盾构隧道施工变形安全监测系统技术规范

1盾构隧道施工变形安全监测系统技术规范本文件规定了盾构隧道施工变形安全监测系统（以下简称系统）的设计、监测内容、数据采集与传输、数据处理与管理、数据分析和系统运行维护等方面的技术要求。本文件适用于盾构隧道施工变形安全监测系统技术规范的应用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T20271信息安全技术-信息系统通用安全技术要求GB/T50446—2017盾构法隧道施工及验收规范DGT/J08—2041—2008地铁隧道工程盾构施工技术规范DB11/T2096—2023城市轨道交通工程盾构法施工技术规程DB37/T5192—2021路基边坡变形远程监测预警系统技术标准3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1盾构隧道shieldtunnels采用盾构法施工技术修建成的预制管片拼装式隧道。3.2监测分级monitoringgrading根据地质条件、运营条件、结构断面等因素的影响程度大小对监测进行的等级划分3.3检测项目控制值detectthecontrolvalueoftheitem为满足工程结构安全及环境保护要求，控制监测对象的状态变化，针对各监测项目的监测数据变化量所设定的受力或变形的设计允许值的限值。3.4监测点monitoringpoints直接或简介设置在监测对象上，并能反映监测对象力学或变形特征的观测点。3.5信息采集系统informationcollectionsystem2将工程有关的影像、工程情况和监测数据等信息进行收集、分类、整理、存储，并形成信息数据库的系统。3.6信息传输系统informationtransmissionsystem从一端将命令或状态信息经信道传达到另一端的系统，包括传送和接收系统。3.7信息管理系统managementInformationSystem将从现场采集的各种数据进行集中管理和处理，并将处理信息发布到网络或其他设备上，有监控中心进行管理的系统4基本要求4.1盾构隧道工程监测应为施工安全状态、服役安全状态提供诊断依据，并应反馈设计与施工，为后续工程提供参考。4.2盾构隧道工程监测应根据隧道工程地质条件、周边环境条件、设计及施工情况等因素制定不同的监测等级，做到全面监测、重点加强。4.3监测项目应便于观测、协调反映结构安全状态。4.4监测点宜网络覆盖化，重点部位应针对性加密监测。监测点耐久性不应低于主体结构耐久性，不应妨碍轨道交通的运营安全。4.5监测采用信息化监测方法、监测数据快速系统整合。4.6监测频率应根据监测等级确定，并应满足反映监测对象变化过程的要求。4.7周边环境条件变化时，如地面堆载、地层降水、临近基坑开挖、临近楼房修建与拆除、邻近隧道及综合管廊施工等，应有针对性的加强监测。4.8监测分区及分级:应根据盾构隧道工程地质条件、周边环境条件、设计情况等因素划分为不同分区。实施过程中应根据施工监测情况、周边环境条件变化进行调整。4.9采用自动化监测时，应遵循实用、先进、经济和环保的设计原则。4.10应定期对系统采取标定等措施，减少系统误差，控制偶然误差，保证监测精度满足要求。5系统设计5.1系统设计流程由监测主站和监测终端组成，通过将隧道断面监测终端安装在掌子面及初期支护侧壁，在隧道断面形成多条完整监测光带，对掌子面和侧壁断面结构变形进行监测，并在二次衬砌稳定区域侧壁安装参考监测终端，形成稳定的参考点线基准；通过在仰拱闭合区或二次衬砌区安装的分析控制主站，同时对监测光带和参考光带进行非接触式智能分析和测量，实现隧道变形的实时不间断监测。5.2系统功能要求5.2.1盾构隧道施工变形安全监测系统是由信息采集系统、信息传输系统、信息管理系统所组成的。5.2.2盾构隧道施工变形安全监测系统应符合下列规定：a)应能反映隧道的状态演化。3b)监测仪器设备应力求准确、稳定、便于维修、易于改造和升级。c)应建立层次开放平台，并建立信息分析反馈系统，持续扩展系统监测内容及范围，优化系统运行效率。d)应运用影像记录、数据监测等手段，对监测信息进行汇总、分析、处理，将信息汇总并发布到网络平台，并能将各种预警信息以电子邮件或短信形式通知相关人员。e)所采用的软件系统和硬件设施应满足稳定可靠、安全、易维护的要求。f)应对反馈的监测信息进行处理分析并且具有预警功能。5.2.3自动化预警系统所采用的设备仪器应根据监测工程实际需求进行选型、布设和安装，并满足精度、灵敏度、稳定性的要求。5.2.4自动化监测站可划分为自动化监测采集站和自动化监测管理站。各类监测仪器的信息由自动化监测采集站负责采集，自动化管理站负责管理。5.2.5信息传输系统应符合下列规定：a)系统传输之间采用开放的通信协议和标准数据传输方式，数据传输采用有线传输方式，有线方式难以实现时，可采用无线传输方式。根据工程实际选用定时、随机、实时、直接等通信方式。g)传输系统设计除满足上述规定外，尚应符合国家现行标准的有关规定。5.2.6监测信息的管理应符合下列规定;a)监测信息文件和报表应自动生成。报表应包括报警报表、事件报表、数据统计报表等。各类操作记录、事件、报警、日志、历史数据和文件，应进行记录、保存归档。h)应可在线或离线进行应用配置。i)应实现网络管理、配置管理、网络控制、故障报告、性能管理、安全管理、事件记录、参数调整、创建、编辑和删除数据库等。j)应对监测现场设备的运行状态和管理信息进行数据实时更新。5.2.7监测数据存储应符合下列规定：a)原始监测数据应全部存入数据库数据存储应采用开放型的标准关系数据库，并具有足够的数据库容量和网络共享功能、良好的可扩充性和快速的检索功能。k)存储的监测数据应便于维护、定期自动备份和数据库应用开发，备份的数据与主数据库存放在不同的服务器中。l)监测历史数据可转换为多种数据和影像文件格式保存，并应满足监测中心数据库对数据的备份、共享和数据传递等操作；存储的数据需要时可方便提取，并可在通用的计算机中读取。6安全监测系统技术6.1监测目的系统研究恶劣工况下地铁盾构隧道施工的变形机理及环境效应，确定各参数的安全监测体系；然后，进一步研制恶劣工况下地铁盾构隧道施工变形安全监测和预警系统；最后，针对可能出现的施工风险，开发地铁盾构隧道变形控制和安全保护技术，制定恶劣工况下地铁盾构隧道施工技术规范。本项目成果可解决或改善现有监测方法的不足，真正实现地铁盾构隧道施工变形安全的远程智能化监测、控制和预警，为整体提高地铁盾构隧道施工质量提供理论、设备和技术保障。6.2监测内容46.2.1周边位移量测量测断面间距及测点数量根据围岩类别、隧道埋深、开挖方法等确定量测断面间距及测点数量，收敛测线的布置形式，可采用一条基线或两条水平基线。6.2.2拱顶下沉量测:对于深埋隧道，可在拱顶布设固定测点，将钢尺或收敛计挂在拱顶测点上，读钢尺读数，后视点可设在稳定衬砌上，读标尺读数，用水平仪进行观测。6.2.3精密水准测量方法小断面隧道拱顶下沉的监测过程是，当施工工作面开挖完并立即进行初期支护和不锈钢球焊接之后，马上从基准系统主点开始按二等水准测量的精度用不低于±1mm/Km的水准仪测出钢球底标高Hi’。当初期支护变形基本稳定即将进行二次衬砌混凝土施工时应从基准系统主点开始按二等水准测量的精度用不低于+1mm/km的水准仪再次测出钢球底标高Hi”，则每个钢球的下沉量(即钢球位置的隧道拱顶下沉量)△Hi为:AHi=Hi”-Hi'每次变形点(若干点)高程测量结束后，应立即进行基准点(3个)间的高差测量(水准仪精度不低于±1mm/km,观测精度不低于二等水准)，以检验主、辅点的稳定性，当出现问题时应判断出不稳定的基准点，并对变形点的观测结果进行相应的修正。对于大断面隧道可以用特制的长挂杆把钢尺倒挂在拱顶的测点上以代替水准尺。6.2.4静力水准仪法静力水准仪系统是用于精密测定多个测点的垂直位移及相对沉降变化的仪器系统。它根据固定在监测点上众多单元的内液面相对变化来确定监测点的相对沉降或隆起，将待测区域的沉降(隆起)与基准点相比较即可得到施工影响区内的测点的绝对沉降(隆起)量。该系统由一系列监测沉降单元组成，沿着隧道纵向布置，该系统具有监测点多、测量范围大、精度高、数据可自动化采集、施工和维护工作量少等优点。其缺点是易受外界影响，如振动、温度变化幅度大引起数据漂移等问题，对于较大断面的隧道作业相对不便也使其应用受到局限。6.3监测方法采用理论研究、数值模拟、模型试验和现场试验等手段，研究恶劣工况下（如恶劣地层条件，包括深厚软土地层、复合地层、沿线起伏较大地层和破碎带地层等；近接既有建构筑物施工条件，如上穿、下穿和侧穿既有建构筑物等）地铁盾构隧道施工全过程的变形机理及环境效应（如隧道施工对地表沉降、周围建构筑物的影响等），明确施工过程的风险源（如应力、应变过大、漏水等），为后续地铁盾构施工监测方案设计提供依据；考虑人、机、环境、管理等方面的不安全因素，采用FMECA分析方法、故障树、多维关联规则等方法，构建恶劣工况下地铁盾构隧道施工安全监测体系，为后续地铁盾构施工预警提供依据。7数据采集与传输7.1一般规定7.1.1此条旨在说明数据采集与传输模块在设计时应主要包括两个方面：软硬件的设计、模块开发及数据采集制度的设计。7.1.2此条说明了数据采集与传输软硬件设计与选型的一般原则，即应满足传感器监测的要求，确保获取的数据具有实用价值。7.1.3此条针对数据采集及传输系统进行了原则性的规定。7.1.4此条针对数据采集及传输软件的功能进行了一般性的规定。7.2数据采集57.2.1此条规定了在线采集系统应具有的关键性功能，即诊断和识别功能，可以保障数据采集工作的正常进行及异常信息的及时识别。7.2.2此条规定了采集方案编制应遵守的原则，即满足施工安全监测顶层设计要求。7.2.3此条规定了在线采集设备应具有的基本功能，包括断点续传功能、数据存储及处理分析功能、防雷及抗干扰功能。7.2.4此条规定了人工采集工作的原则性要求，包括采集设备的有效性及可操作性，采集数据及时传输和备份。7.3数据传输7.3.1此条规定了数据传输系统设计时的一般性原则，即因地制宜、合理选取、优先使用既有设备等。7.3.2此条规定了数据传输的路由与综合布线时应考虑的因素，包括现场情况、传感器与数据采集站的布置方案及信号传输距离进行设计等。7.3.3此条是依据现有的数据传输方式包括有线传输、无线传输或两者相结合的方式进行编制。7.3.4此条规定了在强电磁场环境下的数据传输方式，即在强电磁场的环境下，应采取有效的电磁屏蔽措施；当无法实施电磁屏蔽时，应采用有线传输方式。7.3.5此条规定了在交通不便的深山峡谷、复杂地形、物理线路布设和维护困难等环境下及需要构建临时传输网络的工程现场，宜采用无线传输方式。7.3.6此条规定了无线传输方式选择的条件包括工程现场营运的网络、成本和现场实际情况等。7.3.7考虑数据传输过程中可能存在数据丢失等异常情况存在，此条针对传输数据进行了原则性的规定，即数据传输系统中应具有数据备份机制，及备份机制的容量应根据具体情况设计。8数据处理与管理8.1一般规定8.1.1大部分监测系统的设计实践中，数据处理、数据管理是分开的独立的模块，数据处理偏重数据的整理、分析、运算，数据管理偏重数据的存储、检索、共享、应用。模块化设计使系统结构清晰、易于维护。8.1.2这里的数据包括但不限定于：监测数据、检查数据、预报警数据、安全评估数据、用户留痕数据。8.1.3系统设计容量值通常为工程总生命期数据量的估算值。读取性能要求，通常也可以笼统一点表述为“数据读取最大延时应为秒级”。8.1.4数据库通常都支持标准的SQL语言，其他软件访问数据库常见的是通过ODBC（开放数据库连接驱动程序,WINDOWS平台）、JDBC(JAVA语言用连接驱动程序)。8.1.5系统中存储数据的单位，宜采用国家法定计量单位。一般时间应采用公历，最低精度为秒。8.2数据处理8.2.1数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。8.2.2对监测内容进行信息分类与编码是监测工作的常规做法，一般监测软件中，会将工程的监测内容分为量测项目、测点组、测点等，每个测点会有一个系统唯一的测点编码，数据也通常需要按量测项目名、测点组名、测点编码、时间等条件进行查询。68.2.3监测系统通常会有一部分需要连续高频监测的监测项目，这些监测项目采集的数据量非常大，对采集与传输模块往往会带来性能压力。为缓解系统的存储与性能压力，可以将历史数据（比如一年以前的数据、一月以前的数据）进行转存，挪出系统数据库之外。8.2.4数据挖掘是针对海量数据的一种处理技术，监测数据长期积累下来属于海量数据，数据挖掘能进一步释放数据的价值。8.3数据管理8.3.1数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。8.3.2对监测内容进行信息分类与编码是监测工作的常规做法，一般监测软件中，会将工程的监测内容分为量测项目、测点组、测点等，每个测点会有一个系统唯一的测点编码，数据也通常需要按量测项目名、测点组名、测点编码、时间等条件进行查询。8.3.3监测系统通常会有一部分需要连续高频监测的监测项目，这些监测项目采集的数据量非常大，对采集与传输模块往往会带来性能压力。为缓解系统的存储与性能压力，可以将历史数据（比如一年以前的数据、一月以前的数据）进行转存，挪出系统数据库之外。8.3.4数据挖掘是针对海量数据的一种处理技术，监测数据长期积累下来属于海量数据，数据挖掘能进一步释放数据的价值。8.4数据管理8.4.1在线监测数据的特征为量大、连续，对采集、传输、处理与存储系统的性能要求比较高；人工监测数据相对量少、为间歇性采集，对系统只会造成短暂的瞬时压力，人工巡检数据相对来说量就更少了，频次也较低，对系统一般没有什么性能要求。三类数据分类存储，有利于提高系统的整体经济性。8.4.2系统应能在权限控制下实现快速显示、流畅操作、生成报告等功能。这一条主要对系统的可用性作出要求。8.4.3数据库是数据存储形式的主流实现，能进行灵活的关联查询，故作为一种推荐表述；影像资料因占用空间过大，存储在数据库中会拖累数据库的性能，通常做法是将影像资料以文件形式存储在磁盘上，而将文件名、文件概要信息存储到数据库中，用户可通过数据库检索到文件信息，需要文件内容时，再通过文件信息打开具体的文件。8.4.4监测系统采集的数据量积累下来是一种海量数据；云端部署、远程配置、弹性扩充是现有技术环境下可选宜选的形式，是主流技术趋势。8.4.5系统应具有灵活的管理功能，应能够通过管理界面添加、修改、删除监测项目，能进行预警的流程管理，能进行数据分析模型管理，能按日期、种类、设备、名称挑选导出监测数据。系统参数、用户数据与处理程序应有相对的独立性，任何软件版本的变更均不应影响用户数据。8.4.6数据库的数据备份是常规手段，一般是制定一套备份计划，每天增量备份，每月一次完整备份。对于大数据量而言，执行一次完整备份会对系统性能带来较大影响；系统应具有故障恢复能力。当突然停电、出现硬件故障、软件失效、病毒或严重错误操作时，系统应提供可恢复数据的机制，使系统数据能恢复到损坏以前的状态。当系统出现灾难性后果时，本地数据被损毁不可恢复，如果有容灾备份的话，可以恢复到某个时间以前的状态，使灾害损失降低。容灾备份通常通过异地备份实现。9数据分析9.1一般规定79.1.1系统在运行过程会产生海量的监测数据，需要借助数据统计等分析手段获得数据本身及数据在时间和空间上的分布特征。通过统计指标首先可以进行监测数据的诊断，识别数据异常情况并为原因分析提供数据支持。统计指标也是安全预警所需的参数，特别是结合统计分析可以进行监测数据的趋势分析、安全状态的研判，有助于实现系统的预警功能。9.1.2可靠的预警模型和预警阈值是保证安全预警合理性、及时性的必要条件。预警阈值应与预警模型相匹配。预警模型的选用应充分考虑监测项目特点，包括监测项目监测数据随时间的一般发展模式、监测项目引起安全风险的程度等。预警模型和预警阈值的确定应与工程经验相符。安全预警应具有及时性。在现有技术水平允许时，应尽可能的采用在线监测与预警的方式。系统建设时应根据监测项目特点、预警要求等预设合理可靠的预警模型和预警阈值，然后在系统运行过程中将监测数据及分析数据实时输入至预警模型中，及时获得预警信息，实现实时预警。9.1.3系统数据分析与预警模块的监测数据诊断功能是在监测数据完成预处理后，采用统计分析的方法获得数据特征分布及异常情况，数据诊断的目的是反映监测系统本身的运行情况，并在预警分析中对监测系统以及监测项目的运行异常予以考虑。诊断功能应实现传感器异常诊断、采集异常诊断和传输异常诊断。诊断对象包括异常相关的系统硬件设施及软件。诊断完成应提供异常原因、异常处理建议，诊断功能及异常处理宜尽可能由系统自动完成。9.1.4通过预警信息数据的统计分析，可以建立不同预警级别预警信息在时间和空间上的关联，对于获得工程项目整体的安全状态以及进行安全状态预测具有重要的意义。可以利用先进可靠的大数据分析方法，充分挖掘预警信息数据的价值。9.2数据分析9.2.1监测数据分析包括历史数据分析和基于历史数据的预测分析两个层次。数据分析的结果应提供对应的可靠度指标以反映其可靠程度。a)统计分析是指对历史数据采用数学统计方法获得其统计指标。特殊分析的内容包括在统计分析的基础上对监测项目进行趋势预测，并综合趋势预测结果等进行安全状态研判。结合历史监测数据可以通过数据预测算法预测监测项目的发展趋势，可采用回归分析、卡尔曼滤波算法以及其他基于大数据分析的预测算法。不同监测项目监测数据之间的关联性分析也是特殊分析的内容，通过关联分析获得多源同构数据和多源异构数据之前关联关系。b)本条列举了部分可用于监测数据分析的数学方法，其他可用的方法可以在系统功能中体现。数据分析方法应与监测数据特征相匹配。c)根据历史监测数据进行监测项目安全状态分析是目前多数安全监测预警系统所具备的功能，但安全预警的目的在于确认安全风险、预防事故发生、避免风险可能的不利影响、给予充分的风险处置时间。因此，预警信息的超前性尤为重要，通过监测物理量变化趋势的分析，对于潜在的风险程度骤增提前预判，能够更好的体现预警的价值。先进、智能的数据预测分析算法为在系统功能中实现监测数据的预测分析提供了方法。9.2.2系统应提供数据分析成果生成电子文档报告的功能，电子文档报告的模板宜根据用户需求确定。10系统运行维护10.1一般规定10.1.1系统运行维护技术文件用于指导系统运行过程中的维护，其制定应综合和考虑系统本身的特点以及系统用于监测的工程对象特点。系统操作与运行安全制度是指系统操作与运行过程中应遵循的安全要求及相关处置措施，包涵系统对硬件和软件的安全要求和相关处置措施。硬件安全要求从硬件安装、运行、拆卸过程引起相关人员和环境的安全风险，以及相关人员及环境引起硬件安全风险两方面考虑。软件安全主要指系统数据的安全要求。系统运行维护制度是指对系统运行过程中为保障系统正常运行所必要维护工作的要求，其包括维护目的、维护内容、维护方法及技术要求、维护频率。应急管理制度包括两个方面，一是系统出现异常或故障时针对系统所采取的措施和要求，二是工程对象出现异常时针对系统所采取的措施和要求。10.1.2系统的运行维护需要具备系统软硬件相关的专业知识、工程技术专业知识以及工程安全管理专业知识，相关负责技术人员或技术团队应具有相关知识及能力。10.1.3系统日常检查维护主要针对重点维护对象；定期检查维护应能够涵盖系统所有功能模块；监测数据出现异常时，应对相关的监测仪器设备进行故障检查维护，系统异常监测数据应与相关监测传感器的人工测值进行比较分析。10.1.4系统运行维护日志