高风险铁路隧道信息化远程实时监控技术.pdf

高风险铁路隧道信息化远程实时监控技术 张俊兴 （中铁十六局集团有限公司 北京 １０００１８） 摘 要 首先介绍了监控量测信息化远程实时监控系统组成及其工作流程；然后以成贵铁路高风险隧道中的老房 子隧道监控量测为依托，系统阐述了信息化远程实时监控系统工作方法以及现场操作步骤，实现了隧道监控量测 信息化基于互联网平台远程实时监控功能，对使用过程中发现一些问题，提出措施及时解决；最后总结了该技术在 实施过程中应注意的事项。 关键词 高风险铁路隧道 监控量测 ＡＰＰ平台 工作流程 现场实施 中图分类号 Ｕ４５６．３；ＴＰ２７７ 文献标识码 Ｂ 文章编号 概述 新建成贵铁路ＣＧＺＱＳＧ-８标段老房子隧道位于 四川省宜宾市兴文县麒麟乡境内，全长６４２３ｍ，起止 里程Ｄ４Ｋ２４８＋３２３～Ｄ４Ｋ２５４＋７４６，按客运专线双线 隧道设计，线间距为４．６ｍ，设计时速为２５０ｋｍ。中 铁十六局承担老房子隧道进口工区正洞及平导施 工，进口工区正洞位于半径Ｒ＝７０００ｍ的右偏曲线 上，线路坡度为２０‰上坡，起止里程Ｄ４Ｋ２４８＋３２３ ～Ｄ４Ｋ２５２＋４６５，全长４１４２ｍ。隧道于Ｄ４Ｋ２４８＋ ３１７～Ｄ４Ｋ２５２＋０２５段线路前进方向右侧３５ｍ设置 平导１座，长３６９６ｍ，平导内共设９个横通道与主 洞相连。 隧道主要穿越地层岩性为砂岩、泥岩、泥质砂 岩夹炭质页岩和煤层及灰岩、白云岩和页岩，为高 瓦斯隧道，隧道初始风险等级评定为“高度”。该隧 道是成贵铁路高风险隧道之一，不良地质主要有岩 溶、围岩变形、有毒有害气体、岩堆和顺层、断层破 碎带及危岩落石。 成贵铁路大部分隧道设计为双线宽体隧道，横 向跨度较大，若采用传统的接触量测方法对隧道进 行净空收敛和拱顶下沉的监测，不仅效率低而且精 度差，有时甚至无法实现。因此，成贵铁路客专公 司要求全线隧道监控量测必须使用信息化远程监 控新技术，这是基于全站仪自由测站［１］及互联网平 台的非接触量测方法即实现信息化远程实时监控 技术［２］。 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０３） ６１ ·隧道／地下工程· ２ 远程实时监控系统简介 ２．１ 系统组成 （１）基础数据采集系统：测量人员、全站仪、断 面观测点、测量数据存储。 （２）数据信息传输系统：手持传输设备或智能 手机、施工检测信息管理平台ＡＰＰ。 （３）数据信息统计及分析系统：网络、施工检测 信息管理平台ＡＰＰ、电脑或智能手机。 （４）客户端数据查询及报警系统：数据库服务 器、施工检测信息管理平台ＡＰＰ、电脑或智能手机。 ２．２ 手机ＡＰＰ应用程序主要功能简介 （１）下载信息模块：从服务器将电脑客户端所 建立断面基本信息，更新到手机ＡＰＰ里。 （２）监控量测模块：同步显示全站仪现场测量 全过程，确认数据无误后，保存数据。 （３）上传数据模块：将保存的观测数据上传至 服务器，服务器开始处理数据。 （４）今日预警模块：查询本标段所有隧道今天 观测点预警统计。 （５）条件查询功能：分为量测断面数据查询和 预警查询。 （６）特别关注模块：设置重点关注的隧道量测 断面，是对条件查询功能的一个细化，不必每次都 要按条件查询每一个断面，更快捷方便。 ２．３ 系统优点 （１）确保测量数据的真实性。 （２）快速测量、快速反馈量测结果，快速报警。 （３）自动化程度较高，信息直观化。 （４）专业技术人员、项目部管理人员、业主单位 和监理单位都能随时随地掌握隧道围岩变形情况， 隧道施工的整体安全系数得到显著提高。 ２．４ 实施方案 在隧道净空收敛和拱顶下沉量测中，测点采用 膜片式回复反射器作为测点靶标，靶标粘附在预埋 件上，将预埋件埋入隧道围岩，并使贴有反射膜片 的一面朝向隧道出口，使其面向隧道中线；将全站 仪置于隧道中线附近适当位置，采用极坐标测量 法，直接对不同断面上的各监测点标志进行观测， 精确照准反射膜片和接收到反射信号，获取各监测 点在任意站心坐标系下的空间三维坐标［３］；通过设 备传输系统上传到互联网平台，即隧道施工监测信 息管理平台系统自动进行数据分析［４］，即利用各监 测点的空间三维坐标，间接计算得到同一断面上各 监测点间的相对位置关系，并通过比较不同监测周 期相同监测点间的相对位置关系的差异，来真实反 映隧道施工期间的围岩净空收敛及拱顶下沉变化 量，并发布预警信息，该系统通过用户终端进行查 询，并有短信报警功能［５］。 ２．５ 工作流程及内容 ２．５．１ 工作流程（见图１） 图１ 信息化工作流程 ２．５．２ 工作流程说明 （１）在电脑客户端增加断面工程树，并上传到 云端服务器。 （２）通过蓝牙将手机与全站仪连接，并观测断 面，确认数据无误后上传至服务器。 （３）在电脑或手机上登录隧道施工检测信息管 理平台可以进行数据查询，平台自动比对进行分 析，提供短信预警信息。 （４）将服务器中的断面信息下载至手机当中， 以便使用。 （５）无预警则正常施工，并继续观测。 ６２ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０３） ·隧道／地下工程· （６）出现红黄色预警时，按级别采取处理措施。 安全等级及处理措施见表１。 表１ 监控量测信息安全等级及处理措施 安全等级处理措施处理权限和时效 正常（绿色）正常施工 预警二级 （黄色） 加强监测，必要时采取网 喷混凝土等措施进行补强 由工区技术负责人或工 区经理以上人员组织在 ３ｈ内启动消除预警程序 预警一级 （红色） 暂停施工，增设横、竖支撑 进行抢险，后续施工时，应 加强支护，调整施工工法 由项目总工或项目经理 组织在２ｈ内启动消除预 警程序 ３ 信息化监控技术现场应用 ３．１ 资源配备 ３．１．１ 人员配备 项目部成立监控量测小组，项目总工任组长， 测量队队长和工程部部长任副组长，专职测量员 ３人。 ３．１．２ 仪器配备 老房子隧道为高瓦斯隧道。仪器的配备严格 按照《铁路瓦斯隧道技术规范》［６］和监理工程师审 批后的施工组织设计［７］中监控量测方案进行配 备［８］。仪器配置见表２。 表２ 仪器配置 序号设备名称规格型号数量用途 １ 防爆型全站仪莱卡ＴＳ１５ １ 数据采集 ２ 防爆手机智能２ 数据上传 ３ 防爆手电３ 照明 ４ 车辆猎豹１ 交通工具 ３．２ 老房子隧道监控量测 ３．２．１ 监控量测断面选择 老房子隧道Ｄ４Ｋ２４９＋４４０～Ｄ４Ｋ２４９＋９００为 Ⅳ级围岩，深埋，岩性以砂岩地层含煤层为主，岩层 平缓，其浸水易软化，岩性软，施工开挖洞顶易发生 坍塌，采用三台阶法施工，选择Ｄ４Ｋ２４９＋６１０为代 表性监控量测断面［９］。 （１）埋设时间选择：开挖完成后，初期支护施工 前在同一断面埋设拱顶和拱腰量测点。 （２）测点埋设：采用２２螺纹钢，一端用切割机 削成斜面，贴上反光膜，另一端埋入围岩深度４０～ ４５ｃｍ。 （３）初始观测时间：测点埋设完成后立即进行 初始观测，然后按量测规范要求频次进行观测。 ３．２．２ 断面信息建立 （１）成贵铁路隧道施工监测信息管理平台是中 铁西南科学研究院在前期开发的隧道施工监测信 息管理软件基础上升级的Ｖ３．０版。主要功能有数 据分析、预警信息查询、预警信息处理、预警短信发 布等。 （２）登录成贵铁路隧道施工监测信息管理平 台，在已经建成全线隧道名称中找到老房子隧道， 建立观测断面信息，并按围岩级别设置量测变形极 限值，完善断面其余信息（监测人，建立断面时间信 息等）。 （３）手机通过扫描二维码安装成贵铁路隧道施 工监测信息管理平台ＡＰＰ。 ３．２．３ 量测数据上传及分析 （１）将全站仪蓝牙和手机蓝牙匹配后，通过全 站仪免棱镜观测的方式取得数据，在手机ＡＰＰ上查 看无误后，上传观测记录到云端服务器，服务器自 行分析对比数据，反馈量测结果到软件终端。 （２）断面统计信息由软件自动生成，最近观测 时间、本次差值、累计差值一目了然，方便断面管理 工作［１０］。 （３）断面量测信息分析见图２和图３。 图２ 量测数据统计信息 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ６（０３） ６３ ·隧道／地下工程· 图３ 量测信息分析 通过断面分析曲线图，我们可以看出： ①断面初始量测，沉降量直线下降； ②下台阶施工后有小幅抬升，虽又开始下沉， 但已经趋于缓和，在沉降趋势线附近浮动； ③仰拱施工时又有一个幅度较大的沉降，施工 完成后小幅抬升，总体结果是呈稳定趋势［１１］。 这个断面在观测期间由于观测时间较长，累计 沉降量超过了累计限差的１／３，出现了一次黄色预 警，我们收到预警信息后，立即加强了观测频率，在 明确数据的沉降速率是稳定可靠的情况后，及时上 传新测的数据，系统根据后期数据判断稳定后自动 取消了预警［１２］。 ３．２．４ 数据查询、分析及处理 （１）手机客户端信息查询。只要手机有网络， 相关责任人就可以通过手机客户端实时了解老房 子隧道监控量测数据的变化。 （２）客户端预警并短信报警。如果出现预警信 息，云端服务器会立即推送预警信息，给相关单位 负责人和专业人员发送预警短信，不需人为介入， 减少中间不必要的繁琐，更加快捷、科学。 （３）预警信息处理。根据预警安全等级采取相 应的处理措施，并按各级别处理权限在规定时效内 完成。 ３．２．５ 发现问题及处理措施 实际操作过程中，总会伴随着一些小问题产 生，我们在现场量测过程中及时采取措施进行处理。 （１）点位污染问题的解决。按照监控量测实施 细则要求埋入围岩的量测桩外端应为钢筋的斜切 面，但在实际操作过程中发现，点位总是被喷锚料 或放炮炸飞泥浆污染，不利于点位保护。因此对量 测桩做了改进，在钢筋的外端焊接一小块角钢，一 端贴反光膜，一端朝外防止点位被污染。 （２）假预警的处理方法。截止目前，产生假预 警的情况均为错误数据导致，分两种情况： ①初始测量数据上传了错误数据，或者是手机 客户端数据归零时出错，需要填写“预警处理申请 表”，按照表格要求填写好相关资料后发给建设单 位主管负责人，他们审批后，量测处理平台的专业 工程师按批示意见进行处理，取消预警。 ②由于本次上传数据错误所导致的假预警，现 场再测一次正确的数据传上去，这个假预警就会自 动取消，不用处理。 （３）观测断面建立时间问题。项目部网络较 差，刚开始提前建立很多断面，实际量测进度滞后， 在终端查询时显示很多断面没有数据，误认为测点 埋设后没有及时测量。处理措施：少量设置观测断 面，但要注意在设置后，一定填上预测时间，批量建 立断面不要超过５个，因为手机下载后断面太多容 易误选断面。 ３．２．６ 注意事项 （１）观测时间选择在拼装钢架或出碴后１ｈ进 行，观测期间停止干扰观测的施工工序。 （２）仪器进入洞内后开箱适应洞内温度２０ｍｉｎ， 修正温度和气象参数。检查全站仪与手机的蓝牙 连接是否正常。 （３）用激光指向监控标志，观测时用防爆型强 光电筒对监控标志进行照明，以利于仪器精确照准 反射膜片的十字中心。 （４）数据采集上传前必须进行数据复核，准确 无误后上传，避免出现假性预警。现场量测至上传 网络服务器时间不得超过３ｈ。 （５）当量测点位被施工干扰破坏后，应尽早归 零断面数据，确认正常后重新开始量测。 （６）建立数据换手复核审查制度，保证量测小 组测量数据的准确性和真实性。 （下转第９１页） ６４ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（０３） ·桥涵工程· 为确保合龙锁定时能够在最短时间完成锁定， 可多名电焊工先交替焊接完合龙撑架一端，符合要 求后安排尽可能多的焊工进行焊接锁定工作［１３］。 （２）模板钢筋的施工 模板施工采用吊模，纵向２５钢筋的连接采用 单面帮条焊接，其余钢筋的连接采用绑扎连接。 （３）砼浇筑 砼的浇筑时间选择一天中最低温度进行浇筑， 浇筑过程中按照浇筑数量卸载压重。砼浇筑完成 后，进行覆盖保温养生。 （４）纵向预应力张拉及压浆 在合龙段砼达到要求后开始预应力施工。张 拉按照设计给定顺序进行，要求上下游对称施工。 ３ 结束语 南淝河大桥４４ｍ宽悬臂施工的主梁，采用钢绞 线斜拉索复合型前支点挂篮工艺施工，工艺合理， 可靠、安全、操作性强。悬臂施工９～１０ｄ一个循 环，为工期提供了有效保障，并为下方通航限制条 件和更宽主梁悬臂施工提供较大的借鉴意义。 参考文献 ［１］ 孙长军．汪孝龙，文庆辉．环氧涂层钢绞线拉索在斜拉 桥中的应用［Ｊ］．施工技术，２００４（７）：６３－６５． ［２］ 朱伟．大跨度部分斜拉桥上部结构施工技术［Ｊ］．铁道 建筑技术，２００８（３）：２３－２４． ［３］ 周孟波．斜拉桥手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社， ２００４：１９７－１９８． ［４］ 中铁大桥工程局．斜拉桥预应力混凝土短平台复合型 牵索挂篮工法［Ｊ］．施工技术，２００１（７）：４０． ［５］ 欧阳斌．斜拉桥前支点挂篮施工技术分析［Ｊ］．黑龙 江交通科技，２０１３（５）：１３６． ［６］ 郑彬．浅议斜拉桥前支点挂篮系统设计优化［Ｊ］．中国 科技博览，２０１２（２６）：２５． ［７］ 孟为宗，江仲明．六安市淠史杭大桥前支点挂篮悬浇 技术［Ｊ］．安徽建筑，２０１０（５）：１０３－１０４． ［８］ 陈科，刘鏪．姚东大桥悬浇前支点挂篮施工技术［Ｊ］． 西部交通科技，２００９（６）：７４－７５． ［９］ 吴号．预应力混凝土斜拉桥主梁牵索式前支点挂篮施 工技术［Ｊ］．交通世界，２０１１（７）：２１２－２１３． ［１０］陈庆伟．瑞安大桥超宽挂篮施工技术研究［Ｄ］．合肥： 合肥工业大学，２０１１：９－１２． ［１１］金亚彬，卜东平．斜拉桥主粱悬臂段前支点挂篮施工 技术研究［Ｊ］．北方交通，２０１０（１０）：２８－３０． ［１２］胡绍平．前索挂篮悬浇筑施工技术分析［Ｊ］．建筑建材 装饰，２０１４（２）：５６－５７． ［１３］李向海．南平闽江大桥斜拉桥挂篮设计与施工技术 ［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１１（１０）： 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 ４２－４３． （上接第６４页） ４ 结束语 隧道施工监控量测信息化系统实现了集“现场 数据采集、自动分析处理、及时预警、远程监控”等 功能于一体，满足监管人员和监测人员不同工作需 求。监控量测信息化将隧道施工变形监测转化为 一个相对智能化、标准化、实时化的流程系统，为将 来隧道信息化施工必不可少的重要内容。 参考文献 ［１］ 邓川，刘成龙，卢杰，等．基于自由测站的隧道围岩收 敛非接触监测的新方法研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１０ （１２）：３０－３３． ［２］ 李安杰．浅埋偏压铁路隧道信息化监测施工技术［Ｊ］． 铁道建筑技术，２０１４（Ｓ１）：２０８－２１１，２３０． ［３］ 武胜林，邓洪亮，陈凯江，等．隧道三维信息化监测技 术与工程应用［Ｊ］．测绘通报，２０１３（８）：２５－２７． ［４］ 王建宇．隧道工程监测和信息化设计原理［Ｍ］．北京： 中国铁道出版社，１９９０：１－４． ［５］ 武胜林，邓洪亮，陈凯江，等．隧道监控量测自动预警 管理系统及其应用［Ｊ］．测绘通报，２０１３（６）：６８－７０． ［６］ 中华人民共和国铁道部．铁路瓦斯隧道技术规范［Ｓ］． 北京：中国铁道出版社，２００２：１３－１４． ［７］ 中华人民共和国铁道部．铁路工程施工组织设计指南 ［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１０：３４－４５． ［８］ 雷升祥．瓦斯隧道施工技术与管理［Ｍ］．长春：吉林人 民出版社，２０１０：３６－３８． ［９］ 中华人民共和国铁道部．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： ８－９． ［１０］李长青．隧道监测数据信息化技术及应用研究［Ｊ］．测 绘通报，２０１５（６）：７５－７８． ［１１］中华人民共和国铁道部．高速铁路隧道工程施工质量 验收标准［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２０１０：６７－６８． ［１２］中华人民共和国铁道部．ＴＺ２０４－２００８ 铁路隧道工程施 工技术指南［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００８：４０－４２．