隧道盾构施工远程监控及反馈分析系统的研究_图文

1、文章编号:1671-2579(200901-0167-04隧道盾构施工远程监控及反馈分析系统的研究项贻强,赵阳(浙江大学,浙江杭州310027摘要:对隧道施工的全过程实施监控是保证盾构正常运行和施工安全的重要手段。该文研究了盾构隧道施工远程监控系统的构建。该系统由自动量测系统和监控信息管理系统构成,具有施工现场实时监控、监测数据远程采集、监控数据访问与查询、数据反馈与地层变形预测等功能。自动量测系统通过实时数据采集平台、数据传输网络和地面监控中心,构建隧道施工量测数据自动采集平台;监控信息管理系统包括系统设置、监控信息管理、预测及反馈分析、信息输出及系统工具等功能模块,实现监控信息的维护、查询

2、及多种形式的信息输出。关键词:盾构施工;远程监控;数据采集;反馈分析收稿日期:2008-06-12作者简介:项贻强,男,教授,博士生导师.E -mail :Xiangyiq 1引言杭州市庆春路过江隧道是钱塘江底的第一条公路隧道,工程起自江北钱江新城CBD (中央商务区,终于江南钱江世纪城,沟通江南、江北两大商业行政中心。本隧道工程近期主线实施长度3060m ,过江段设计采用复合式泥水平衡盾构施工,盾构直径11.93m ,盾构区间长度为1766m 。当前国内外对隧道施工过程进行远程监控研究已取得了一定的成果。张庆贺、朱中隆(2001等研究通过采用数据、图像与声音采集及传输技术,建立了一套盾构法隧

3、道施工的多媒体监控系统,已在上海地铁二号线区间隧道工程中得到了具体的应用;孙钧、胡向东(2002等提出了一种针对盾构隧道施工监控与仿真系统的数据库的建立方法;周文波(2004针对隧道施工企业面临多个工地同时施工、工地分散等因素对工程管理和技术支持带来的困难,提出了盾构隧道信息化施工智能管理系统,包括施工现场和公司总部两部分;周奇才、奚浩兵(2005等建立了基于远程监控技术和现代计算机技术相结合的盾构隧道施工远程监控系统,包括现场数据采集系统和远程分析控制系统两个部分。作为第一条穿越钱塘江的盾构施工隧道,杭州庆春路过江隧道规模大,技术复杂,不确定因素多,加上钱塘江特殊的地质和水文条件,对施工的全

4、过程实施监控是保证盾构正常运行和安全的重要手段。研究和建立隧道施工过程的远程监控系统,对提高施工管理水平,保证结构线形满足设计要求,具有重要的理论价值和工程实践意义。2盾构隧道施工远程监控系统的组成及工作流程盾构隧道施工控制指根据现场采集数据,分析施工过程是否符合设计要求,从而预测技术参数,对下一阶段施工发出正确的指令。在传统的施工监控过程中,施工人员需花费大量时间处理数据,以人工经验的方式指导施工过程,工作强度较大,同时因人工因素造成不必要的施工故障。隧道施工远程监控系统的研制开发,充分利用现有计算机技术和网络技术,可以大幅提高工作效率和监控精度。隧道施工监控工作流程是采集各种物理量和参数并

5、进行测试,将测试结果和预测模型计算结果比较,找到盾构姿态,对计算模型修正、选择,采取一系列修改施工参数的方法,使施工偏差逐步减少直至为零。监控、计算、对比、判断、控制并修正的整个过程如图1所示。从隧道盾构法施工监控工作流程可见,通过测试结果和预测模型计算结果之间的对比分析,对施工误761第29卷第1期2009年2月中外公路 图1隧道盾构法监控系统工作流程图差进行修正。因此,监控系统应包括地形、地物及沉降的检测,盾构内置计算机的开发,地下施工信息的采集与传输。远程监控系统综合集数据和图像的采集、传输、分析和决策于一体,借助通信系统使地面指挥中心与地下盾构控制平台形成统一的整体,以及时进行各类信息

6、的交换,达到由控制盾构施工参数来进一步控制地面沉降的目的。隧道盾构施工远程监控系统包括自动量测系统、监控信息管理系统,它应具备施工现场实时监控、监测数据远程采集、监控数据访问与查询、数据反馈与地层变形预测等功能。具体可分为3个层次:第一层为数据量测与采集系统,将盾构推进的施工参数(如密封舱压力、分组千斤顶的推力、顶进速度等参数、各种支护结构应力、变形传感器的输出信号经预处理后传输至相应的数据采集设备;第二层为数据处理与传输系统,将数据采集设备所采集的数字信号传输至上层处理系统;第三层为远程监控中心,为监控中心的数据处理及数据存储提供了一个网络平台。3盾构法隧道施工自动检测系统3.1数据量测及采

7、集数据量测及采集是自动检测系统的核心,该平台通过实时数据采集平台、数据传输网络和地面监控中心来构建。实时数据包括控制系统模拟量、数字量信息以及报警触发信息。模拟量和数字量信息通过主控制器或者盾构专用的陀螺仪、全站仪等采集。现场数据采集采取前端机方式,分为多媒体数据采集和监控量测数据采集,将信息通过数据传输网络传送给远程监控中心。在远程监控中心端配置安装系统软件的管理服务器(平台、存储服务器(磁盘阵列等来管理、控制所监控区域,并及时取得所需要的信息,通过不同的授权级别实现用户中心及其他用户端的同步监控管理功能;此外,还有日志功能,可以记录系统运行过程中发生的重大事件;状态查询功能,可以查询网络工

8、作状态;查看终端用户连接状态等;系统管理功能,包括:负责管理同所有远端管理主机的连接;具有断线后自动重连功能;支持网络用户权限管理、网络视频前端设备管理、告警信息管理;数字硬盘录像管理;支持网络多用户实时视频浏览、控制和录像检索、回放;与各监控点实现实时语音、视频对讲,对有问题的监控点可以用电子文档进行处理并记录。3.2数据处理与传输系统系统的数据处理利用前置数据采集微机或专用工控机对被测物理量量测结果进行预处理,并按规定的格式整理形成数据文件,通过光纤调制解调器和光缆将经预处理后的数据传输至监控中心的监控室服务器和系统工作站。数据处理功能在结构健康与安全监测系统工作站内完成。数据传输网络依靠

9、两种方式:公用电话网和因特网。将公用电话网作为进入方式,因为公用电话网络属于低速网络,传输速率有限,其优点是电话网络覆盖面较广,监控点几乎可以安装在可以通电话的任何地方,受控点不受限值。因特网作为网络传输媒介在传输速率和带宽上占有优势,但普及程度不及电话网络。3.3远程监控中心该中心是整个系统的控制中心,通过通信接口及介质组成有机的整体,指挥和协调数据,有效监视施工过程中各种状态的变化。通过数据通道,将控制中心发出的指令及相关信息送往施工现场,及时处理、协调各环节工作,达到实时监控的目的。4盾构法隧道施工监控信息管理系统4.1系统开发特点目前用于管理信息系统的数据库有关系、网状、层次模型和面向

10、对象的数据库技术,前三种称为传统数861中外公路第29卷据库,存在一些缺陷:表示和处理复杂实体(如工程对象时显得过于简单,缺乏存储和处理各种复杂对象的能力;数据类型有限,不支持存储和检索长的无结构数据,如图像、语音等;不支持抽象数据类型及用户自定义类型的扩展能力。于是面向对象的数据库系统在传统数据库的缺陷和新应用需求的驱动下发展起来。本研究拟采用SQL server 数据库系统作为后台数据库,它具有数据库管理的基本功能,如数据永久性存储管理、并发控制、故障恢复、交互式查询等;还支持面向对象的数据库模型,具备应用领域所需要的一切特性,如版本管理、长事务、嵌套事务、模式演化等。数据库前端开发工具则

11、采用Visual C 语言,按照C/S 体系结构研制本远程监控系统。4.2系统开发管理决策问题可分为非结构化、半结构化和结构化决策。基于盾构隧道施工过程中确定与不确定因素同时存在,故从管理角度来看,盾构法隧道施工控制属于半结构化决策问题。在盾构法隧道施工远程监控系统开发时,采取生命周期法与原型设计法相结合的方案,开发流程如图2所示,在模块化程序设计的基础上增强了系统的可扩充性和目标易变性,既保证了程序设计的系统化和精确化,又能在系统的维护与评价阶段很方便地进行必要的修改和调整。系统的研制工作分为四个阶段:系统分析、系统设计、系统实施和系统维护与评价。系统分析包括对应用功能的需求分析和对数据的需

12、求分析;系统设计指确立系统结构(功能结构、数据结构并进行功能模块设计、数据库设计;系统实施包括功能的编码实现和数据库的建立, 并完成对系统功能实现的测试和系统性图2系统开发流程图能的测试;随后运行系统,进行日常维护以及对其效果和效率的综合评价。在这个过程中,虽然强调系统可维护性和可扩充性,但是当系统应用功能改变时,必然导致对原系统的修改(包括程序代码、数据需求和数据关系。因此,在开发时应充分考虑系统的构成模式,使监控系统能更加全面完整地保存基础数据,方便数据库的维护和新应用程序的开发,同时能将施工过程预测分析结果及时反馈给施工现场。4.3主要功能模块划分按照盾构法隧道施工控制监控工作流程,该系

13、统主要功能模块包括系统设置模块、监控信息管理模块、信息输出模块及系统工具模块等,详细划分如图3所示 。图3系统功能模块划分9612009年第1期项贻强,等:隧道盾构施工远程监控及反馈分析系统的研究(1系统设置对登录的用户进行密码校验,根据数据库中操作者权限表中对应的值进行操作权限的设置,具体方法是设置菜单的使用权限,使具有权限的菜单可见;并可由系统管理者添加、删除、修改用户的信息。(2监控信息管理该模块能实现监控方的日常事务及所有监控数据的维护与查询,是该系统的核心部分。所有的维护界面均能实现数据录入、插入、删除、修改、存盘、打印功能,可由用户设置显示列、排序条件、过滤条件等;发生错误操作时,

14、系统自动显示错误信息。查询界面能实现模糊查询、确定查询,由用户设置显示列、排序条件、过滤条件、查询条件等。日常事务管理:日常事务包括公文收发记录、会议纪要、隧道建设参建各方对施工控制的监督及协调意见、监控方针对这些外部信息所采取的措施。初始信息管理:指隧道施工的静态数据管理,包括场地工程地质条件(地形地貌、岩土层特征、勘探钻孔柱状数据、隧道纵剖面地层数据、场地水文地质条件(土体渗透性评价、围岩类别及土石等级、工程地质条件(土层物理参数、土层抗剪强度指标、承载力评价、工程设计参数、隧道平曲线及竖曲线参数、盾构参数等。监控资料管理:包括对控制数据和测量数据的维护、查询等,包括施工参数,地面相关构筑

15、物、管线等沉降,隧道成形指标以及相关的隧道参数、地层特征等数据。(3反馈及预测分析盾构机在开挖过程中引起地层变位的因素很多,施工方法、施工状况、地基条件都不尽相同,目前还没有一种计算方法能够考虑所有的影响因素。本反馈及预测模块录入了几种工程中常用的预测方法,如PE K 法、随机理论预测法、灰色理论预测法、人工神经网络预测法、有限元预测法等,用户可根据实际情况选择适当的方法进行预测。(4信息输出本模块对监控信息管理模块中的所有信息,以文字、表格、曲线和三维图像等多种形式输出,并打印或存盘。(5系统工具提供系统的使用方法、出错信息的详细解释和解决办法。本系统拟采用三级菜单结构,主菜单分为文件、系统

16、设置、初始信息维护、监控信息维护、预测及反馈分析、初始信息查询、监控信息查询、工具和帮助等。5结论隧道盾构施工远程监控及反馈分析系统由自动量测系统、监控信息管理系统构成,具备施工现场实时监控、监测数据远程采集、转换及存储、监控数据访问与查询、数据反馈与地层变形预测等功能。自动量测系统通过实时数据采集平台,数据传输网络和地面监控中心,构建隧道施工量测数据自动采集平台,监控信息管理系统包括系统设置、监控信息管理、预测及反馈分析、信息输出及系统工具等功能模块,实现施工监控工作的日常事务管理,如公文收发、管理协调意见等;实现地质参数、隧道参数及盾构参数等静态信息的维护及查询功能;实现地面沉降数据、内部测点沉降数据等动态信息的维护及查询功能;实现监控信息的文字、表格、曲线和三维图像等多种形式输出;实现监测数据的反馈和地层变形的预测功能。参考文献:1张庆贺,朱忠隆,周希圣.盾构法隧道施工多媒体监控与仿真技术J.同济大学学报,2001(6.2孙钧,袁金荣.盾构施工扰动与地层移动及其智能神经网络预测J.岩土工程学报,2001(3