隧道盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的研究_圖文

1、文章編號:1671-2579(200901-0167-04隧道盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的研究項貽強,趙陽(浙江大學,浙江杭州310027摘要:對隧道施工的全過程實施監(jiān)控是保證盾構(gòu)正常運行和施工安全的重要手段。該文研究了盾構(gòu)隧道施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)由自動量測系統(tǒng)和監(jiān)控信息管理系統(tǒng)構(gòu)成,具有施工現(xiàn)場實時監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程采集、監(jiān)控數(shù)據(jù)訪問與查詢、數(shù)據(jù)反饋與地層變形預(yù)測等功能。自動量測系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控中心,構(gòu)建隧道施工量測數(shù)據(jù)自動采集平臺;監(jiān)控信息管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控信息管理、預(yù)測及反饋分析、信息輸出及系統(tǒng)工具等功能模塊,實現(xiàn)監(jiān)控信息的維護、查詢

2、及多種形式的信息輸出。關(guān)鍵詞:盾構(gòu)施工;遠程監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集;反饋分析收稿日期:2008-06-12作者簡介:項貽強,男,教授,博士生導師.E -mail :Xiangyiq 1引言杭州市慶春路過江隧道是錢塘江底的第一條公路隧道,工程起自江北錢江新城CBD (中央商務(wù)區(qū),終于江南錢江世紀城,溝通江南、江北兩大商業(yè)行政中心。本隧道工程近期主線實施長度3060m ,過江段設(shè)計采用復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)施工,盾構(gòu)直徑11.93m ,盾構(gòu)區(qū)間長度為1766m 。當前國內(nèi)外對隧道施工過程進行遠程監(jiān)控研究已取得了一定的成果。張慶賀、朱中隆(2001等研究通過采用數(shù)據(jù)、圖像與聲音采集及傳輸技術(shù),建立了一套盾構(gòu)法隧

3、道施工的多媒體監(jiān)控系統(tǒng),已在上海地鐵二號線區(qū)間隧道工程中得到了具體的應(yīng)用;孫鈞、胡向東(2002等提出了一種針對盾構(gòu)隧道施工監(jiān)控與仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的建立方法;周文波(2004針對隧道施工企業(yè)面臨多個工地同時施工、工地分散等因素對工程管理和技術(shù)支持帶來的困難,提出了盾構(gòu)隧道信息化施工智能管理系統(tǒng),包括施工現(xiàn)場和公司總部兩部分;周奇才、奚浩兵(2005等建立了基于遠程監(jiān)控技術(shù)和現(xiàn)代計算機技術(shù)相結(jié)合的盾構(gòu)隧道施工遠程監(jiān)控系統(tǒng),包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和遠程分析控制系統(tǒng)兩個部分。作為第一條穿越錢塘江的盾構(gòu)施工隧道,杭州慶春路過江隧道規(guī)模大,技術(shù)復(fù)雜,不確定因素多,加上錢塘江特殊的地質(zhì)和水文條件,對施工的全

4、過程實施監(jiān)控是保證盾構(gòu)正常運行和安全的重要手段。研究和建立隧道施工過程的遠程監(jiān)控系統(tǒng),對提高施工管理水平,保證結(jié)構(gòu)線形滿足設(shè)計要求,具有重要的理論價值和工程實踐意義。2盾構(gòu)隧道施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成及工作流程盾構(gòu)隧道施工控制指根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù),分析施工過程是否符合設(shè)計要求,從而預(yù)測技術(shù)參數(shù),對下一階段施工發(fā)出正確的指令。在傳統(tǒng)的施工監(jiān)控過程中,施工人員需花費大量時間處理數(shù)據(jù),以人工經(jīng)驗的方式指導施工過程,工作強度較大,同時因人工因素造成不必要的施工故障。隧道施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研制開發(fā),充分利用現(xiàn)有計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以大幅提高工作效率和監(jiān)控精度。隧道施工監(jiān)控工作流程是采集各種物理量和參數(shù)并

5、進行測試,將測試結(jié)果和預(yù)測模型計算結(jié)果比較,找到盾構(gòu)姿態(tài),對計算模型修正、選擇,采取一系列修改施工參數(shù)的方法,使施工偏差逐步減少直至為零。監(jiān)控、計算、對比、判斷、控制并修正的整個過程如圖1所示。從隧道盾構(gòu)法施工監(jiān)控工作流程可見,通過測試結(jié)果和預(yù)測模型計算結(jié)果之間的對比分析,對施工誤761第29卷第1期2009年2月中外公路 圖1隧道盾構(gòu)法監(jiān)控系統(tǒng)工作流程圖差進行修正。因此,監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包括地形、地物及沉降的檢測,盾構(gòu)內(nèi)置計算機的開發(fā),地下施工信息的采集與傳輸。遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合集數(shù)據(jù)和圖像的采集、傳輸、分析和決策于一體,借助通信系統(tǒng)使地面指揮中心與地下盾構(gòu)控制平臺形成統(tǒng)一的整體,以及時進行各類信息

6、的交換,達到由控制盾構(gòu)施工參數(shù)來進一步控制地面沉降的目的。隧道盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括自動量測系統(tǒng)、監(jiān)控信息管理系統(tǒng),它應(yīng)具備施工現(xiàn)場實時監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程采集、監(jiān)控數(shù)據(jù)訪問與查詢、數(shù)據(jù)反饋與地層變形預(yù)測等功能。具體可分為3個層次:第一層為數(shù)據(jù)量測與采集系統(tǒng),將盾構(gòu)推進的施工參數(shù)(如密封艙壓力、分組千斤頂?shù)耐屏?、頂進速度等參數(shù)、各種支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形傳感器的輸出信號經(jīng)預(yù)處理后傳輸至相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備;第二層為數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng),將數(shù)據(jù)采集設(shè)備所采集的數(shù)字信號傳輸至上層處理系統(tǒng);第三層為遠程監(jiān)控中心,為監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)存儲提供了一個網(wǎng)絡(luò)平臺。3盾構(gòu)法隧道施工自動檢測系統(tǒng)3.1數(shù)據(jù)量測及采

7、集數(shù)據(jù)量測及采集是自動檢測系統(tǒng)的核心,該平臺通過實時數(shù)據(jù)采集平臺、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控中心來構(gòu)建。實時數(shù)據(jù)包括控制系統(tǒng)模擬量、數(shù)字量信息以及報警觸發(fā)信息。模擬量和數(shù)字量信息通過主控制器或者盾構(gòu)專用的陀螺儀、全站儀等采集?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集采取前端機方式,分為多媒體數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集,將信息通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給遠程監(jiān)控中心。在遠程監(jiān)控中心端配置安裝系統(tǒng)軟件的管理服務(wù)器(平臺、存儲服務(wù)器(磁盤陣列等來管理、控制所監(jiān)控區(qū)域,并及時取得所需要的信息,通過不同的授權(quán)級別實現(xiàn)用戶中心及其他用戶端的同步監(jiān)控管理功能;此外,還有日志功能,可以記錄系統(tǒng)運行過程中發(fā)生的重大事件;狀態(tài)查詢功能,可以查詢網(wǎng)絡(luò)工

8、作狀態(tài);查看終端用戶連接狀態(tài)等;系統(tǒng)管理功能,包括:負責管理同所有遠端管理主機的連接;具有斷線后自動重連功能;支持網(wǎng)絡(luò)用戶權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)視頻前端設(shè)備管理、告警信息管理;數(shù)字硬盤錄像管理;支持網(wǎng)絡(luò)多用戶實時視頻瀏覽、控制和錄像檢索、回放;與各監(jiān)控點實現(xiàn)實時語音、視頻對講,對有問題的監(jiān)控點可以用電子文檔進行處理并記錄。3.2數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理利用前置數(shù)據(jù)采集微機或?qū)Ｓ霉た貦C對被測物理量量測結(jié)果進行預(yù)處理,并按規(guī)定的格式整理形成數(shù)據(jù)文件,通過光纖調(diào)制解調(diào)器和光纜將經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心的監(jiān)控室服務(wù)器和系統(tǒng)工作站。數(shù)據(jù)處理功能在結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測系統(tǒng)工作站內(nèi)完成。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)依靠

9、兩種方式:公用電話網(wǎng)和因特網(wǎng)。將公用電話網(wǎng)作為進入方式,因為公用電話網(wǎng)絡(luò)屬于低速網(wǎng)絡(luò),傳輸速率有限,其優(yōu)點是電話網(wǎng)絡(luò)覆蓋面較廣,監(jiān)控點幾乎可以安裝在可以通電話的任何地方,受控點不受限值。因特網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介在傳輸速率和帶寬上占有優(yōu)勢,但普及程度不及電話網(wǎng)絡(luò)。3.3遠程監(jiān)控中心該中心是整個系統(tǒng)的控制中心,通過通信接口及介質(zhì)組成有機的整體,指揮和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù),有效監(jiān)視施工過程中各種狀態(tài)的變化。通過數(shù)據(jù)通道,將控制中心發(fā)出的指令及相關(guān)信息送往施工現(xiàn)場,及時處理、協(xié)調(diào)各環(huán)節(jié)工作,達到實時監(jiān)控的目的。4盾構(gòu)法隧道施工監(jiān)控信息管理系統(tǒng)4.1系統(tǒng)開發(fā)特點目前用于管理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有關(guān)系、網(wǎng)狀、層次模型和面向

10、對象的數(shù)據(jù)庫技術(shù),前三種稱為傳統(tǒng)數(shù)861中外公路第29卷據(jù)庫,存在一些缺陷:表示和處理復(fù)雜實體(如工程對象時顯得過于簡單,缺乏存儲和處理各種復(fù)雜對象的能力;數(shù)據(jù)類型有限,不支持存儲和檢索長的無結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),如圖像、語音等;不支持抽象數(shù)據(jù)類型及用戶自定義類型的擴展能力。于是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的缺陷和新應(yīng)用需求的驅(qū)動下發(fā)展起來。本研究擬采用SQL server 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為后臺數(shù)據(jù)庫,它具有數(shù)據(jù)庫管理的基本功能,如數(shù)據(jù)永久性存儲管理、并發(fā)控制、故障恢復(fù)、交互式查詢等;還支持面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫模型,具備應(yīng)用領(lǐng)域所需要的一切特性,如版本管理、長事務(wù)、嵌套事務(wù)、模式演化等。數(shù)據(jù)庫前端開發(fā)工具則

11、采用Visual C 語言,按照C/S 體系結(jié)構(gòu)研制本遠程監(jiān)控系統(tǒng)。4.2系統(tǒng)開發(fā)管理決策問題可分為非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化決策。基于盾構(gòu)隧道施工過程中確定與不確定因素同時存在,故從管理角度來看,盾構(gòu)法隧道施工控制屬于半結(jié)構(gòu)化決策問題。在盾構(gòu)法隧道施工遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)時,采取生命周期法與原型設(shè)計法相結(jié)合的方案,開發(fā)流程如圖2所示,在模塊化程序設(shè)計的基礎(chǔ)上增強了系統(tǒng)的可擴充性和目標易變性,既保證了程序設(shè)計的系統(tǒng)化和精確化,又能在系統(tǒng)的維護與評價階段很方便地進行必要的修改和調(diào)整。系統(tǒng)的研制工作分為四個階段:系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實施和系統(tǒng)維護與評價。系統(tǒng)分析包括對應(yīng)用功能的需求分析和對數(shù)據(jù)的需

12、求分析;系統(tǒng)設(shè)計指確立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(功能結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并進行功能模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計;系統(tǒng)實施包括功能的編碼實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的建立, 并完成對系統(tǒng)功能實現(xiàn)的測試和系統(tǒng)性圖2系統(tǒng)開發(fā)流程圖能的測試;隨后運行系統(tǒng),進行日常維護以及對其效果和效率的綜合評價。在這個過程中,雖然強調(diào)系統(tǒng)可維護性和可擴充性,但是當系統(tǒng)應(yīng)用功能改變時,必然導致對原系統(tǒng)的修改(包括程序代碼、數(shù)據(jù)需求和數(shù)據(jù)關(guān)系。因此,在開發(fā)時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的構(gòu)成模式,使監(jiān)控系統(tǒng)能更加全面完整地保存基礎(chǔ)數(shù)據(jù),方便數(shù)據(jù)庫的維護和新應(yīng)用程序的開發(fā),同時能將施工過程預(yù)測分析結(jié)果及時反饋給施工現(xiàn)場。4.3主要功能模塊劃分按照盾構(gòu)法隧道施工控制監(jiān)控工作流程,該系

13、統(tǒng)主要功能模塊包括系統(tǒng)設(shè)置模塊、監(jiān)控信息管理模塊、信息輸出模塊及系統(tǒng)工具模塊等,詳細劃分如圖3所示 。圖3系統(tǒng)功能模塊劃分9612009年第1期項貽強,等:隧道盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)的研究(1系統(tǒng)設(shè)置對登錄的用戶進行密碼校驗,根據(jù)數(shù)據(jù)庫中操作者權(quán)限表中對應(yīng)的值進行操作權(quán)限的設(shè)置,具體方法是設(shè)置菜單的使用權(quán)限,使具有權(quán)限的菜單可見;并可由系統(tǒng)管理者添加、刪除、修改用戶的信息。(2監(jiān)控信息管理該模塊能實現(xiàn)監(jiān)控方的日常事務(wù)及所有監(jiān)控數(shù)據(jù)的維護與查詢,是該系統(tǒng)的核心部分。所有的維護界面均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)錄入、插入、刪除、修改、存盤、打印功能,可由用戶設(shè)置顯示列、排序條件、過濾條件等;發(fā)生錯誤操作時,

14、系統(tǒng)自動顯示錯誤信息。查詢界面能實現(xiàn)模糊查詢、確定查詢,由用戶設(shè)置顯示列、排序條件、過濾條件、查詢條件等。日常事務(wù)管理:日常事務(wù)包括公文收發(fā)記錄、會議紀要、隧道建設(shè)參建各方對施工控制的監(jiān)督及協(xié)調(diào)意見、監(jiān)控方針對這些外部信息所采取的措施。初始信息管理:指隧道施工的靜態(tài)數(shù)據(jù)管理,包括場地工程地質(zhì)條件(地形地貌、巖土層特征、勘探鉆孔柱狀數(shù)據(jù)、隧道縱剖面地層數(shù)據(jù)、場地水文地質(zhì)條件(土體滲透性評價、圍巖類別及土石等級、工程地質(zhì)條件(土層物理參數(shù)、土層抗剪強度指標、承載力評價、工程設(shè)計參數(shù)、隧道平曲線及豎曲線參數(shù)、盾構(gòu)參數(shù)等。監(jiān)控資料管理:包括對控制數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的維護、查詢等,包括施工參數(shù),地面相關(guān)構(gòu)筑

15、物、管線等沉降,隧道成形指標以及相關(guān)的隧道參數(shù)、地層特征等數(shù)據(jù)。(3反饋及預(yù)測分析盾構(gòu)機在開挖過程中引起地層變位的因素很多,施工方法、施工狀況、地基條件都不盡相同,目前還沒有一種計算方法能夠考慮所有的影響因素。本反饋及預(yù)測模塊錄入了幾種工程中常用的預(yù)測方法,如PE K 法、隨機理論預(yù)測法、灰色理論預(yù)測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法、有限元預(yù)測法等,用戶可根據(jù)實際情況選擇適當?shù)姆椒ㄟM行預(yù)測。(4信息輸出本模塊對監(jiān)控信息管理模塊中的所有信息,以文字、表格、曲線和三維圖像等多種形式輸出,并打印或存盤。(5系統(tǒng)工具提供系統(tǒng)的使用方法、出錯信息的詳細解釋和解決辦法。本系統(tǒng)擬采用三級菜單結(jié)構(gòu),主菜單分為文件、系統(tǒng)

16、設(shè)置、初始信息維護、監(jiān)控信息維護、預(yù)測及反饋分析、初始信息查詢、監(jiān)控信息查詢、工具和幫助等。5結(jié)論隧道盾構(gòu)施工遠程監(jiān)控及反饋分析系統(tǒng)由自動量測系統(tǒng)、監(jiān)控信息管理系統(tǒng)構(gòu)成,具備施工現(xiàn)場實時監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程采集、轉(zhuǎn)換及存儲、監(jiān)控數(shù)據(jù)訪問與查詢、數(shù)據(jù)反饋與地層變形預(yù)測等功能。自動量測系統(tǒng)通過實時數(shù)據(jù)采集平臺,數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控中心,構(gòu)建隧道施工量測數(shù)據(jù)自動采集平臺,監(jiān)控信息管理系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置、監(jiān)控信息管理、預(yù)測及反饋分析、信息輸出及系統(tǒng)工具等功能模塊,實現(xiàn)施工監(jiān)控工作的日常事務(wù)管理,如公文收發(fā)、管理協(xié)調(diào)意見等;實現(xiàn)地質(zhì)參數(shù)、隧道參數(shù)及盾構(gòu)參數(shù)等靜態(tài)信息的維護及查詢功能;實現(xiàn)地面沉降數(shù)據(jù)、內(nèi)部測點沉降數(shù)據(jù)等動態(tài)信息的維護及查詢功能;實現(xiàn)監(jiān)控信息的文字、表格、曲線和三維圖像等多種形式輸出;實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的反饋和地層變形的預(yù)測功能。參考文獻:1張慶賀,朱忠隆,周希圣.盾構(gòu)法隧道施工多媒體監(jiān)控與仿真技術(shù)J.同濟大學學報,2001(6.2孫鈞,袁金榮.盾構(gòu)施工擾動與地層移動及其智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測J.巖土工程學報,2001(3