摘要：隧道智能化，信息化已经成为今后隧道发展的重要方向，而在隧道施工监控量测过程中，量测的方法和自动化程度有待提高。本文基于此设计一套隧道施工过程中的智能监控系统，达到完善隧道施工现场监控量测的目的。监控系统将单片机处理器系统、FBG传感器、无线手机模块、CAN总线串行通信，配合编程语言，采用软硬件相结合的方式来实现数据的采集、存储以及最后的PC机通信。对这些实时数据进行处理分析，判断隧道围岩的工作状况，为隧道动态施工及设计更好地服务。
关键词：隧道监控量测；单片机；FBG；CAN总线；GPＲS
引言：现场监控量测，是在隧道的施工过程中利用测量技术和传感器技术，获取围岩支护结构变化的数据。通过对监控量测数据的分析，可以及时判断初期支护在施工中的稳定程度，确定初期支护参数设置是否合理，并且为二次衬砌施工作业时间提供信息依据，在很大程度上确保隧道施工过程中的安全。隧道监控量测包括必测项目和选测项目。必测项目有拱顶下沉，净空变化，地表沉降。需要用到的仪器有水准仪，铟钢尺，收敛计或是全站仪。选测项目有围岩压力、刚架内力、喷混凝土内力、二次衬砌内力、初期支护与二次衬砌间接触压力等项目，所用到的仪器有压力盒、钢筋计、应变计等仪器。
而目前监控量测存在一些需要改进的方面。第一，在隧道工程施工过程中，许多隧道的监控量测数据很少被动态及时地反馈到支护设计参数的调整修改工作中。第二，获取监控量测数据的方法有待改进，目前在必测项目中所用的水准仪法或全站仪法，经常会受施工过程的影响，只能等到特定的施工步骤时才能进行量测，效率不高。第三，当隧道遇到特殊地质情况，比如涌水和塌方的地段，为保证量测人员的安全，这些地段做不到实时监控，所以会造成数据缺失。第四，目前隧道监控量测在隧道现场采集得到数据后，大部分需要经过现场记录，再录入电脑，利用电子表格进行数据的管理和计算，因而造成采集与处理数据的时间周期过长，对隧道实际施工的指导意义不大。所以，本文旨在开发一套智能监测系统，提高隧道监控量测，尤其是隧道围岩变形测量的自动化程度。
一、隧道监控量测系统的现状
美国、德国、日本等发达国家在隧道监控系统的研究及技术应用方面发展较成熟，目前已经发挥了很好的效果，如美国的LONWOＲKS分布式公路隧道监控系统（TMCS）技术，由Echelon公司在20世纪90年代推广，实现了真正的分布、开放、互操作性。德国Phoe-nixContact公司的INTEＲBUS现场总线技术和日本OMＲON公司的ControllerLink环网控制技术在隧道监控方面应用广泛。我国隧道监控系统的发展相对于国外发达国家较滞后，但是相关科研技术人员对监控系统设计和开发不断深入地研究，利用引进国外设备与自主开发相结合也实现了隧道监控。
而目前的监控系统研究大多数集中在隧道建成后运营管理方面，比如为清晰反映隧道工作状态的隧道交通流常规监控，火灾监控，有害物浓度监控等监控系统，对于隧道施工过程中的智能监控系统研究较少。
二、系统总体设计
如图1所示，系统总体由3部分组成，即隧道围岩应力应变数据采集系统，数据传输系统和数据监控处理系统。
图中数据采集系统负责隧道围岩压力，应力应变，沉降位移等数据的采集和向上位机传输数据的任务。利用GPＲS网络进行数据的传输。数据监控处理系统负责对实时数据进行分析，反映围岩稳定情况，为设计和施工提供反馈参考。
图1系统总体设计示意图
三、系统硬件设计
系统的硬件设计主要包括主控板，分控板，传感器，以及SIM手机模块的设计。
1、主控板和分控板的设计
主控板是整个系统的大脑，负责指挥控制各部件工作，接收来自PC端的命令和读取分控板的数据，并且负责将数据通过GPＲS网络传输到本地PC端。如图2所示为主控板设计示意图。
图2主控板设计示意图
四、FBG在测试隧道围岩应力、应变中的应用
为及时掌握围岩内部以及初期支护和二次衬砌的受力与变形状态，进行隧道围岩应力应变量测和支护间接触应力量测，目前所使用的的量测方法是通过在围岩与初期支护，初期支护与二次衬砌之间埋设应力、应变传感器，分析出围岩、支护的应力应变状态，确定围岩和支护系统的稳定性。以测量围岩与初期支护间压力为例，目前主要使用的土压力传感器主要有压电式、压阻式。谐振式、变磁阻式等土压力传感器。这些传统的电测土压力传感器在实际使用的过程中存在一些问题，比如易被破坏、耐久性差、埋设时较不方便、受电磁场干扰较大、传感器在腐蚀作用下易传感失真，不能很好地实现隧道施工过程中智能监测系统的需要。
基于分布式光纤光栅传感器的以下优点，本系统设计采用分布式光纤光栅传感器。
（1）抗电磁干扰
由于光波比一般电磁辐射的波长大很多，所以信号在光纤中的传播不受电磁干扰的影响。
（2）测量范围广
光纤光栅传感器可以测量位移、应力、应变、压强、电压、电流等物理量，可以满足隧道施工监控量测中必测和选测项目的要求。
（3）适合长距离传输
光信号在光纤内传输的过程中损耗极小，所以适合远距离传输。对于特长隧道，可直接利用光纤将数据信号传输到洞外。
（4）耐久性好、抗腐蚀
光纤是由石英制成，所以其化学稳定性极高，耐腐蚀性好，可在隧道内腐蚀性液体的考验下长久使用。
（5）实时性强
目前监控量测数据大都是按每天或者几天采集一次的频率进行采集，没有连续的数据采集，并不能很好地监测到突变数据的产生。而光纤光栅传感器时效性强的特点令其特别适合应用于需要进行实时监测的物理量地监控，当测点与监控室或数据信号发射地距离较远时，每一根单芯光纤可以把几个甚至几十个传感器串联起来，并且可以传输到几十公里外进行异地监控；多条光纤可以同时连接在一台解调仪的不同通道上，这样可以组成分布式光纤传感网络以便对传感器进行实时性的监控。
五、软件设计
1、软件系统设计
软件系统的是整个系统实现的关键部分。软件系统管理并控制着整个系统的的硬件资源，并在用户与系统之间担任着重要的桥梁作用。通过软件系统的指挥，实现各个硬件的功能，利用数据采集系统采集隧道围岩变形的数据，通过GPＲS网络传输到本地PC端，并编制一些程序对这些数据进行自动处理分析，从而实现对隧道围岩变形的实时监控。系统软件流程图如图3所示。
图3、系统软件流程图
2、传感器调节及系统软件设计
对光纤光栅解调系统的软件进行编程可以采用汇编语言和C语言，由于受到测试条件和解调方法等客观因素的限制，光纤光栅的解调算法目前还没有统一的可用公式，但是可以利用试验的方法，先测出一组典型数据，再用数值分析中的算法来进行拟合计算，从而确定传感光纤光栅中心波长偏移量，通过大量的数据处理和计算，可以提高解调系统的精度，为了提高数据处理、计算能力，可对单片机进行数据存储器的外扩，或把数据传输给上位机进行数据存储和处理。解调系统软件由下列子程序组成：初始化子程序、PZT驱动子程序、模数转换子程序、求最大值子程序、数据拟合子程序、显示子程序及通讯接口子程序等，详细软件流程如图4所示。
结束语
在未来隧道建设过程中，智能化将越来越被重视。本文设计的系统顺应趋势，在隧道监控量测方面做出尝试。本系统采用了GPＲS无线通讯模块和单片机智能控制系统，选取围岩压力作为监测量，理论上能够实现远
距离实时数据采集，可以极大方便隧道围岩压力长期连续采集监测工作。随着系统的进一步优化，围岩变形，二次衬砌变形等监测量也可以进行智能测量。
图4、传感器调节系统软件流程图
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论文作者:徐洪涛,吴亭亭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/28
标签：隧道论文; 围岩论文; 数据论文; 量测论文; 系统论文; 光纤论文; 传感器论文; 《基层建设》2018年第8期论文;