劉馨澤

摘要：深入探討自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，分析其在隧道施工中的應(yīng)用價(jià)值，重點(diǎn)介紹隧道施工中常用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、激光掃描和無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)等。分析自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道施工管理中可能面臨的挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)處理與分析、系統(tǒng)可靠性等問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的解決策略。對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道施工安全預(yù)警中的實(shí)踐應(yīng)用深入研究，以期為地鐵隧道工程提供一些參考。

關(guān)鍵詞：隧道施工；安全預(yù)警；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)處理

0? ?引言

地鐵隧道作為地鐵網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的安全問(wèn)題備受關(guān)注。隧道施工過(guò)程中，地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工工藝的多樣性，以及隧道結(jié)構(gòu)與城市地下管線等基礎(chǔ)設(shè)施的相互影響，使得隧道工程的安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，為隧道施工安全提供了全新的解決方案。應(yīng)用該技術(shù)不僅有助于發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患，還可以在事故發(fā)生前及時(shí)預(yù)警，從而保障施工人員和市民的安全。本文對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在隧道施工安全預(yù)警中的實(shí)踐應(yīng)用展開(kāi)深入研究，以期為地鐵隧道工程提供一些參考。

1? ?自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作特點(diǎn)及原理

1.1? ?自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

目前地鐵施工環(huán)境復(fù)雜，人為監(jiān)測(cè)工作難以開(kāi)展，存在一定的局限性。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)使用先進(jìn)的傳感器和儀器，可以實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)據(jù)采集和測(cè)量，減少了人為誤差的影響，提供了更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù)，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠即時(shí)反映施工過(guò)程中的變化和動(dòng)態(tài)，便于及早發(fā)現(xiàn)異常情況。它可以適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境和多變的地質(zhì)條件，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)測(cè)。

在施工過(guò)程中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以設(shè)置預(yù)警閾值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，便于人們及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)，不僅有利于減少人工監(jiān)測(cè)所需的人力和時(shí)間，提高工作效率，同時(shí)還降低了監(jiān)測(cè)人員的風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可使工程人員全面了解施工現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)和趨勢(shì)，做出更明智的決策。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行定制和調(diào)整，以適應(yīng)不同施工環(huán)境和項(xiàng)目的特點(diǎn)[1]。

1.2? ?系統(tǒng)基本原理

地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常由多個(gè)組件和模塊組成，這些組件和模塊協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)和管理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)在施工現(xiàn)場(chǎng)收集各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如振動(dòng)、位移、變形、溫度等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由各種傳感器和測(cè)量設(shè)備采集，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元傳輸?shù)胶罄m(xù)處理模塊。

傳感器和測(cè)量設(shè)備安裝在地鐵隧道內(nèi)和周圍的關(guān)鍵位置，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種參數(shù)，如地質(zhì)變化、結(jié)構(gòu)變形、環(huán)境條件等。數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)包括有線和無(wú)線通信設(shè)備，用于將數(shù)據(jù)從傳感器傳送到中央監(jiān)測(cè)中心。中央監(jiān)測(cè)中心收集、存儲(chǔ)和分析來(lái)自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)特定的軟件平臺(tái)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和可視化，并可繪制歷史曲線、檢測(cè)異常情況、生成報(bào)表，以供工程人員參考。

基于預(yù)設(shè)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)和閾值，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)觸發(fā)預(yù)警和報(bào)警，通過(guò)各種通信方式（短信、郵件、警報(bào)聲等）通知相關(guān)人員。通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)集成，可在地圖上顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的位置和狀態(tài)，幫助工程人員更好地理解和分析數(shù)據(jù)。工程人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理。

工程資料管理模塊用于管理與施工相關(guān)的各種資料，包括設(shè)計(jì)文件、施工計(jì)劃、監(jiān)測(cè)報(bào)告等，可實(shí)現(xiàn)各方之間的信息共享和協(xié)作。地鐵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成部分涵蓋數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析、報(bào)警、可視化和管理等方面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道施工過(guò)程的全面監(jiān)測(cè)和安全保障。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

2? ?自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)

2.1? ?全站儀

地鐵隧道施工時(shí)，需要使用徠卡TS系列全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該全站儀具有自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能和高精度測(cè)量技術(shù)，能夠在不同環(huán)境和條件下實(shí)現(xiàn)高效和精確的測(cè)量。其可以自動(dòng)調(diào)整焦距，有利于減少人工操作，提高測(cè)量的便捷性。

其配裝監(jiān)測(cè)正倒鏡，可在不同高度的測(cè)量中方便的進(jìn)行切換，適應(yīng)不同的測(cè)量任務(wù)。全站儀能夠自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和分析。在實(shí)踐運(yùn)用中，可將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)或云端，方便后續(xù)處理和管理[2]。

2.2? ?反射棱鏡設(shè)備

反射棱鏡是一種接收全站儀發(fā)射的測(cè)量信號(hào)，并將信號(hào)反射回去進(jìn)行測(cè)量的裝置。在地鐵隧道工程中，工作人員需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際需要，在合適的位置安裝反射棱鏡。通常是需要精確測(cè)量的點(diǎn)，如隧道控制點(diǎn)、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)等。安裝好反射棱鏡后，工作人員需要確保其角度調(diào)整正確，反射面朝向全站儀或工作基站，以便準(zhǔn)確地接收測(cè)量信號(hào)。全站儀發(fā)射激光束或測(cè)量信號(hào)，通過(guò)反射棱鏡接收信號(hào)并計(jì)算出測(cè)量結(jié)果。

2.3? ?計(jì)算機(jī)

GPRS（General Packet Radio Service）是一種無(wú)線通信技術(shù)，用于將電子計(jì)算機(jī)與全站儀通過(guò)GPRS系統(tǒng)連接，使數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)測(cè)中心或遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化地存儲(chǔ)，綜合各類觀測(cè)并進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，有利于減少人為誤差。

數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和自動(dòng)化處理，使得工程人員能夠隨時(shí)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程和變化情況，及時(shí)做出決策和調(diào)整。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒋罅康谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)起來(lái)，提取有用的信息生成監(jiān)測(cè)報(bào)表，便于技術(shù)人員了解隧道施工的狀態(tài)，為施工過(guò)程的管理和決策提供支持。

2.4? ?監(jiān)測(cè)軟件

Smart監(jiān)測(cè)軟件是專為監(jiān)測(cè)工程設(shè)計(jì)的軟件，全站儀提供準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，Smart監(jiān)測(cè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和監(jiān)測(cè)。應(yīng)用Smart監(jiān)測(cè)軟件和全站儀，可實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)監(jiān)測(cè)，包括隧道的形狀、位移、變形等方面的數(shù)據(jù)。可根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)表，將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照規(guī)定的格式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備將來(lái)分析和查閱。在監(jiān)測(cè)工作中，循環(huán)計(jì)劃管理可以確保不同設(shè)備的監(jiān)測(cè)循環(huán)時(shí)間不重疊，合理規(guī)劃，避免干擾和沖突[3]。

2.5? ?監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用Smart分析軟件從自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中獲取原始數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和分析操作，可以提取有用的信息，包括異常數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)平滑、計(jì)算平均值等。同時(shí)可使用編碼程序，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、標(biāo)記異常數(shù)據(jù)、計(jì)算變化速率等操作。

在監(jiān)測(cè)中，使用平差軟件可以排除測(cè)量誤差，獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，可以識(shí)別和篩選出異常數(shù)據(jù)，比如測(cè)量誤差較大或不符合預(yù)期的數(shù)據(jù)。基于分析后的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出周期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值、變化趨勢(shì)等。在數(shù)據(jù)分析的最后階段，結(jié)合施工實(shí)際需要對(duì)監(jiān)測(cè)報(bào)告進(jìn)行綜合分析，有利于理解數(shù)據(jù)的意義，發(fā)現(xiàn)可能存在的問(wèn)題或趨勢(shì)。

3? ?隧道施工安全預(yù)警中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1? ?監(jiān)測(cè)位置確定

在明確監(jiān)測(cè)位置時(shí)，需要進(jìn)行截面監(jiān)測(cè)處理。在地鐵隧道檢測(cè)位置的正交橫截面上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，捕捉截面內(nèi)的變化情況。通過(guò)在正交橫截面上加設(shè)大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以更全面地監(jiān)測(cè)隧道各個(gè)部位的變化情況，獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

以某地鐵隧道施工為例，根據(jù)設(shè)計(jì)需求需要隔10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)截面，總共30個(gè)截面。每個(gè)截面內(nèi)需要設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)位于道床沉降處和拱頂?shù)汝P(guān)鍵位置。在地鐵隧道施工監(jiān)測(cè)中，將監(jiān)測(cè)區(qū)域的基準(zhǔn)點(diǎn)劃分為4個(gè)，基準(zhǔn)點(diǎn)可以位于不同位置，涵蓋不同的監(jiān)測(cè)范圍。選擇基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，要考慮到里程方向以及偏離變化大的位置，以確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)能夠有效參考監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)工程設(shè)計(jì)將全站儀位置，確定在特定的位置。

3.2? ?調(diào)整距離差分

在變形監(jiān)測(cè)中，選擇兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，并確保它們的位置不會(huì)發(fā)生改變。第一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)用于確定監(jiān)測(cè)位置距離基準(zhǔn)點(diǎn)的斜距，將其設(shè)為“S10”。進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)時(shí)，將測(cè)量的斜距設(shè)為“S'1”，與另一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的斜距設(shè)為“S'2”。為了得出準(zhǔn)確的變形信息，需要計(jì)算改正比例參數(shù)△S，然后代入公式（1）計(jì)算：

（1）

式中：△S為改正比例參數(shù)；S1和S2為測(cè)量的斜距。如果測(cè)站至變形位置的實(shí)際斜距為S'P'，代入公式（2）可得知?dú)庀蟛榉终{(diào)整斜距：

SP=S'P-△S·S'P? ? ? ? ? ? ? （2）

3.3? ?計(jì)算平距與高差差分調(diào)整

在單向極坐標(biāo)測(cè)量中，受氣壓等因素的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生較大誤差。為了校正這些誤差，需要進(jìn)行差分調(diào)整計(jì)算。差分調(diào)整計(jì)算是為了將測(cè)量點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，獲得更精確的高差信息。設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差為，2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)與檢測(cè)站之間的實(shí)際高差為h'1和h'2，代入公式（3）計(jì)算：

h'n=Snsinαn+in-ln? ? ? ? ? ? ? （3）

其中：αn為垂直角度；in為全站儀實(shí)際高度；ln為反射棱鏡高度；Sn為平均偏離真值。根據(jù)公式（4）可得出相對(duì)準(zhǔn)確的高差調(diào)整參數(shù)k：

（4）

根據(jù)實(shí)際基準(zhǔn)點(diǎn)情況，通過(guò)使用上述公式，可以計(jì)算出高差改正參數(shù)。在測(cè)量時(shí)間較短等情況下，可以確認(rèn)高差調(diào)整參數(shù)對(duì)于變形點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)具有相同的影響?？梢酝ㄟ^(guò)公式（5）計(jì)算監(jiān)測(cè)站與變形點(diǎn)之間存在的高差調(diào)整參數(shù)：

hp=Spsinap+ks2pcos2ap+ip-lp? ? ? ? ? （5）

式中：ip為變形點(diǎn)全站儀實(shí)際高度；lp為變形點(diǎn)靈鏡高；ap為變形點(diǎn)垂直角。

計(jì)算出變形點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站之間的斜距、高差等參數(shù)后，需要通過(guò)公式（6）計(jì)算變形點(diǎn)至監(jiān)測(cè)站的平距參數(shù)：

（6）

3.4? ?計(jì)算變形點(diǎn)位置

對(duì)所有差分改正數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整理和分析后，通過(guò)極坐標(biāo)計(jì)算等級(jí)，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取具有較高精確性的各個(gè)周期變形點(diǎn)的位置?？梢酝ㄟ^(guò)公式（7）計(jì)算變形點(diǎn)位置：

（7）

式中：Hφ為變形點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站之間的方位角；Dpcos為差分改正參數(shù)；X0、Y0、H0為變形點(diǎn)與監(jiān)測(cè)站的實(shí)際距離；Xp和Yp分別表示變形點(diǎn)的水平坐標(biāo)和垂直坐標(biāo)。

3.5? ?平差處理方法

在進(jìn)行平差計(jì)算時(shí)，將經(jīng)過(guò)高差差分和距離處理后的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入，進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算和繪制。處理的觀測(cè)數(shù)據(jù)包括差分改正數(shù)據(jù)、實(shí)際距離、方位角等信息。通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)運(yùn)算和計(jì)算，可以得到變形點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。將其繪制出具有較高精度的三維坐標(biāo)圖，便于更準(zhǔn)確地了解變形點(diǎn)的位置和變化情況[4]。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在隧道施工安全預(yù)警中扮演著越來(lái)越重要的角色。通過(guò)對(duì)多個(gè)角度、多個(gè)維度對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，無(wú)論是地質(zhì)變化、結(jié)構(gòu)位移還是其他異常情況，都能夠及時(shí)捕捉。

智能化的監(jiān)測(cè)提高了預(yù)警的準(zhǔn)確性，為施工團(tuán)隊(duì)提供了有效的工具，有利于決策的科學(xué)性，也為保障工程質(zhì)量和人員安全提供了有力保障。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相信自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)將繼續(xù)在地鐵隧道施工中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，為城市發(fā)展和交通建設(shè)貢獻(xiàn)更多的智慧和安全。

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