽侧设置集线箱。
9.根据权利要求7所述的用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法，其特征在于：所述步骤（1）中传感器埋设的具体方法如下：
先按照确定好的走线线路将传感器放入布设位置，然后将尾纤布好，再用电焊将传感器按照要求的方向固定，并确保传感器不会偏移所固定的位置、方向。
10.根据权利要求7所述的用于隧道施工及营运期一体化监控***的方法，其特征在于：所述隧道结构安全性评价***由结构健康状态智能评价与预警***两部分组成，所述预警***由数据采集模块、数据管理模块、曲线绘制模块、结构安全性评价模块、设备管理模块和用户管理模块构成。
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