CN109405758A - 一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，包括自动化数据采集系统、无线远程传输系统、计算机云端、工程项目管理中心、警示装置和后处理系统，自动化数据采集系统包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置，计算机云端包括基站、远程无线运输装置和服务器，工程项目管理中心包括数据分析处理系统、管理中心和报表中心等处理系统，计算机云端与工程项目管理中心数据共享，警示装置收到预警信息后发出相应级别的预警，并根据预警级别判断是否向后处理系统发送预防措施信息。本发明可实现对隧道围岩实施全天候、实时连续的监测与预警，避免施工人员受到生命危险，减少机械设备损毁，提前预防围岩大变形产生的事故。

Description

一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统

技术领域

本发明涉及隧道围岩监测技术领域，具体为一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统。

背景技术

随着国家建设的快速发展，目前的公路、铁路隧道出现了一些新的特点：断面大、隧道长、地质条件复杂，隧道掘进面前方的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水。这些因素不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡、工期延误，从而造成巨大的经济损失，同时也引起了国家监管部门的高度重视。

目前用于隧道监测的方法及工具随着隧道跨度的不断增大或监测难度的不断增加，局限性越来越凸显，监测的精度和误差也越来越不能够满足要求，再者，目前的监测方法也不能进行实时监测，不具有自动报警或预警的功能，存在认为影响的因素。

另外，常规的一些监测仪器与方法也存在着一些根本性缺陷：点式测量，信息量少；难以实现分布式监测，往往会遗漏一些对工程安全致关重要的信息；耐久性差；易受强电磁场干扰，测量精度受到影响；不适合易燃、易爆、高温、雷击区等恶劣环境；不便远距离遥测和监控等。

随着科学技术的不断进步，为进一步提隧道工程监测信息的准确可靠，提高隧道参数监测手段的自动化程度，需要我们对监测设备、监测方法、监测手段等进行探索与研究，以实现隧道参数的监测由传统的监测设备、监测方法向智能结构系统转变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道围岩变形监测方法及其监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种隧道围岩变形监测系统，包括自动化数据采集系统、无线远程传输系统、计算机云端、工程项目管理中心、警示装置和后处理系统，所述自动化数据采集系统包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置，在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE 802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，所述自动化数据采集系统与警示装置连接，所述计算机云端包括基站、远程无线运输装置和服务器，所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器，所述工程项目管理中心包括数据分析处理系统、管理中心和报表中心等处理系统，所述计算机云端与自动化数据采集系统无线通信，并通过计算机云端与工程项目管理中心实现数据的共享，所述的警示装置收到所述服务器发来的预警信息后，根据所述预警信息发出相应级别的预警，并根据预警级别判断是否向所述后处理系统发送预防措施信息，所述后处理系统接收所述警示装置发来的预防措施信息并启动相应的预防措施。

进一步的，所述警示装置为指示灯，每个指示灯的发光颜色不同，不同的发光颜色表示不同的预警等级。

进一步的，所述的传感器节点具有微处理器和存储器，可对原始数据进行处理，剔除大量无效数据，大大减少需无线传输的数据量。

进一步的，所述的传感器监测内容包括变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测，所述的变形监测包括水平净空收敛、拱顶位移、土体分层竖向位移、周边地表位移、周边建筑位移、管线变形，所述的内力监测包括支护结构内力、锚杆轴力、围岩压力，裂缝监测包括隧道周边地表裂缝和建筑物裂缝、支护结构裂缝；所述的传感器可以根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备，所述的传感器优选地可选择光纤光栅传感器。

进一步的，所述的自动化数据采集系统可以实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理，短距离无线传输和远程控制。

进一步的，所述的工程项目管理中心能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化警示装置和系统管理中心等子系统；所述的数据分析处理系统可实现对监测数据的分析和处理，引入智能非线性预测方法，预测监测数据的发展趋势，将分析结果以图形和报表等多种方式输出；智能化警示装置依据设定的预警值，对监测数据进行分析判断，并做出相应的预警指示。

进一步的，所述的采集器能够将所述的传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往无线发射接收装置，所述的自组网通信模块分别与无线发射接收装置逐一配置，形成一对多点的分布式无线通信网。

进一步的，所述的分布式无线通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述测点采集器具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。

进一步的，所述的传感器节点可以根据施工进展随机布置，节点自动配置管理，形成多级无线网，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。

一种隧道围岩变形监测方法，具体包括以下步骤：

(1)、在传感器节点既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，且传感器节点中具有微处理器和存储器，传感器节点对收集到的原始数据进行处理，剔除大量的无用数据后；

(2)、将数据通过无线通信方式传输给数据采集装置，所述数据采集装置内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，数据采集装置对接收的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将处理后的数据通过无线通信方式发往短距离无线发射接收装置；

(3)、所述无线发射接收装置与传感器中加装的自组网通信模块通过数据采集装置逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，所述的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述的数据采集装置具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令；

(4)、无线发射接收装置收到数据采集装置发来的数据后通过WCDMA传输给工程项目管理中心，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制；

(5)、所述工程项目管理中心通过数据接收服务接口将数据接入平台后供存储、下载及各种后期处理等，实现对隧道的自动化监测。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

(1)采用无线通信技术，传感器节点采用无线连接、无线铺设电缆，给安装带来了便利，节省了电缆的使用，避免了隧道施工对电缆造成破坏，确保了监测系统的安全性和稳定性；传感器节点优选地光纤光栅传感器，其抗电磁干扰较强，耐腐蚀性能强，传输损耗小、容量大，更进一步确保了监测系统的精确性、安全性和稳定性。

(2)采用ZigBee技术可以进行大规模的布点，且传感器节点可以根据施工进度随机布置，节点可自动配置管理，也可以任意加入新的监测测点，具有良好的可扩展性，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作，同时由于是通过对计算机技术及网路技术运用来实现整个监测系统的进行，改变了传统工程管理中出现人力、物力的重复投入造成的浪费，在节约成本的同时，也提高了工程管理的水平。

(3)本发明可实现对隧道围岩实施全天候、实时连续的监测与预警，广泛适应于公路隧道、铁路隧道、城市地铁隧道以及煤矿巷道中，实现远程监测围岩位移，实现监测数据科学存储、快速处理、及时分享，减少由于围岩大变形产生的塌方灾害，避免施工人员受到生命危险，减少机械设备损毁，提前预防围岩大变形产生的事故。

(4)预警装置可识别由服务器发送来的预警信息并发出相应级别的警报，警报的级别由预警装置根据隧道破坏的临近时间和破坏后的损失及危害程度综合判识生成，且由后处理系统根据预警信息的判识及时采取相对措施，加强了隧道围岩的管理，保证了后续工程的安全运营。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种隧道围岩变形监测系统，包括自动化数据采集系统、无线远程传输系统、计算机云端、工程项目管理中心、警示装置和后处理系统，所述自动化数据采集系统包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置，在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，所述自动化数据采集系统与警示装置连接，所述计算机云端包括基站、远程无线运输装置和服务器，所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器，所述工程项目管理中心包括数据分析处理系统、管理中心和报表中心等处理系统，所述计算机云端与自动化数据采集系统无线通信，并通过计算机云端与工程项目管理中心实现数据的共享，所述的警示装置收到所述服务器发来的预警信息后，根据所述预警信息发出相应级别的预警，并根据预警级别判断是否向所述后处理系统发送预防措施信息，所述后处理系统接收所述警示装置发来的预防措施信息并启动相应的预防措施。

具体的，所述警示装置为指示灯，每个指示灯的发光颜色不同，不同的发光颜色表示不同的预警等级。

具体的，所述的传感器节点具有微处理器和存储器，可对原始数据进行处理，剔除大量无效数据，大大减少需无线传输的数据量。

具体的，所述的传感器监测内容包括变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测，所述的变形监测包括水平净空收敛、拱顶位移、土体分层竖向位移、周边地表位移、周边建筑位移、管线变形，所述的内力监测包括支护结构内力、锚杆轴力、围岩压力，裂缝监测包括隧道周边地表裂缝和建筑物裂缝、支护结构裂缝；所述的传感器可以根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备，所述的传感器优选地可选择光纤光栅传感器。

具体的，所述的自动化数据采集系统可以实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理，短距离无线传输和远程控制。

具体的，所述的工程项目管理中心能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化警示装置和系统管理中心等子系统；所述的数据分析处理系统可实现对监测数据的分析和处理，引入智能非线性预测方法，预测监测数据的发展趋势，将分析结果以图形和报表等多种方式输出；智能化警示装置依据设定的预警值，对监测数据进行分析判断，并做出相应的预警指示。

具体的，所述的采集器能够将所述的传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往无线发射接收装置，所述的自组网通信模块分别与无线发射接收装置逐一配置，形成一对多点的分布式无线通信网。

具体的，所述的分布式无线通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述测点采集器具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。

具体的，所述的传感器节点可以根据施工进展随机布置，节点自动配置管理，形成多级无线网，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。

在本实施例中，用工程项目管理中心采用SOA(面向服务的体系结构)架构，基于J2EE平台和B/S(浏览器/服务器)多层体系架构，分为展示层、应用层、平台层、数据层和数据接口层。通过各层次组件间服务的承载关系，实现系统功能。

其中，展示层包括界面表示层和界面控制层。界面表示层负责业务数据收集、数据展示和客户端数据校验，采用功能强大的JQuery前端展现框架，构建操作简洁、直观、使用方便的操作界面。另外灵活运用采用ActiveX图形控件、3D图形控件、Office控件以及AJAX页面数据刷新技术，提供最佳数据展现和用户体验。提供实时曲线和历史分析曲线显示，提供强大的图形统计分析与报表相关功能，可根据模板在线生成各种报表，可实现对统计分析图形及数据的导出。界面控制层响应表示层的请求、调用业务逻辑组件、对象集的转换、生成界面显示内容、维护用户对话关系使用，界面控制层采用MVC(模型－视图－控制器)框架技术。

其中，应用层包括业务逻辑层和业务服务层。业务逻辑层执行逻辑计算、完成业务功能逻辑，提供隧道模型管理、进度管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表生成、综合管理等应用功能。业务服务层实现基坑监测模型、数据解算及分析、预警反馈等基础服务。

其中，数据层包括数据持久层、数据处理服务层和数据接收服务接口。所述数据持久层采用Hibernate O/R mapping框架，数据库服务层采用Oracle 9i以上数据存储持久化数据；数据接收服务接口利用高性能的安全端口编程，可满足多个采集终端同时数据接入要求。数据存储与处理不仅提供接收实时数据的存储，而且还定期对实时数据进行汇总，满足统计分析要求。

进一步的，工程项目管理中心能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，管理中心包括分析处理系统、智能化预警系统和系统管理中心等子系统。

一种隧道围岩变形监测方法，具体包括以下步骤：

(1)、在传感器节点既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，且传感器节点中具有微处理器和存储器，传感器节点对收集到的原始数据进行处理，剔除大量的无用数据后；

(2)、将数据通过无线通信方式传输给数据采集装置，所述数据采集装置内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，数据采集装置对接收的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将处理后的数据通过无线通信方式发往短距离无线发射接收装置；

(3)、所述无线发射接收装置与传感器中加装的自组网通信模块通过数据采集装置逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，所述的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述的数据采集装置具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令；

(4)、无线发射接收装置收到数据采集装置发来的数据后通过WCDMA传输给工程项目管理中心，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制；

(5)、所述工程项目管理中心通过数据接收服务接口将数据接入平台后供存储、下载及各种后期处理等，实现对隧道的自动化监测。

终上所述，本发明采用无线通信技术，传感器节点采用无线连接、无线铺设电缆，给安装带来了便利，节省了电缆的使用，避免了隧道施工对电缆造成破坏，确保了监测系统的安全性和稳定性；传感器节点优选地光纤光栅传感器，其抗电磁干扰较强，耐腐蚀性能强，传输损耗小、容量大，更进一步确保了监测系统的精确性、安全性和稳定性；采用ZigBee技术可以进行大规模的布点，且传感器节点可以根据施工进度随机布置，节点可自动配置管理，也可以任意加入新的监测测点，具有良好的可扩展性，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作，同时由于是通过对计算机技术及网路技术运用来实现整个监测系统的进行，改变了传统工程管理中出现人力、物力的重复投入造成的浪费，在节约成本的同时，也提高了工程管理的水平；可实现对隧道围岩实施全天候、实时连续的监测与预警，广泛适应于公路隧道、铁路隧道、城市地铁隧道以及煤矿巷道中，实现远程监测围岩位移，实现监测数据科学存储、快速处理、及时分享，减少由于围岩大变形产生的塌方灾害，避免施工人员受到生命危险，减少机械设备损毁，提前预防围岩大变形产生的事故；预警装置可识别由服务器发送来的预警信息并发出相应级别的警报，警报的级别由预警装置根据隧道破坏的临近时间和破坏后的损失及危害程度综合判识生成，且由后处理系统根据预警信息的判识及时采取相对措施，加强了隧道围岩的管理，保证了后续工程的安全运营。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：包括自动化数据采集系统、无线远程传输系统、计算机云端、工程项目管理中心、警示装置和后处理系统，所述自动化数据采集系统包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置，在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE 802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，所述自动化数据采集系统与警示装置连接，所述计算机云端包括基站、远程无线运输装置和服务器，所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器，所述工程项目管理中心包括数据分析处理系统、管理中心和报表中心等处理系统，所述计算机云端与自动化数据采集系统无线通信，并通过计算机云端与工程项目管理中心实现数据的共享，所述的警示装置收到所述服务器发来的预警信息后，根据所述预警信息发出相应级别的预警，并根据预警级别判断是否向所述后处理系统发送预防措施信息，所述后处理系统接收所述警示装置发来的预防措施信息并启动相应的预防措施。

2.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述警示装置为指示灯，每个指示灯的发光颜色不同，不同的发光颜色表示不同的预警等级。

3.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述传感器节点具有微处理器和存储器，可对原始数据进行处理，剔除大量无效数据，大大减少需无线传输的数据量。

4.根据权利要求3所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的传感器监测内容包括变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测，所述的变形监测包括水平净空收敛、拱顶位移、土体分层竖向位移、周边地表位移、周边建筑位移、管线变形，所述的内力监测包括支护结构内力、锚杆轴力、围岩压力，裂缝监测包括隧道周边地表裂缝和建筑物裂缝、支护结构裂缝；所述的传感器可以根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备，所述的传感器优选地可选择光纤光栅传感器。

5.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的自动化数据采集系统可以实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理，短距离无线传输和远程控制。

6.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的工程项目管理中心能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化警示装置和系统管理中心等子系统；所述的数据分析处理系统可实现对监测数据的分析和处理，引入智能非线性预测方法，预测监测数据的发展趋势，将分析结果以图形和报表等多种方式输出；智能化警示装置依据设定的预警值，对监测数据进行分析判断，并做出相应的预警指示。

7.根据权利要求1所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的采集器能够将所述的传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往无线发射接收装置，所述的自组网通信模块分别与无线发射接收装置逐一配置，形成一对多点的分布式无线通信网。

8.根据权利要求7所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的分布式无线通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述测点采集器具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。

9.根据权利要求3所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述的传感器节点可以根据施工进展随机布置，节点自动配置管理，形成多级无线网，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。

10.根据以上任一项权利要求所述的一种隧道围岩变形监测系统，其特征在于：所述隧道围岩变形监测方法，具体包括以下步骤：

(1)、在传感器节点既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，且传感器节点中具有微处理器和存储器，传感器节点对收集到的原始数据进行处理，剔除大量的无用数据后；

(2)、将数据通过无线通信方式传输给数据采集装置，所述数据采集装置内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，数据采集装置对接收的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将处理后的数据通过无线通信方式发往短距离无线发射接收装置；

(3)、所述无线发射接收装置与传感器中加装的自组网通信模块通过数据采集装置逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，所述的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述的数据采集装置具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令；

(4)、无线发射接收装置收到数据采集装置发来的数据后通过WCDMA传输给工程项目管理中心，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制；、所述工程项目管理中心通过数据接收服务接口将数据接入平台后供存储、下载及各种后期处理等，实现对隧道的自动化监测。