隧道工程自动化监控量测技术的发展现状

隧道工程自动化监控量测技术的发展现状

王建威

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摘要：隧道工程是现代基础设施建设的重要组成部分，其施工过程复杂，涉及多种地质和环境因素，因此对其进行有效的监控量测至关重要。随着科学技术的进步，隧道工程的监控量测技术也逐渐实现了自动化和智能化。本论文综述了当前隧道工程自动化监控量测技术的发展现状，介绍了主要的监控量测方法和设备，并探讨了其在实际工程中的应用和未来发展趋势。

关键词：隧道工程；自动化；监控量测技术；发展现状

引言：隧道工程由于其独特的地下环境和施工条件，面临着诸如地质不确定性、结构变形、渗水等多方面的挑战。因此，对隧道施工过程中或运营过程中的实时监控和精确量测显得尤为重要。传统的监控量测方法主要依赖人工测量，效率低、精度有限，且易受人为因素影响。近年来，随着测量机器人、传感器技术、数据采集与处理技术的发展，自动化监控量测技术在隧道工程中的应用越来越广泛。

1科学技术的进步

测量机器人技术、传感器技术的进步为隧道工程自动化监控量测提供了坚实的基础。目前常用的测量机器人主要为各型号的全站仪，传感器则包括各类光纤传感器，如激光测距传感器、倾角传感器、应变传感器等。这些全站仪、传感器可以实时监测隧道结构的应力、三维变形、温度、湿度等参数，提供高精度的数据支持。

测量机器人，即全站仪，通过自动化监测程序配合，可以实时测量三维坐标，加之性价比较高，在隧道监控中使用比重逐年上升。

光纤传感器，由于其抗电磁干扰、耐腐蚀和高灵敏度的特点，在隧道监控中得到了广泛应用，特别是在应力和变形监测方面，光纤传感器可以精确测量隧道结构的微小变形。激光测距传感器则利用激光束的飞行时间换算间接来测量结构位移和变形，具有非接触测量、高精度和远距离测量的优势。倾角传感器通过检测附着物的位置变化来监控结构的变形，具有高分辨率和高稳定性的特点。应变传感器用于测量隧道结构在应力作用下的变形情况，具有良好的灵敏度和线性度。

此外，温度和湿度传感器能够监测隧道内环境条件的变化，对预防结构病害和确保施工安全具有重要意义。

2数据采集与处理技术

数据采集与处理技术在隧道工程自动化监控系统中起到了至关重要的作用。自动化监控系统通过布置在隧道中的各种传感器，采集大量实时数据。这些数据通过无线网络或有线网络传输至中央控制系统进行处理与分析。

传感器数据采集包括对应力、变形、温度、湿度等关键参数的监测，确保对隧道结构的全面了解。在数据传输环节，采用了先进的无线通信技术，如4G/5G网络或和物联网，确保数据的实时性和传输稳定性。

中央控制系统对采集到的数据进行初步处理，包括数据预处理，平差，去除粗差等，确保数据质量。随着大数据技术的发展，数据处理效率和准确性大大提高。利用云计算平台和分布式存储技术，可以高效管理和处理海量数据。人工智能算法，如机器深度学习，被应用于数据分析和预测，通过模型训练和优化，实现对隧道施工状态的实时监控和预警。例如，基于历史数据和实时数据，构建预测模型，可以提前预警可能发生的结构变形或灾害，提供决策支持。数据可视化技术也是数据处理的重要环节，通过图表、三维模型等形式直观展示监控结果，帮助工程师快速了解隧道状况。

3自动化监控系统

隧道工程自动化监控系统通常包括数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块和数据展示模块。各模块之间协同工作，实现了对隧道施工过程的全面监控。

数据采集模块负责从安装在隧道内的传感器收集实时数据，这些传感器可以监测应力、变形、温度、湿度等多种参数，确保全面捕捉隧道结构和环境的变化。

数据传输模块则利用无线或有线网络，将采集到的数据传输到中央控制系统。现代传输技术如5G网络和物联网技术的应用，确保了数据传输的高效性和稳定性。

数据处理模块是系统的核心部分，负责对传输过来的数据进行预处理、过滤、分析和存储。通过使用大数据技术和人工智能算法，处理模块可以从海量数据中提取有用信息，进行趋势分析和异常监测，提供精准的预警信息。例如，利用机器学习算法，可以建立预测模型，提前预警可能的结构变形或环境变化，预判施工风险。

数据展示模块则通过多种可视化技术，将处理后的数据以直观的形式展示给工程师和管理人员。基于BIM（建筑信息模型）技术的应用，可以将监控数据与三维模型相结合，实时展示隧道的施工状态和潜在风险。BIM技术提供了一个直观的三维环境，使得工程师能够更清楚地了解隧道内部的实际情况和变化趋势，方便决策和管理。此外，数据展示模块还可以生成各种报表和图表，帮助工程团队进行深入分析和总结。

各模块的紧密配合和高效协同，使得自动化监控系统能够实时、准确地监控隧道施工过程中的各类参数，确保施工的安全性和高效性。整体而言，隧道工程自动化监控系统通过集成先进的传感器技术、数据处理技术和可视化技术，实现了对施工过程的全方位、全天候监控，大大提升了工程管理水平和施工安全性。

4工程应用实例

自动化监控量测技术在国内外众多隧道工程中得到了成功应用。例如，各大城市地铁隧道和港珠澳大桥海底隧道等工程中，都广泛应用了自动化监控系统，对施工过程中的变形，成形结构倾斜等进行了有效监控，保障了工程的顺利进行。具体而言，地铁隧道利用自动化监控系统，实现了对隧道结构变形的实时监测，及时发现并处理潜在的安全隐患，从而大大提升了施工安全性和效率，高风险区域如能持续监测至正式地铁运营期，更能保证地铁运营安全。

而在港珠澳大桥海底隧道项目中，自动化监控系统不仅用于监测隧道结构的变形和应力，还对海水渗透情况进行了严密监控，通过精确的数据分析，确保了施工过程中的水密性和结构稳定性。通过这些监控措施，工程团队能够在隧道施工过程中实时掌握各项关键参数，及时调整施工方案，避免可能的风险。

自动化监控系统在这些重大工程中的应用不仅体现在实时监测和数据采集方面，还包括数据分析与处理。这些系统通常配备了先进的传感器和数据采集装置，能够连续记录施工过程中的各类数据，并通过数据传输系统将这些数据传送到监控平台。在监控平台，专业人员可以对这些数据进行分析，评估隧道结构的健康状况。通过数据分析，能够及时发现异常情况，提前采取预防措施，避免工程事故的发生。这种数据驱动的管理方式，使得工程管理更加科学和精细化，极大地提升了工程的安全性和可靠性。

此外，自动化监控系统的应用还带来了施工管理方式的变革。传统的隧道施工监控主要依赖于人工巡检和定点监测，存在监测盲区多、数据不连续、误差大等问题。而自动化监控系统则能够实现全天候、全方位的监测，数据连续、准确，极大地降低了人工监测的劳动强度和误差率。同时，远程监控功能使得参建单位能够随时随地掌握工程动态，进行远程指挥和调度，提高了工程管理的效率和灵活性。自动化监控技术不仅在国内的隧道工程中得到了广泛应用，在国际上的隧道工程中也同样受到了重视。比如，在瑞士的圣哥达基线隧道和法国的英吉利海峡隧道等著名工程中，自动化监控系统也发挥了重要作用。这些国际工程的成功案例，进一步验证了自动化监控技术在隧道工程中应用的有效性和必要性。通过借鉴国际先进经验和技术，国内隧道工程在自动化监控方面也取得了显著进展，为推动工程技术的进步和创新奠定了坚实基础。

结束语

隧道工程自动化监控量测技术的发展，为隧道施工的安全性和高效性提供了有力保障。未来，随着技术的不断进步，自动化监控系统将更加智能化、集成化，应用范围也将进一步扩大。同时，如何更好地处理和分析海量监控数据，提高系统的可靠性和灵敏度，将是未来研究的重点方向。通过不断创新和应用，隧道工程的自动化监控量测技术必将迎来更加广阔的发展前景。

参考文献

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[2]景强.港珠澳大桥桥梁施工监控管理与实践.浙江大学出版社.202010.

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