（安全技术及工程专业论文）东川河隧洞在线监测与预警系统研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa i m e da tt h er e s e a r c hp r i m a r i l yo ft h eo n l i n es a f e t ym o n i t o r i n g s y s t e ma b o u td o n g c h u a nr i v e rd i v e r s i o n t u n n e l t h ep u r p o s ei st oe s t a b l i s has u i to f i n t e g r a t eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m t h i ss y s t e mw o u l dc o m m a n da c c u r a t e l y t h a t s i n l a t i o ni n f o r m a t i o no ft u n n e l si nr e a lt i m e b yt h ew a y , i tw i l lc o a c hm i n en o r m a l m a n u f a c t u r ea c c o r d i n ga sm o n i t o ra n a l y s er e s u l t s a n dl e tm i n ep r o d u c t i o n d e c i s i o n m a k i n gs c i e n t i f i c a l l y i nt h i sp a p e r , a ss u b s t a n t i a lc o n t e n t s ，i td e s i g n so n l i n es a f e t ym o n i t o rs y s t e m c o m b i n i n gp r a c t i c a ls i t u a t i o no fd o n g c h u a n r i v e rd i v e r s i o nt u n n e la n dh a n g sm o s t a d v a n c e df i b r e o p t i c a ls e n s i n gt e c h n o l o g y , f i b r e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yt o g e t h e ri n t oas u i to fp e r f e c t 袖r e - o p t i c a lm o n i t o r s y s t e m c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a le n g i n e e r i n gs a f e t ym o n i t o rs y s t e m ，t h i s n e w s v s t e mh a si n c r e a s e dp r e c i s i o n so fm o n i t o rd a t a a n da n t i - j a m m i n ga b i l i t i e s a tt h e s a m et i m e ，t r a n s f e rf a s h i o no fi ts h o u l db em o r es t e a d y , r e l i a b l ea n ds e c u r i t y m e a n w h i l e ，i th a sm o r ea d v a n t a g e sa tr e s o u r c es h a r i n g ，e x t e n d i b i l i t y , s t a b i l i t y , p o p u l a r i t ya n ds t a n d a r d i z a t i o n ，e t c b e c a u s eo fc o m p l i c a t e dr o c kc o n f o r m a t i o n a r o u n dd o n g c h u a nr i v e r d i v e r s i o nt u n n e l ，w e a ks t a b i l i t ya n di td r a w sc l o s et ot h eo p e na i rs t o p e ，m i n e s n o r m a lp r o d u c t i o nw i l lb r i n gd e t e r m i n a t ea d v e r s ee f f e c t st ot h et u n n e ls a f e t y s o t h i ss y s t e mu s e sm a n yk i n d so fm o n i t o r sw a y sa n dp l e n t yo fs e n s o r s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h em o n i t o rs y s t e mw o u l dc r i s i sv a r i o u sd a t ai n f o r m a t i o n ，b u i l dr e l a t i v e d a t aa m a l g a m a t i o nm o d e l ，c o n f i r ms c i e n t i f i cd a t aa n a l y s i sm e t h o d s ，i n c r e a s ea b i l i t y o ff i n d i n ga n dd e a l i n gw i t ht u n n e ld i s e a s e s ，c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i st h o s ed i s e a s e s a n dp r o v i d ec o r r e c tt u n n e ls i t u a t i o ni n f o r m a t i o ni nt i m ef o rm i n ep r o d u c t i o n k e y w o r d s ：t u n n e lt r a n s f e r r i n gw a t e r ，f b gs e n s o r s ，s a f e t ym o n i t o r i n g ， e a r l y w a r n i n gs y s t e m n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 释嘶 导师( 签名 强：汐 d | 了t 沁 武汉理i ：人学硕十学何论文 1 1 引言 第1 章绪论 隧洞的安全监测是掌握隧洞运行状态的重要手段，安全监测通常是指采用相应 仪器对隧洞的各项运行参数进行定量观测，准确、实时地掌握隧洞的状态信息，并 以监测分析结果为依据指导矿山正常生产，使矿山生产决策更加科学、更加合理。 1 2 矿区概况及地质情况 金堆城钼业有限公司露天矿位于秦岭山脉东段，该矿体上有东川和西川两条河 流经过，两者在矿体西南角汇集成汶峪河流出矿区。西jj l ：；f , - i 从矿体西南侧通过，其 改道工程已经于1 9 9 6 年施工完毕，现已投入运营。东川河从矿区的东南侧穿过，形 成河流压矿的天然局面。当露天采场南扩进入深凹后，河水将直接溃入露天坑内， 直接威胁采场安全，因此，实施针对流经矿区段河流进行改道工程，即东川河引水 隧洞工程。隧洞全长1 2 8 0 m ，开挖断面宽6 m 、高7 m ，衬砌厚度为3 0 - - - , 5 0 m m 。东川河 引水隧洞的安全运行是露天矿安全、可持续生产的基础。 根据长安大学2 0 0 6 年1 2 月提供的“金堆城东川河引水隧洞围岩工程地质编录 报告可知，该引水隧洞围岩节理、断层构造极为发育，岩体完整性很差，多呈碎 块状结构，局部地段呈散体结构，属典型的硬、脆、碎型围岩，围岩类别v 类， 围岩均含水，围岩的稳定性极差。且距离露天采场较近( 最小垂直距离为4 2 m ，最 小水平距离为4 7 m ) ，矿山的正常生产活动对隧洞的安全有一定的不利影响。因此， 隧洞的安全状况令人担忧，有必要对其安全运行状况进行实时在线监测。 1 3 国内外隧洞在线安全监测研究现状 1 3 1 传感器的发展情况 安全监测系统的核心设备是传感器“1 一”，传感器的发展过程也体现了安全监测 武汉理1 ：人学硕l ：学侮论文 的发展进程。传感器是一种能将环境物理量转换成可识别信息的器件。根据所选用 传感器不同，输出信号也有不同形式，如电流、电压、脉冲、频率等。传感器能够 被动的感受环境的变化并转换成相应的输出信息，从而对工程的运行状态起到监视 作用n 1 。 随着科学技术的发展，传感器也从最初的的差动电阻式传感器逐步发展到目前 较为先进的光纤光栅传感器。总的来看，传感器不断向小型化、集成化、智能化的 方向发展，除了具有自校准、自诊断，能对测量值进行修正和误差补偿的等功能外， 还具有了判断和信息处理功能，有数据通信接口，能与微型计算机直接通信。目前 美国在传感器的研究与开发方面处于世界领先地位。而我国由于基础薄弱，传感器 技术与发达国家相比还有较大的差距。 目前，在安全监测领域所使用的新型传感器主要为光纤光栅传感器“1 。光纤光 栅传感器主要有压力、流量、位移等传感器；光纤光栅传感器属于无源器件，无需 电源，抗电磁干扰，体积小，可埋入结构内部以及易于形成多点测量系统等优点； 与传统传感器相比具有灵敏度高、体积小、结构简单、耐腐蚀、电绝缘性好、便于 实现遥测等优点。 1 3 2 监测项目的发展情况 最初的监测项目主要为应变、温度、位移等，随着监测设备以及监测理论的发 展，目的监测项目除了以上内容外，增加了应力、水位、接缝和裂缝、空气温度、 挠度、混凝土温度等监测项目。 1 3 3 监测方式的发展情况 在安全监测系统中，要对众多的监测点进行实时监测，大部分监测数据需要上 报到管理中心进行处理。从技术的发展角度来看，主要是从信息传输与采集方式的 发展进步来划分检测系统发展阶段的。 最早的监测是由人工完成，即监测人员定期到现场对采集点的数据进行采集并 记录下来回去后上报到管理中心。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在 环境较恶劣的地区，通过人工采集往往事倍功半，对突发情况的响应也跟不上。 随着通讯的发展和计算机的普及，出现了基于电台通讯的检测系统，比人工的 方式效率提高了很多。但也存在信号质量没保障，运行效率低等弊端。 2 武汉理+ l ：人学硕十学何论文 到了上世纪的8 0 年代，国外已将计算机技术、集成电路技术、数据通信技术 等现代高新技术广泛应用于监测系统，形成了以分布式微处理机为基础的监控。经 过多次的技术更新，目前主流的安全监测系统包括了信息采集、传输、处理三大部 分，有有线、无线、短波、光纤等多种通讯方式，系统的展示技术也是丰富多彩， 安全监测系统的发展趋势越来越趋于网络化、数字化、智能化。 现代的计算机技术、通信技术、超大规模集成电路的迅速发展，对传感器的精 度、响应速度、可靠性、获取的信息量等要求越来越高，但由于我国在传感器技术 领域的落后，因此导致我国的监测自动化方面与国外发达国家相比还有一定的差距。 国内监测监控系统从信息传输与通讯方式来看，先后经历了三个阶段：第一阶段是 每个传感器需一对传输线连接到地面的星型结构；第二阶段是在一对传输线上实现 多路频率分割的载波传输；第三阶段是目前应用最多的中心站和分站之间的半双工 时分总线方式。 1 4 本文研究的目的及主要内容 本文研究的目的足实现东川河引水隧洞运行状况在线安全监测。根据监测项目 内容和监测目标，建立优化的监测系统框架。根据监测项目和隧洞危险段分布特征， 确定科学合理的测点布置方案。根据监测项目内容和隧洞环境特征，确定科学合适 的、具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高、耐久性强、适应复杂工 况条件的及可实现远距离实时连续监测的光纤传感器。在线监测的目的是对隧洞的 安全状况进行实时评估和预警，科学的安全判据是预警的关键，因此，必须针对性 技术分析研究，找出各种参数合理的警戒值。综合利用现代传感技术，通讯技术以 及计算机网络技术，设计出一套自动化安全监测系统。 武汉理i ：人学硕卜学位论文 第2 章监测系统的构成 2 1 隧洞地质构造介绍 2 1 1 工程背景 金堆城钼业科技责任有限公司露天矿位于秦岭山脉东段，该矿体上有东川和西 川两条河流通过，两者在矿体西南角汇集成汶峪河流出矿区。西川河从矿体西南侧 通过，其改道工程己于1 9 9 5 年施工完毕，现已投入运营。东川河从矿区的东南侧穿 过，形成河流压矿的天然局面。当露天采场南扩进入深凹后，河水将直接溃入露天 坑内，对采场的生产安全造成直接威胁，因此，必须实施针对流经矿区段河流进行 改道工程，既东川河引水隧洞工程。 2 1 2 自然地理 东川河引水隧洞位于东秦岭山系的南缘，行政区划隶属陕西省华县南部的金堆 镇。区内总的地势呈北高南低，西高东低的特点。区内海拔最高点为西北分水岭， 标高2 0 3 0 2 0 7 7 m ，最低点为东川河，标高11 4 8 9 m ，相对高差达9 0 0 m 。 本区属亚热带与大陆性温润气候过渡带，具有高山气候特征。区内气候四季分 明，夏季较热，冬季寒冷，早晚温差较大。多年平均气温8 8 摄氏度，七月最高， 月平均2 0 2 摄氏度；元月最低，月平均一2 7 摄氏度。多年极端最高3 4 2 摄氏度 ( 1 9 9 8 9 6 ) ，极端最低一1 8 8 摄氏度( 1 9 9 1 1 2 2 8 ) 。 区内雨量充沛，多年平均降水量8 4 9 9 m m 。自1 9 8 4 年9 月金堆城矿区建立气象 站观测以来，目前观测到的最大降水量3 8 3 4 m m ( 1 9 9 8 7 ) ，最大降雨量为r 降水量 1 1 4 1 m m ( 1 9 9 2 8 4 ) ；历年最大月平均降水量为8 月份，降水量达1 6 4 8 m m ，最小 月平均降水量为1 2 月和元月，均为9 2 m m ；降水主要集中在7 9 月，此连续三个月 的降水量占全年的5 1 3 8 ，且多以暴雨为主，而冬季干旱少雨。 2 1 3 地形地貌 金堆城矿区位于东秦岭山系南缘中高山区，地貌成因类型可分为构造侵蚀地貌、 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 构造剥蚀地貌、流水地貌、风成地貌及人工堆积地貌等几种。构造侵蚀地貌主要表 现为区内峰峦重叠，地势陡峻，地形切割剧烈，沟谷发育等地形特征；而构造剥蚀 地貌表现为区内有三级夷平面。最高一级由标高1 5 7 7 m 的一系列山头组成，岩性主 要为黑云母安闪玢岩、花岗岩、石英岩；其余两级标高分别在1 3 0 0 - 1 3 5 0 m 和 1 2 5 0 - 1 2 8 0 m 。后两级夷平面上常有漂卵石等河流堆积物存在( 主要为花岗岩块、卵 石、砾石及粗砂) ，其下则多为安山玢岩构成的岩基。后三者主要位于相对低沣的沟 谷、坡脚和河谷两侧，以松散的碎石土、卵砾石等为主，厚度较小。 2 1 4 地质构造 东川河引水隧洞在大地构造单元上为秦岭地轴北缘的寒武一震旦纪凹陷地带内， 经长期的地壳运动及岩浆活动，形成了各种褶皱和断裂构造。区内大的构造主要为 近东西向的金堆城一黄龙铺背斜及其派生的两翼断裂束；北东向的构造主要表现为两 期构造活动，早期形成n e 向褶皱构造，晚期形成n e e 、n w w 和n n e 向断裂构造，其 中较大的各种构造有：金堆城一黄龙铺背斜、金堆城一青冈坪大断裂、燕门凹断裂、 金堆城一桃园北东向断裂束等。 依据国家地震烈度区划图知，金堆城地区地震烈度为v i 度。 2 1 5 地层岩性 本区出露的地层新老截然分开，老地层本为元古界变质岩系，而新地层为第四 系各种松散堆积物，中间缺失古生界、中生界及新生界第三系地层。 区内变质岩主要为安山玢岩、石英岩、凝灰质板岩等几种，另外尚分布有不同 时期的岩浆岩。岩浆岩有早加罩东期辉绿岩、中生代燕山期花岗岩以及晚燕山期的 花岗斑岩。层状辉绿岩侵入于熊耳群及高山河组地层中，脉状者多沿东西向断裂出 露。花岗岩则主要分布在矿区的中部及西i l 河以北地区。 2 1 6 水文地质 因东川河流域面积较小，故未设系统观测的水文站，没有确切的流量资料，下 面的流量是按金堆城钼业公司与马鞍山矿山研究所露天矿北帮治理组提交的金堆 城钼业公司露天矿北帮综合治理工程勘察与方案研究报告引用的。东川河一般流 量0 3 - 0 5 m 3 s ，洪水时流量1 9 2 0m 3 s 。 武汉理l ：人学硕十学何论文 东川河位于东北部高山区，流经矿区东部，汇集于矿区南部成汶峪河，注入洛 河，最后注入黄河。东川河全长9 5 k m ，在矿区以上的河道长约8 k m ，汇水面积为2 9 k m 2 ，上游有东沟、西沟、和尚沟、野猪沟、老汉沟等支流，进入矿区有龙王沟、大 小马岔沟、北沟、两岔沟等水流注入。河谷下游谷底较宽阔，达6 0 m ，且两岸分布 阶地较宽广，现代河床已切入基岩卜3 m 。 2 2 隧洞围岩地质分析 2 2 1 进口段围岩地质结论 ( 1 ) 0 - 3 5 - - 0 + 3 0 5 段隧洞围岩以元古界硬质安山玢岩为主，其内节理、断层构造极 为发育，导致岩体完整性很差，多呈碎块状结构，局部地段呈散体结构，属典型的 硬、脆、碎型围岩。围岩类别v 类，围岩整体自稳能力差，多以洞顶掉块、塌 方破坏为主，局部出现洞壁上部围岩沿节理面向下的滑塌破坏。 ( 2 ) 0 + 3 0 5 - - 0 + 3 4 5 段围岩多呈镶嵌碎裂结构，完整性相对较好，围岩类别为类， 围岩破坏以涧项掉落小的块石和洞壁滑落破坏为主，整体稳定性相对较好。 ( 3 ) 0 + 3 4 5 - - 0 + 3 5 9 段围岩呈散体碎块结构，完整性差，围岩类别为v 类，自稳 能力差，以洞顶、洞壁塌方破坏为主。 ( 4 ) 0 + 3 5 9 - - , 0 + 4 1 0 段围岩呈镶嵌碎裂结构，完整性相对较好，围岩类别为类。 围岩破坏方式以洞顶掉落小的块石为主。 ( 5 ) o + 4 1 0 o + 5 3 7 段围岩多呈散体碎裂结构，有多条断层穿过洞室，完整性差， 围岩类别为v 类。整个围岩自稳能力很差，洞顶有大量滴水现象，个别地段出现涌 泉现象。洞室围岩极易发生塌方破坏。 ( 6 ) 0 + 5 3 7 0 + 7 7 6 段围岩多呈镶嵌碎裂结构，完整性较好，围岩类别以类为主， 节理较发育，有少量滴水。围岩有一定的自稳能力。 2 2 2 出口段围岩地质结论 ( 1 ) 1 + 2 7 8 9 - - - 1 + 2 6 8 0 段围岩呈散体碎块状结构，围岩类别为v 类，稳定性差。 ( 2 ) 1 + 2 6 8 0 1 + 2 0 8 9 段围岩多呈碎块碎裂结构，围岩类别为v 类，围岩 整体自稳能力较差，多以洞顶、洞壁的围岩沿不利的节理组合面向下掉块、滑塌破 坏为主。 6 武汉理：人学硕 ：学位论文 ( 3 ) l + 2 0 8 9 1 + 1 0 7 0 段围岩多呈碎裂镶嵌碎裂结构，围岩类别为i v 类，完整 性相对较好，但在洞侧壁由于两组节理的不利组合，容易产生岩块沿节理面向洞内 发生滑落破坏。 ( 4 ) 1 + 1 0 7 0 - - 1 + 0 8 4 9 段围岩多呈镶嵌碎裂结构，完整性较差，节理发育。围岩 类别为类，有一碎块壮的石英岩脉穿过洞室的右上部，致使洞室右侧易发生掉块 滑落现象。 ( 5 ) 1 + 0 8 4 9 1 + 0 4 7 9 段围岩多呈散体碎块状结构，围岩类别为v 类，有石英 岩脉和断层穿过洞室，洞室极易发生塌方破坏。 ( 6 ) 1 + 0 4 7 9 0 + 8 8 5 9 段多呈碎块块状结构，围岩类别为类，破坏方式以洞 顶发生掉快现象和洞壁发生滑塌现象为主。 ( 7 ) 0 + 8 8 5 9 - - - , 0 + 7 6 6 0 段围岩多呈镶嵌碎裂次块状结构，围岩类别为类，围 岩有一定的自稳能力，破坏方式主要是岩块沿结构面的不利组合向下滑动，发生塌 方。滑塌等破坏。 2 3 传感器的选择 目前应用于工程安全监测的传感器有许多种，但根据工作原理来划分，主要有 以下几种类型：差动电阻式传感器、弦式传感器和国外近些年研制的光纤式传感器， 下面就各种传感器的性能特点和使用情况分别介绍。 2 3 1 差动电阻式传感器 该传感器“是美国加州大学卡尔逊教授所研制。由其内腔的两根弹性钢丝作为 传感元件，传感器受力后一根钢丝受拉、另一根受压。当环境物理量发生变化时， 两者的电阻值向相反的方向变化，根据两个钢丝传感元件电阻值比值的变化情况， 可测算出导致其发生变化的环境物理量的数值，由此来实现对工程运行状态的观测。 差动电阻式传感器近年来解决了长导线电阻、总线电阻变差对测值的影响等问题， 并实现自动化遥测，其总体性能上已得到很大发展。尽管目前其他传感仪器的发展 和进步，已在某些方面对差动电阻式仪器的应用产生极大的影响，但从国内工程已 经使用数以万支计差动电阻式传感器的绝对数量上看，差阻式仪器的应用仍具有一 定的空间。目前差阻式仪器已由3 线制改为5 线制的测量方式；仪器电阻、遥测距 武汉理j ：人学硕十学何论文 离、电阻比测量精度、抗一f 扰能力均有所提高。 2 3 2 振弦式传感器 该类型传感器2 妇由前苏联的达维金可夫发明。振弦传感器的工作原理，是源于 一根张紧的钢弦振动的谐振频率与钢弦的应变或者张力成证比，这种基本关系可以 用来测量多种物理量如应力、温度、应变和倾斜等。其核心元件是一根钢弦，钢弦 的一端固定，另一端则固定在测量元件( 测量端块或受压膜片) 上。当传感器受力后， 钢弦长度将产生微小变化，引起其固定频率的变化，从测量钢弦振动频率的变化， 可以测算出导致其发生变化的环境物理量的数值，由此来实现对工程运行状态的观 测。振弦传感器相对于差动电阻式传感器的优点就在于振弦传感器输出的是频率而 不是电阻。频率可以通过长电缆( 2 0 0 0 米) 传输，不会因为导线电阻的变化、温度 波动、浸水、接触电阻或绝缘改变等而引起信号的明显衰减。近几十年来，我国很 多工程都采用了这种传感器。国内开发研制弦式仪器已有4 0 多年的历史，随着工程 监测自动化的发展，弦式传感器近年也取得较大进步，且品种类型、系列较齐全， 但与国外同类产品仍有一定的差距。近几年，弦式仪器的精度、性能、外观都有较 大的改观；同时，大多传感器已增加测温功能和对其进行温度补偿修正，率定精度 也有所提高。 2 3 3 光纤传感器 光纤传感技术“2 1 是继电测技术之后的新型传感技术。该技术具有“传 、“感” 合一的特点，以光波为载体，光纤为媒质，具有抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度 和测试精度高、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点，还可对工程结构进行分 布式测量。这些优点决定其在工程结构安全监测方面具有很强的竞争力，并在隧道、 桥梁、堤坝、边坡、航空航天、船舶、和电力等工程结构及岩土工程的监测与诊断 中获得广泛研究与应用。如t h t c h a n 等用4 0 支f b g 传感器黏贴在香港青马大桥 的桁架梁、支座等部位进行健康监测；南京大学光电传感工程监测中心施斌等用基 于b o t d r 的分布式光纤传感技术对南京鼓楼隧道进行健康诊断；武汉理工大学姜德 生1 7 1 院士团队开发了光纤光栅传感器及其传感系统用于大型结构工程( 桥梁、隧 道等) 长期安全监测与健康诊断，均取得了很好效果。 其工作原理如图2 - 1 所示： 武汉理l j 人学硕斗学位论文 白 被测信号 编码彗调制光 的光纤传输线 圈一回 图2 1 由于外界冈素( 如温度、压力、电场、磁场、振动等) 对光纤的作用，引起光 波特性参量( 如振幅、相位、偏振态等) 发生变化。因此人们只要测出这些参量随 外界因素的变化关系，就可以通过光特性参量的变化来检测外界因素的变化，这就 是光纤传感器的基本工作原理。 国内外工程结构监测领域目前广泛采用的光纤传感器主要包括光纤b r a g g 光栅 传感器( f b g ) 、b r i l l i o u i n 光时域反射计( b o t d r ) 、f a b r y - p o r o t 空腔传感器( f p i 及 s o f o 点式光纤传感器等。分布式的b o t d r 可对结构进行大范围监测，但分辨率较低， 测得应变是所在位置后面一定距离( 空间分解率) 的平均应变值。f p i 和s o f o 分辨率 高，但受信号传输和解调技术的限制，布点数量有限，还不能从根本上突破点式测 量的局限，比较适用于结构重点部位的监测。而f b g 不仅分辨率高，所测的应变位 置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义 上的多点线式分布测量，因此，f b g 在很大程度上弥补以上几种传感器的不足，并 成为光电传感领域的研究热点。目前很多国家都在致力于f b g 及解调系统的研究。 我国在光纤领域的研究相对晚一些，但也取得了较大进展，在我国的工程监测中有 许多成功的应用实例，具有十分广阔的应用前景。 9 武汉理i ：人学硕一 ：! 学位论文 2 3 4 传感器的选择 光纤式传感器具有不受电磁干扰，防水性能好，体积小，可植入结构材料内部 等优点。尽管光纤传感器在国内工程监测上的应用尚处于起步阶段，但由于具有其 他类型传感器所无法比拟的优越性，因此具有十分广泛的应用前景。 由于东川河引水隧洞常年引水，隧洞长1 2 8 0 m ，同时隧洞工程所处的地区为山 区，夏季雷电较多。综合以上这些因素，在传感器类型的选择上必须考虑易于实现 自动观测与分析，同时对雷电不敏感；如果采用基于电力系统的差动式或振弦式传 感器，除了可能受到雷电影响外，还会因为在潮湿的洞内长距离低压输电引发事故， 同时电压也会降低得非常快；同时有部分仪器需要安装在水位线以下，在通水的情 况下基于电力的传感器及电信号传输都是无法回避的问题；鉴于以上这些客观因素， 隧洞安全监测系统选择基于光纤式传感器的安全监测方案。 2 4 监测断面的选择 隧洞总长度1 2 8 0 m ，选取有限个断面作为监测断面，由于隧洞围岩1 钉构造复杂、 稳定性极差，且距离露天采场较近( 最小垂直距离为4 7 m ，最小水平距离为4 2 m ) ， 因此断面的选择必须紧密结合隧洞的工程地质情况。 2 4 1 监测内容的选取 隧洞安全主要取决于围岩的稳定和衬砌体的略固。因此隧洞的安全状况通常依 据隧洞结构的变形和衬砌的应力状态来判断；隧洞的变形除了受围岩应力变化影响 外，不科学的正常生产活动如爆破震动效应的作用也可使其发生变形破坏。要可靠 掌握隧洞的运行状态，必须及时、准确的获取隧洞结构的变形和生产爆破对隧洞产 生的震动影响以及雨季隧洞的水量变化信息等，因此，有必要对以下项目内容旧1 进行监测： 1 隧洞水平位移和垂直位移1 隧洞围岩位移是判断围岩稳定性1 钉的重要依据，传统的隧洞围岩位移量测方法 有两种：一种是在施工过程中布置量测断面，间隔一定的时间由人工用各种机械式 或机械一电子式收敛计量测；另一种是借助隧洞断面仪定时定点量测。两者的优点 i o 武汉理f ：人学硕+ 学何论文 是监测仪器简单，不足之处在于： ( 1 ) 不能实时监测； ( 2 ) 量测工作危险； ( 3 ) 对施工干扰大； ( 4 ) 量测数据不可靠； ( 5 ) 量测费用高。 为了克服传统位移量测方法的种种弊端，因此在东川河引水隧洞位移监测中采 用光纤光栅位移传感器进行实时监测。 2 衬砌混凝土应力 既有隧洞在多年服役后，混凝土衬砌结构在无外界变化因素情况下，其位移和 应力状态基本稳定。当矿山开采活动对隧洞周边围岩环境产生影响时，必然引起隧 洞受力状况的变化，进而使隧洞产生位移变形和附加的应力变化。通过对衬砌混凝 土应力变化的监测，可以了解矿山开采对衬砌混凝土内力的影响。当变化增加幅度 或变化速率较大时，可给予适当工程干预，从而实现状态控制，避免影响扩大的目 的。在各段引水隧洞监测断面( 同位移监测在同一个断面) ，设置光纤光栅应变传感 器( 混凝土表面式) 用来监测隧洞的衬砌混凝土应力变化1 。 3 围岩应力 围岩应力是影响围岩稳定的重要因素之一。隧洞围岩在采场卸荷和爆破震动下 会发生变化，因此在各个监测断面设置光纤光栅应变传感器( 钢结构表面式) 进行 监测。 4 爆破震动监测 由于隧洞距离露天采场的最小垂直距离为4 2 m ，最小水平距离为4 7 m ，矿山的正 常生产爆破对隧洞会产生一定的震动，对隧洞的安全运行势必造成不利影响。因此 有必要对爆破震动进行实时监测。在各个监测面设置光纤光栅振动传感器进行监测。 5 水位和流速监测 东川河引水隧洞位于东秦岭山系的南缘，区内雨量充沛，多年平均降水量 8 4 9 9 m m 。自1 9 8 4 年9 月金堆城矿区建立气象站观测以来，目前观区测到的最大降 水量3 8 3 4 m m ( 1 9 9 8 7 ) ，最大降雨量为r 降水量l1 4 1 m m ( 1 9 9 2 8 4 ) ；历年最大月 平均降水量为8 月份，降水量达1 6 4 8 m m ，最小月平均降水量为1 2 月和元月，均为 9 2 m m ：降水主要集中在7 9 月，此连续三个月的降水量占全年的5 1 3 8 ，且多以 暴雨为主。因此，对隧洞水位和流速的监测，对保证隧洞安全运行有着重要意义。 武汉理l ：人学硕十学何论文 由于在隧洞内水流的流念比较稳定，因此只需要在管道的进水口和出水口处一定位 置设置监测断面，在每个断面处将设置2 个流量计和水位计。 表2 1 隧洞自动化监测项目一览表 序号监测项目测点位置测点布置说明 l 隧洞水平位移和垂直位移隧洞衬砌表面布置在典型地质构造段 2 衬砌混凝土应力隧洞衬砌混凝土布置在典型地质构造段 3围岩应力完整围岩中根据地质情况布点 4 爆破震动监测隧洞顶板和侧墙布置在典型地质构造段 5 水位和流速监测水中布置在隧洞两端 2 4 2 监测断面的选择 监测断面位置的选择是结合隧洞工程地质资料，施工资料和运行管理资料来确 定的。由于东j i i 河引水隧洞围岩构造复杂、稳定性极差，因此在本项目中一共设置 了1 5 个监测断面。在每个监测断面上，传感器类型及数量的设计是不同的，但就隧 洞整体而言，传感器类型及数量的布置是有一定规律性的。 自动化监测的项目如下表2 2 所示： 1 2 武汉理f ：人学硕十学何论文 表2 - 2 隧道自动化监测项目一览表 序 监测项目 单数 位置或 号 位量 监测对象 测点布置说明 水平位移和垂 l 占 6 3 隧洞衬砌表面每断面5 个监测点， 直位移 、 衬砌混凝土应隧洞衬砌混凝 2点 3 7 每断面2 3 个监测点， 力 土 3 围岩应力点 3 7 完整围岩中每断面2 3 个监测点， 隧洞顶板和便 4爆破震动监测点 3 6 每断面3 个监测点， 墙 水位和流速监隧洞入水口和 5 点 4两端各2 个 测出水口 该监测系统共布置了1 7 7 个传感器，每个断面平均布置了1 2 个传感器，监测内 容包括了隧洞水平位移和垂直位移、衬砌混凝土应力、围岩应力、爆破震动、水位 和流速。因此在文中根据隧洞的地质情况，我们选择隧洞的1 5 个监测断面进行研究。 传感器在这1 5 个监测断面的分布情况如表2 - 3 所示： 武汉理i ：人学硕 ：学位论文 1 4 止议理人学顾十学何沦文 第三章数据采集、管理、分析系统 由于系统使用多种监测手段，而且传感器数量非常多，因此，整个隧洞的监测 系统必须将多个数据源的不同种类数据进行数据融合，建立相应的数据融合模型， 确定科学的数据处理与分析方法，以提高及时发现和处理隧洞病害的能力，对隧洞 常见病害进行综合分析，为矿山的生产决策提供实时、准确的隧洞状态信息“删。 31 系统总体结构 311 系统网络结构 圈3 - 1 系统拓扑结构示意图 系统拓扑结构说明： ( 1 ) 现场传感器根据站点的具体情况可选用数传电台、g p r s 、光纤等方式进行数 武汉理i ：人学硕十。学何论文 据传送。即根据各个传感器重要性的不同和地理位置，无线信号的不同确定该传感 器采用的传输方式，然后将传感器与电台、手机、网络适配器连接起来，配置数据 传输的参数。 ( 2 ) 对于电台方式的传输设备，通讯服务器每分钟对每个点进行轮询，即一个一个 顺序发送取数请求到电台，电台将与其连接的传感器采集到得瞬时值发送回总传电 台，总传电台再通知服务端系统存入实时监控数据库。 对于g p r s 方式的传输设备，每个g p r s 手机每分钟自动发起一个无线数据发 送到通讯服务器的g p r s 接收服务端，将与其连接的传感器的编号和瞬时值告知服 务端，服务端系统将采集到的数据加上采集时间存入实时监控数据库。 对于光纤方式的传输设备，每个网络适配器将与其连接的传感器的编号和瞬时 值告知服务端，服务端系统将采集到的数据加上采集时间存入实时监控数据库。 ( 3 ) 其他设备都通过局域网连接，所有采集到的数据展现以及分析统计都是在实时 监控数据的基础上进行整理和分类统计的而得到的。实时数据采集到后首先在监控 室的监控软件界面上显示出来，并根据设置好的报警阀值进行判断，符合报警条件 的记录将通过多种报警方式展示给监控人员。 1 6 武汉理i ：人学硕 ：学何论文 3 1 2 系统逻辑结构 ； 生产调度主控系统 k 一一一一j 图3 2 系统逻辑结构示意图 系统逻辑结构( 如图3 2 所示) 说明： ( 1 ) 整个系统的逻辑结构分三个大部分，实时数据通讯，实时监控预警，统计分析 查询平台，分别负责数据的采集，展示和分析。 ( 2 ) 实时数据通讯按照预定的通讯协议，通过不同的通信信道( 电台、g p r s 、光 纤) 接收到现场发送来的数据，并将数据存放到实时监控数据库中。该部分是系统 后台自动运行的程序，按照系统设定的规律完成数据采集的工作。 ( 3 ) 实时监控预警( 生产调度) 系统，主要包括系统管理，实时监控及数据查询三 大部分，主要是供监控人员使用，说明现场目前的状况，提醒监控人员有什么异常 情况。 1 7 武汉理j ：人学硕寸：学位论文 ( 4 ) 统计分析查询平台主要是提供给分析室和公司领导使用，是针对监控数据库中 的历史数据，按照实现定义的统计分析规则进行整理和汇总，存放到统计分析数据 库中，通过公司统一的综合查询平台进行数据展示，将同一设备不同时间的纵向比 较，不同设备同一时问的横向比较，分析出哪些情况是影响整个隧洞安全的，并针 对这些情况对预警系统模型进行修正，为安全生产提供科学决策的依据。 3 1 3 系统层次结构 如图3 - 3 所示： 数据表现层 业务逻辑 协议层 数据层 磊i 可赢习、丽n 丽 1。、一。，。1一。j1。一1。，。一 毯”j i 。；1 一“”一、 m * 。9 一。一”铲”瀚 匿协议定义及实现协议解释殷接e 数据整理过滤习 陵；，”h + 由7 r，。， m ，二：。j。 一：，秘 图3 3 系统层次结构示意图 最底层的数据层是系统的核心，用于储存整个隧洞的各时间段的水平位移和垂直 位移、衬砌混凝土应力、围岩应力、爆破震动、水位和流速情况。协议层负责数据 的传输。业务逻辑层规范了系统应该包含的业务功能。数据表现层是最终展示在用 户面前的系统软件。每个上级层次都是在下一层次的基础上建立起来的。 后台系统采用基于j a v a 技术的j 2 e e 多层结构设计，通过数据库层保存业务 数据，数据采集层采集数据，数据展现层提供用户访问本系统的接口界面，功能应 用层完成系统所有的业务逻辑，达到数据、逻辑及显示各层分离，降低各层耦合度， 提高系统扩展性、维护性的目的。 武汉理i ：人学硕 ：学位论文 3 2 数据采集实现方案设计 3 2 1 主流通讯方案 1 数传电台 数传电台通讯方式结构图3 4 所示： 电台 图 3 4 数传电台通讯方式结构图 数传电台通讯方式说明： ( 1 ) 各监测点传感器负责采集各监测点相关数据，并通过相连接的电台向主站发送 遥测数据 ( 2 ) 主站和遥测点之间采取半双工通讯模式，使用主站轮询方式从各个站点索取数 据。 ( 3 ) 可设置不同的策略来处理主从站点通讯失败的情况：重复发送命令，超时不候 并记录通讯成功与否，以作为轮询方式的次序。 ( 4 ) 制定统一的数据通讯协议，基于统一协议的基础上在主从站点间进行无线数据 传送。 2 g p r s 1 9 武汉理i ：人学硕十学何论文 g p r s 通讯方式结构如图3 - 5 所示： 移动公司 v p n 通道， a p n 通道 、_ 、一匿 。力。、 ( i t ) ) 峨奄。h 6 p s 收发n 1 一i - - j 一臣r t 丑u一回 通讯服 图3 - 5g p r s 通讯方式结构图 g p r s 通讯方式说明 ( i ) 采集点传感器设备通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 t r l 与g p r s 无线数据传输终端连 接，接入移动公司的g p r s 网络 ( 2 ) 通讯服务器可采用公网固定i p 的方式与各站点之问的g p r s 数传终端通 过t c p i p 协议进行数据通讯 ( 3 ) 数据通讯服务器也可通过公网使用v p n 接入到移动g p r s 网，g p r s 移动 终端需要具有v p n 二次虚拟拨号的功能。通过v p n 方式，各站点在连接通讯 服务器前，要经过认证服务器的认证，整个数据传送过程得到了加密保护，安 全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。 ( 4 ) 另外，数据中心也可以采用a p n 接入方式，租用专线接入到移动公司的 g g s n 设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。对于安全性要求非常高的 ；占一 武汉理l ：人学硕十学 = 7 ：论文 系统，可考虑在专用a p n 接入。 ( 5 ) 中心站点和各站点之间在t c p i p 协议的基础上在封装一层统的数据包 传送协议，在统一协议的前提下进行数据通讯。 3 光纤 光纤接入通讯方式如图3 - 6 所示： i 丫 ： 内部局域网 a 通讯服 纤路由器 光纤路由器 八 q 议转勰 回 3 6 光纤接入通讯方式示意图 光纤接入通讯方式说明 ( 1 ) 这是最安全最可靠的一种通讯方式，采集点传感器设备通过协议转换器接 入光纤路由，经过光纤接入到调度中心局域网 ( 2 ) 通讯服务器通过t c p i p 协议和现场站点进行数据通讯 ( 3 ) 中心站点和各站点之间在t c p i p 协议的基础上在封装一层统一的数据包 传送协议，在统一协议的前提下进行数据通讯。 3 2 2 采用通讯方案 目前的监测系统通常采用以上三类通讯方式中的一种，但通过分析各种通讯方 式都有其优势和缺点。其中 1 电台优点： ( 1 ) 方案成熟，技术要求不高； 2 l 武汉理i ：人学硕 = 学位论文 ( 2 ) 不需要外部的网络环境或者无线基站信号，适用性强，对于在丘陵、山区或移 动基站未到达的偏远地方，用短波电台传输是一种常用的选择； ( 3 ) 通讯本身不需要另外产生费用，主要投资在基础设备的建设和维护上，成本较 低 2 电台缺点： ( 1 ) 根据我国国家无线电管理委员会分配给我国的陆地移动通信频率范围以及各种 其他因素的综合考虑，真正适合当f j 作陆地移动通信的有1 5 0 m h z ，2 3 0 m h z ( 数 据传输用) ，3 5 0 m h z ，4 5 0 m h z 和9 0 0 m h z 几个工作频段，其中3 5 0 m h z 频段划规 部门作专用，9 0 0 m h z 作为g s m 公用移动通信频段，因此，实际留给常规无线电 台可用的频率资源非常有限。 由于移动通信业务的迅速发展，频率资源非常紧张，一般的部门要申请专用频 点相当困难，而且由于管理不到位，有些地方申请到的频点亦因干扰太严重而不能 很好地工作。 ( 2 ) 传输的效率相对较差，因为电台间传输是l 对l 的方式，多个信号采集点对一 个采集服务器通过电台传输必须要通过轮询方式，即一个时问周期内由采集服务器 端发起对信号采集点的电台轮询，收到一个再访问下一个，这样对处理的效率较低， 且当采集点扩展很快而对采集频率要求又比较高的地方不太适合。 3 g p r s 优点： ( 1 ) 由于g s m 数字公众移动通信网覆盖范围特别广( 全国) ，系统可靠性高( 由于 g s m 网络本身具备完整数据校验错包