王亞瓊，黃憶霖，王開運(yùn)，李俊鋒，賴金星

(1.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，云南 昆明 650214)

基于無線傳感的物聯(lián)網(wǎng)在隧道施工監(jiān)測中的應(yīng)用

王亞瓊1，黃憶霖2，王開運(yùn)2，李俊鋒3，賴金星1

(1.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，云南 昆明 650214)

隧道工程所處地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工中易發(fā)生各類工程事故，嚴(yán)重威脅施工與運(yùn)營期間人員生命與財產(chǎn)安全。加強(qiáng)施工期間的監(jiān)控量測，對保證隧道工程能否安全經(jīng)濟(jì)的完成具有重要的意義。為研究隧道施工過程中監(jiān)控量測所面臨的頻率不足、費(fèi)時費(fèi)工等問題，采用物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論與技術(shù)，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與隧道施工之間的契合度關(guān)系，利用現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系所擁有的全面感知，可靠傳輸與智能輔助技術(shù)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)，并成功應(yīng)用于大寶山隧道工程?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)能夠?qū)λ淼拦こ痰脑O(shè)計與施工提供足夠的信息指導(dǎo)與反饋，與隧道施工區(qū)作業(yè)安全與質(zhì)量管理契合度較高，充分實(shí)現(xiàn)施工過程智能化、信息化，起到科學(xué)有效的監(jiān)控和預(yù)警作用，并且降低了整個工程的工程造價，具有一定的工程價值。

隧道工程；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器網(wǎng)絡(luò)；隧道施工；隧道監(jiān)控量測；圍巖壓力

0 引 言

隧道工程的隱蔽性是隧道設(shè)計施工與其他地面工程有較大差異的主要因素，由于周圍地質(zhì)條件和圍巖性狀的復(fù)雜多變，造成地質(zhì)條件和巖體性質(zhì)難以全面掌握，力學(xué)參數(shù)難以確定，給設(shè)計施工帶來了極大的盲目性。加上隧道修筑區(qū)域周邊地質(zhì)巖體環(huán)境復(fù)雜，以及施工方對質(zhì)量安全的把控不過關(guān)，為追求工期和效益盲目施工，導(dǎo)致施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌方、冒頂、突水、涌泥等工程事故，引發(fā)生態(tài)環(huán)境災(zāi)害，輕則影響進(jìn)度、增加費(fèi)用，重則造成人員傷亡。為保證設(shè)計與施工的可靠性，必須強(qiáng)化施工期間的監(jiān)控量測工作，對開挖面進(jìn)行地質(zhì)觀察和預(yù)報，對圍巖的力學(xué)性能進(jìn)行動態(tài)評價，進(jìn)而對施工方法、斷面開挖步驟、初支的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整，做到信息化施工，保證圍巖穩(wěn)定、支護(hù)經(jīng)濟(jì)、施工質(zhì)量過關(guān)。由于目前大部分隧道工程的監(jiān)控量測還處于人工監(jiān)測階段，導(dǎo)致監(jiān)測頻率與精度很難滿足要求，不能及時反映施工中出現(xiàn)的問題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，其特點(diǎn)與施工安全監(jiān)測、質(zhì)量管理的高契合度，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在公路交通領(lǐng)域得到大范圍的應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著RFID技術(shù)、傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程通信技術(shù)等物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的逐步成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始在工程監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮作用。在國際上，日本Masao Yamada等人利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)出遠(yuǎn)程自動化監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于滑坡各種模式的監(jiān)測[1]；瑞士 Solexperts公司開發(fā)的GeoMomtor自動監(jiān)測系統(tǒng)也引入了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，可以滿足不同工程的需求[2]；加拿大新步倫瑞克大學(xué)的DIMONS預(yù)警系統(tǒng)已成功應(yīng)用到加州鉆石湖監(jiān)測中[3]；瑞士徠卡公司的GeoMoS系統(tǒng)可連接不同型號的測量機(jī)器人和傳感器，在安全監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可[4-5]。國內(nèi)對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究起步較晚，韓暉研究了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道監(jiān)測體系的軟硬件實(shí)施以及隧道內(nèi)應(yīng)急指揮系統(tǒng)的分析與設(shè)計[6]；謝雄耀等基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，對其在地鐵監(jiān)測中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析和總結(jié)[7]；李白萍等分析煤礦油田等危險環(huán)境特點(diǎn)，提出了1種適用于煤礦、油田等危險環(huán)境監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)，并分析了該體系結(jié)構(gòu)在危險環(huán)境監(jiān)控中的優(yōu)勢[8]。張國柱等研發(fā)了適用于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面健康監(jiān)測的組裝式無線傳感器，并以倫敦某地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測案例進(jìn)行了介紹[9]。

受到地質(zhì)條件限制和技術(shù)方面等因素的限制，目前國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍更多的是應(yīng)用在智能交通方面，在工程監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用較少；物聯(lián)網(wǎng)在隧道工程的應(yīng)用上，以人員定位與智能管理為主，在隧道施工監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用仍有待發(fā)展。文中根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理與組成結(jié)構(gòu)，分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與隧道施工監(jiān)控量測工作的契合情況，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道施工監(jiān)控量測體系，將其應(yīng)用在實(shí)際工程中并對基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)對施工的指導(dǎo)和反饋?zhàn)饔眠M(jìn)行了評價。結(jié)果表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的隧道施工監(jiān)控量測體系能夠在實(shí)際工程中為設(shè)計與施工方提供實(shí)時準(zhǔn)確的信息，從而確保工程進(jìn)度與安全的要求。

1 隧道物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的構(gòu)成要素

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過條形二維碼、射頻識別技術(shù)(RFID)、傳感器技術(shù)設(shè)備以及全球定位系統(tǒng)和無線傳輸技術(shù)，將各種實(shí)體與互聯(lián)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)相連，廣泛獲取各類信息，從而實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、監(jiān)控等綜合智能化的1種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人與人，物與物之間的很好交流[10]。

從結(jié)構(gòu)上來說，可以分為感知層，傳輸層和智能處理層3個層次，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)層次示意圖Fig.1 Structure level of Internet of things technology

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的底層，包括有射頻識別技術(shù)(RFID)、遙測遙感技術(shù)(RS)以及傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳輸層包括互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等；智能處理層是指物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用技術(shù)，包括云計算、數(shù)據(jù)處理和融合技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)、通信技術(shù)等。

1.2 隧道物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 感知層關(guān)鍵技術(shù)

在物聯(lián)網(wǎng)的感知層中，起著關(guān)鍵作用的主要有傳感器技術(shù)和射頻識別技術(shù)：傳感器通俗的說就是將其他物理信息(如壓力、速度、濕度、位移、變形等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號或其他所需形式的信息并對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出、處理、存儲、顯示和控制的裝置。射頻識別技術(shù)(RFID)是1種非接觸式自動識別技術(shù)，通過射頻信號能夠自動識別對象來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，不需要人工干預(yù)，是條形碼的無線版本。

1.2.2 傳輸層關(guān)鍵技術(shù)

電磁波信號可以在空間中自由傳播而不借助介質(zhì)，利用這一特性進(jìn)行信息接收或發(fā)送的傳輸方式即為無線傳輸[11]。其主要包括：Wi-Fi技術(shù)、Zigbee技術(shù)、第三代移動通信技術(shù)(3 G技術(shù))。

1.2.3 計算機(jī)視覺技術(shù)

計算機(jī)視覺技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)在智能處理層的關(guān)鍵技術(shù)。利用計算機(jī)來完成生物的視覺功能，用成像系統(tǒng)代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機(jī)來代替大腦完成處理和解釋，通過對采集的圖片或視頻進(jìn)行處理以獲得相應(yīng)場景的三維信息。計算機(jī)視覺技術(shù)包括圖像處理技術(shù)，模式識別技術(shù)與圖像理解技術(shù)[12]。

2 隧道物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案設(shè)計

2.1 工程概況

待(補(bǔ))功(山)高速公路起點(diǎn)位于云南省會澤縣待補(bǔ)鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于尋甸回族彝族自治縣功山鎮(zhèn)，為G85渝昆高速的一部分。大寶山隧道作為待功高速公路的關(guān)鍵性控制工程，屬于分離式雙洞隧道，左線起訖樁號為ZK45+790～ZK47+645，長1 855 m；右線起訖樁號為YK45+810～YK47+655，長1 845 m．研究主要以ZK47+487斷面為監(jiān)測斷面，安裝時間為2013-11-19.該斷面處圍巖等級為V級，為玄武巖與灰?guī)r接觸帶，玄武巖風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，泥化明顯；圍巖噴層設(shè)計厚度25 cm，鋼架設(shè)計間距80 cm，二襯設(shè)計厚度50 cm.

大寶山隧道在施工階段的監(jiān)控量測項(xiàng)目中，以下幾個項(xiàng)目的測量工作能夠與物聯(lián)網(wǎng)較好的結(jié)合：①錨桿軸力與圍巖內(nèi)部位移；②圍巖與初支之間接觸壓力；③鋼支撐內(nèi)力；④二襯混凝土內(nèi)力等項(xiàng)目。

2.2 隧道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)中，測量項(xiàng)目的觀察和數(shù)據(jù)測量都是靠人工量測和紙質(zhì)記錄，需在施工期和運(yùn)營期期間，耗費(fèi)大量人力物力進(jìn)行實(shí)時量測，經(jīng)濟(jì)性和安全性都較低[13]。而利用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行施工監(jiān)測，克服了以往人工測量頻率不足，費(fèi)時費(fèi)工的缺點(diǎn)，提供準(zhǔn)確及時的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化情況，以便更好的修正施工參數(shù)和施工工藝，為動態(tài)施工提供了技術(shù)支持。同時監(jiān)控結(jié)果為判定圍巖穩(wěn)定性，以及初支、二襯的可靠性提供信息，為施工中調(diào)整圍巖的級別、支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的修改、提供二襯的合理施作時間以及施工方法的變更提供依據(jù)[14]。

2.2.1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本理論中對于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的定義，監(jiān)控量測所需設(shè)備在功能上可以分別與物聯(lián)網(wǎng)的這3個結(jié)構(gòu)層次相對應(yīng)。以待功高速公路大寶山隧道基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控量測系統(tǒng)為例，該監(jiān)控量測系統(tǒng)所需設(shè)備主要有：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、傳輸網(wǎng)絡(luò)、終端設(shè)備與軟件。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本理論中對于感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的定義，監(jiān)控量測所需設(shè)備在功能上分別與物聯(lián)網(wǎng)的3個結(jié)構(gòu)層次相對應(yīng)。

1)傳感器。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的重要組成與基礎(chǔ)設(shè)備，是監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)。從物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系上來說，屬于物聯(lián)網(wǎng)感知層的對應(yīng)設(shè)備，在整個監(jiān)測系統(tǒng)中起著感應(yīng)被測量物體物理力學(xué)性質(zhì)變化，并記錄變化情況數(shù)據(jù)的功能。本次研究使用的傳感器主要包括振弦式鋼筋應(yīng)力計、振弦式表面應(yīng)變計、振弦式混凝土應(yīng)變計、振弦式土壓力計等。

2)采集器。隧道監(jiān)測系統(tǒng)中的采集器起著采集、保存、處理和傳輸傳感器所收集到的數(shù)據(jù)的任務(wù)，從物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系上來說，屬于物聯(lián)網(wǎng)中包含感知層和傳輸層的對應(yīng)設(shè)備。

根據(jù)研究需求，選擇MCU-32型分布式模塊化自動測量單元自動采集各類傳感器數(shù)據(jù)的采集器，該型號采集器能夠自動采集各傳感器的數(shù)據(jù)，具有較高的測量精度，可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性，靈活的數(shù)據(jù)采集方式；較好的對現(xiàn)場適應(yīng)能力以及防水、防雷、抗干擾；具備多種數(shù)據(jù)傳輸方式，支持有線與無線數(shù)據(jù)傳遞。綜合考慮信息收集能力、傳輸多樣性與抗干擾性，如圖2所示。

圖2 MCU-32型分布式模塊化自動測量單元Fig.2 MCU-32 distributed modular automatic measurement unit

每臺MCU-32型分布式模塊化自動測量單元包括測量模塊﹑主控與通訊模塊，電源模塊，接線端口模塊等4個模塊，將這4個模塊組合到一起即可工作，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 MCU-32型分布式模塊化自動測量單元主要技術(shù)指標(biāo)

MCU-32型分布式模塊化自動測量單元具有如下基本特點(diǎn)：①開放式結(jié)構(gòu)，測量精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)；②每臺MCU-32為模塊化組合，修理維護(hù)方便；③MCU-32無需另配避雷器，具有完善的防雷功能；④具有完備的系統(tǒng)自檢功能；⑤有多種數(shù)據(jù)傳輸方式：RS485傳輸、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸、光纜傳輸、GPRS/CDMA傳輸?shù)龋虎薮尜A數(shù)據(jù)可通過串口傳輸，也可以使用U盤拷貝至計算機(jī)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移靈活。

3)傳輸網(wǎng)絡(luò)。隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系上來說，屬于物聯(lián)網(wǎng)中傳輸層的對應(yīng)設(shè)備。

傳輸網(wǎng)絡(luò)需支持較為靈活的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)移方式，可以借助MCU-32的主控與通訊模塊以及接線端口來完成，該采集器有線傳輸方式有RS485傳輸、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸、光纜傳輸，無線傳輸方式有無線數(shù)傳電臺傳輸、GPRS/CDMA傳輸?shù)?。在?shù)據(jù)轉(zhuǎn)移方式上，可通過串口傳輸，也可以使用U盤拷貝。

4)終端設(shè)備。終端設(shè)備是數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)分析處理軟件運(yùn)行的設(shè)備，主要完成對采集器傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接受、儲存、分析和處理，從物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系上來說，屬于物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用層的對應(yīng)設(shè)備。隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層的對應(yīng)關(guān)系可以用如圖3所示。

圖3 隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding relationship between monitoring system equipment in tunnel construction and structure level of internet of things

2.2.2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件方案

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件方案可分為2個部分。

1)采集器控制程序，能夠管理每個監(jiān)測斷面的數(shù)據(jù)傳輸，以及每個傳感器數(shù)據(jù)的采集；

2)監(jiān)測分析程序，可以與采集器的控制軟件進(jìn)行對接，分析并且處理由采集器采集到的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，還可根據(jù)數(shù)據(jù)，繪制位移-時間曲線，形成數(shù)據(jù)圖表與分析報告，更直觀的顯示隧道結(jié)構(gòu)變化情況。

3 隧道物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 監(jiān)測方案

以圍巖與初支之間的接觸壓力為例，說明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道監(jiān)控量測中的具體應(yīng)用。監(jiān)控方法為在圍巖與支護(hù)之間埋設(shè)各種壓力盒等傳感器，結(jié)合MCU32采集器，監(jiān)控頻率見表2[15-16]。主要技術(shù)要點(diǎn)如下

1)每斷面布置5個測點(diǎn)，布置如圖4，壓力盒邊上的數(shù)字為壓力盒編號；

2)傳感器布設(shè)于圍巖與初襯交界面用于圍巖壓力量測；

3)埋設(shè)前應(yīng)記錄壓力盒傳感器初始頻率，編號傳感器，并標(biāo)記對應(yīng)接頭，埋設(shè)時注意導(dǎo)線保護(hù)；

4)將壓力盒接入MCU32采集器，根據(jù)標(biāo)定系數(shù)，將頻率換算成相應(yīng)的接觸應(yīng)力。

表2 壓力測試頻率表

圖4 斷面測點(diǎn)的布置形式Fig.4 Arrangement of measurement point of section

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)成果

在大寶山隧道左洞掌子面K47+487處，為動態(tài)掌握圍巖壓力變化情況，從而對施工的順利進(jìn)行提供有效的數(shù)據(jù)和信息，在掌子面開挖后及時安裝壓力盒，對接觸壓力進(jìn)行監(jiān)控量測，獲取圍巖壓力沿時間變化的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行了初步的分析。監(jiān)控量測頻率依照前文表2執(zhí)行，圍巖壓力沿時間變化曲線如圖5，圖6所示。

圖5 大寶山隧道左洞K47+487接觸壓力-時間曲線Fig.5 Contact pressure-time curve of Dabaoshan left tunnel at K47+487 section

圖6 大寶山隧道左洞K47+487接觸壓力-時間曲線Fig.6 Contact pressure-time curve of Dabaoshan left tunnel at K47+487 section

3.3 監(jiān)控量測結(jié)果分析

1) 從圖5，圖6可以看出，在施作初支噴射混凝土后，由于混凝土尚未固結(jié)，噴射混凝土層能適應(yīng)圍巖的變形而隨之變形，所以隧道內(nèi)監(jiān)控量測斷面上圍巖與初支之間的接觸壓力均為零。當(dāng)噴射混凝土層固結(jié)形成有效強(qiáng)度之后，噴層將阻止圍巖的進(jìn)一步變形，而圍巖仍處于應(yīng)力釋放階段，從而在噴層與圍巖之間產(chǎn)生應(yīng)力，隨著時間的推移，各監(jiān)測點(diǎn)處噴層的應(yīng)力逐步增大，隨后變形趨于穩(wěn)定。

2) 從隧道量測斷面內(nèi)不同部位圍巖的穩(wěn)定程度來看，根據(jù)各個部位測出的圍巖與噴層之間的接觸壓力-時間統(tǒng)計表與統(tǒng)計圖，大寶山隧道左洞右拱腰處圍巖與噴層之間的接觸壓力最小，所受應(yīng)力最小，在整個變化過程中應(yīng)力均小于10 kPa，是斷面內(nèi)最穩(wěn)定的部位；左拱腰圍巖與噴層間的接觸壓力在前6 d上升較快，在第6 d達(dá)到峰值應(yīng)力148.9 kPa后開始回落，并穩(wěn)定在80～90 kPa之間；左邊墻在開挖初期接觸壓力上升較快，在開挖第7 d之后上升速度有所回落，在開挖第16 d后達(dá)到峰值壓力55 kPa，隨后在第16 d(2周左右)時，接觸壓力開始下降并趨于平穩(wěn)；右邊墻變化情況類似于左邊墻，開挖1周之內(nèi)接觸壓力隨時間增加較快，之后增加較慢，在第55 d(2個月左右)時不再增加，轉(zhuǎn)為小幅度減小并趨于穩(wěn)定；拱頂圍巖與噴層之間的接觸壓力最大，所受應(yīng)力最大，開挖16 d(2周左右)時達(dá)到峰值應(yīng)力544.6 kPa，之后接觸壓力開始減小，但數(shù)值仍舊較大，且變形趨于穩(wěn)定所花費(fèi)時間較長，在開挖90 d(3個月)后才逐漸趨于穩(wěn)定。

3)根據(jù)接觸壓力-時間統(tǒng)計圖所反映的結(jié)果，可大致將開挖后圍巖與噴層之間的接觸壓力分為3個階段：第一階段為剛開挖(0 d)到開挖后1～2周時間內(nèi)，這一階段應(yīng)力釋放較快，圍巖與噴層之間的接觸壓力上升迅速；第二階段為開挖后1～2周至開挖后1個月，這一階段圍巖與噴層之間的接觸壓力仍舊處于上升階段，但上升速度明顯小于第一階段，有部分測點(diǎn)圍巖與噴層之間的接觸壓力已無較大幅度的變化，處于慢速增長或平穩(wěn)階段；第三階段為開挖后1個月之后，此時圍巖與噴層之間的接觸壓力開始趨于穩(wěn)定，無較大變化，可以認(rèn)為圍巖已處于穩(wěn)定狀態(tài)。將隧道各監(jiān)測點(diǎn)的變形情況進(jìn)行匯總，見表3.

表3 大寶山隧道監(jiān)測斷面各監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力變化

3.4 對施工的指導(dǎo)作用

1)根據(jù)接觸壓力-時間統(tǒng)計圖所反映的結(jié)果，大寶山隧道左洞拱頂處接觸壓力明顯高于隧道掌子面其余部位，且拱頂存在拉應(yīng)力區(qū)，容易產(chǎn)生松弛，掉塊，落石等局部破壞，且拱頂處噴射混凝土層在施作時，經(jīng)常由于施工工藝與施工工期等原因，造成噴層厚度不夠，或噴層混凝土未與圍巖緊密接觸，造成噴層后有較大空洞，均會影響施工進(jìn)度，危及施工人員安全。因此在施工時，因尤其注意拱頂處噴層的厚度與密實(shí)度情況，在圍巖較差處及時進(jìn)行注漿處理，防止出現(xiàn)局部破壞。

2)隧道開挖后1～2周時間內(nèi)為接觸壓力與變形快速增長期，這一階段應(yīng)嚴(yán)格遵循新奧法施工原則，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，及早施作噴層，封閉圍巖，形成承載環(huán)。同時對噴層與圍巖間有空洞的部位及時注漿，填充圍巖裂縫，提高圍巖自承能力。

4 結(jié) 論

1)通過物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)，對隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)提供了技術(shù)支持，使得施工更有效率，保證了隧道工程安全高效的進(jìn)行。為智能化、信息化施工提供了技術(shù)保障；

2)隧道內(nèi)部施工環(huán)境惡劣，多種技術(shù)與設(shè)備受到隧道施工環(huán)境的影響，并不能保證技術(shù)和設(shè)備的正常應(yīng)用，因此需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳感和采集模塊，以及無線通訊模塊能夠在較差的環(huán)境中仍然能夠保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；

3)降低物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的成本不僅能夠降低工程造價，也能夠減少業(yè)主和施工方對于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺排斥心理。要解決這一問題，關(guān)鍵還在于技術(shù)運(yùn)用的成熟度。成熟的技術(shù)能保證物聯(lián)網(wǎng)快速規(guī)?；l(fā)展、促使物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，從而降低各環(huán)節(jié)的成本；

4)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下?lián)碛写罅繜o線傳輸網(wǎng)絡(luò)，在公共場合的網(wǎng)絡(luò)信號沒有實(shí)施加密，網(wǎng)絡(luò)容易被入侵，數(shù)據(jù)信息容易被竊取。這不僅影響到隧道工程數(shù)據(jù)的安全，還影響到應(yīng)急指揮系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此需要通過技術(shù)手段加強(qiáng)增強(qiáng)底層傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全、保證設(shè)備正常運(yùn)行；

5)現(xiàn)今各個領(lǐng)域?qū)τ谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用都自成體系，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在隧道工程人員檢測應(yīng)急指揮領(lǐng)域中的應(yīng)用存在障礙。因此需要各個領(lǐng)域的合作，建立規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，真正的實(shí)現(xiàn)隧道工程安全監(jiān)控及智能化應(yīng)急指揮的統(tǒng)一。

References

[1] Masao Yamada，Shinichi Tosa.Introduction of web-based remote-monitoring system and its application to landslide disaster prevention[C]//The 10th International Symposium on Landslides and Engineered Slopes，Xi’an，2008:1 349-1 353.

[2] 葉 英，穆千祥，張成平.隧道施工多元信息預(yù)警與安全管理系統(tǒng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(5)：900-907.

YE Ying，MU Qian-xiang，ZHANG Cheng-ping.Tunnel construction multivariate information forewarning and safety management system research[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(5)：900-907.

[3] Michael A Duffy，Chris Hill，Cecilia Whitaker.An automated and intergraded monitoring program for diamond valley lake in california[C]//The 10th FIG International Symposium on Deformation Measurements，2001，28(3)：1-21.

[4] 丁 瑋.基于無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].西安：長安大學(xué)，2013.

DING Wei.A tunnel monitoring system based on ZigBee[D].Xi’an：Chang’an University，2013.

[5] 李石林，馮 濤，王鵬飛，等.GIS在采掘工作面瓦斯涌出預(yù)測中的應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(6)：711-714.

LI Shi-lin，F(xiàn)ENG Tao，WANG Peng-fei，et al.Application of GIS to prediction of gas emission at mining and tunneling faces[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(6)：711-714.

[6] 韓 暉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道工程應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究[D].西安：長安大學(xué)，2012.

HAN Hui.Study on tunnel project emergency command system Based on internet of things[D].Xi’an：Chang’an University，2012.

[7] 謝雄耀，馮 雷.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展及其在地鐵隧道中的應(yīng)用挑戰(zhàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(S2)：4 047-4 055.

XIE Xiong-yao，F(xiàn)ENG Lei.Development of wireless sensor network technology and its challenges in subway tunnel engineering[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(S2)：4 047-4 055.

[8] 李白萍，侯媛彬，王 爽，等.用于危險環(huán)境監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(2)：223-226.

LI Bai-ping，HOU Yuan-bin，WANG Shuang，et al.Awireless sensor grid architecture suitable for dangerous environment monitoring[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(2)：223-226.

[9] 張國柱，童立元，劉松玉，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].地下空間與工程學(xué)報，2013，9(S2)：2 006-2 010.

ZHANG Guo-zhu，TONG Li-yuan，LIU Song-yu，et al.A tunnel health monitoring system based on wireless sensor network[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2013，9(S2)：2 006-2 010.

[10] 梅益?zhèn)?基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高邊坡監(jiān)測技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2012.

MEI Yi-wei.Study on high slope monitoring technology based on wireless sensor networks[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2012.

[11] 馬卜林，楊 帆.煤礦井下WiFi人員定位GIS系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2012，32(3)：301-305.

MA Bu-lin，YANG Fan.The design and implementation of WiFi localization GIS for mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(3)：301-305.

[12] 何相呈.基于物聯(lián)網(wǎng)的公路邊坡危巖體監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

HE Xiang-cheng.The research of highway slope perilous rock monitoring and early warning system based on internet of things[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2013.

[13] 石 鑫，李 璋.基于物聯(lián)網(wǎng)的身份識別系統(tǒng)研究[J].電腦知識與技術(shù)，2010，33(6)：9 494-9 495.

SHI Xin，LI Zhang.Research on identification management system based on internet of things[J].Computer Knowledge and Technology，2010，33(6)：9 494-9 495.

[14] 吳 珺.隧聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及智能監(jiān)控數(shù)據(jù)分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

WU Jun.Architecture and intelligent monitor data analysis research on tunnels internet[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2013.

[15] 楊建華，朱 彬.大跨度軟巖隧道開挖方法及施工方案數(shù)值模擬研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2011，31(3)：287-292.

YANG Jian-hua，ZHU Bin.Construction of long span and soft rock tunnel with numerical simulation[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2011，31(3)：287-292.

[16] 顏治國，戴 俊.隧道鋼拱架支護(hù)的失穩(wěn)破壞分析與對策[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2012，32(3)：348-352.

YAN Zhi-guo，DAI Jun.Analysis of the stability loss and failure of H-shaped steel arch tunnel support and counter-measures[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(3)：348-352.

Application of IoT technology in tunnel construction monitoring measurement based on sensor network

WANG Ya-qiong1,HUANG Yi-lin2,WANG Kai-yun2,LI Jun-feng3,LAI Jin-xing1

(1.KeyLaboratoryforHighwayBridgeandTunnelEngineeringofShaanxi,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 2.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China; 3.BureauofEngineeringQualitySupervisionofYunnanProvincialTransportDepartment,Kunming650214,China)

All kinds of engineering disaster is easily occurred in the tunnel construction because of the complex and changeable geological conditions The disasters will become serious threat to personnel safety and property in the tunnel construction and operation period.Enforce the monitoring during the construction period has important significance to ensure that the entire project can finish securely and frugally.In order to study the problem of monitoring measurement with the lack of frequency and time-consuming in the process of tunnel construction，the basic theory and technology of IoT technology are used，using comprehensive perception，reliable transmission and intelligent assistant technology of the existing IoT technology，and the fit relationship between IoT technology and tunnel construction is analyzed and tunnel construction monitoring and measurement based on the IoT technology are provided，and it is applied in Dabaoshan tunnel.Tunnel construction monitoring measurement technology based on IoT technology can provide sufficient information and feedback to guide the design and construction of tunnel engineering and fully realize the construction period intellectualization and informationalization.It has an effective function for safety and quality management in tunnel construction work district and reduce the cost of the whole project.The results can serve as valuable reference for other similar cases.

tunnel engineering；internet of things(IoT)；sensor network；tunnel construction；tunnel monitoring measurement；surrounding rock pressure

2015-03-10 責(zé)任編輯:李克永

國家自然科學(xué)基金(51408554)；云南省交通科技項(xiàng)目(2013080603)

王亞瓊(1975-) ,男,安徽太湖人,博士,副教授,E-mail: ys08@gl.chd.edu.cn

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0416

1672-9315(2015)04-0498-07

U 45

A