物联网项目：水下大直径盾构隧道监测试验台搭建与测试

摘要水下复杂的环境条件和长期的水侵蚀给隧道结构的安全运营带来了严峻挑战传统的人工巡检方式已无法满足现代盾构隧道安全管理的需求迫切需要建立智能化、自动化的数字化监测系统。从数字化转型产品需求的角度出发介绍基于物联网技术的水下大直径盾构隧道监测试验台的搭建与测试。首先分析监测系统的整体架构及核心功能模块随后依托智能建造平台的无代码设计环境完成“感知层—网络层—执行层”三级架构试验台的搭建最后详细讨论在该试验平台上开展的相关验证试验为水下盾构隧道数字化监测技术的工程应用提供了关键支撑与实践参考。关键词盾构隧道监测系统物联网技术试验台1. 概述1.1 研究背景水下大直径盾构隧道作为现代交通基础设施的重要组成部分在连接江河两岸、促进区域经济发展方面发挥着至关重要的作用。与陆地隧道相比水下隧道面临着更加复杂和严峻的挑战一般水的长期侵蚀作用、复杂的地质条件、巨大的水压荷载以及维护作业的困难等这些因素都对隧道结构的长期安全性提出了更高的要求。随着隧道投入运营年限的不断增长在外部与内部条件变化的多重因素影响下隧道结构易产生渗漏水、劣损、变形沉降等各种病害从而威胁隧道的运营安全。唐雄俊等([1])针对隧道管片外部土压力、水压力、收敛变形、钢筋锈蚀等8个健康监测项目分别选取了11个监测断面和6个沉降监测区段从结构角度来制定监测方法给出了测点布设方法董飞([2])等研究了盾构隧道中隔墙顶部混凝土开裂机制分析了裂缝模式括Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型、Y 型和 Z 型针对开裂现象展开研究单晓波等([3])研究了EPDM密封垫的物理性能以及耐久性实证了现场密封垫的粘贴工作和现场管片拼装对密封垫的拉伸变形是影响接缝渗漏水的重要因素优化后的盾构隧道防水效果远超传统盾构隧道。综上对于盾构隧道的健康监测和病害的研究多集中于结构病害特征分析、管片病害分析、防御措施等([4-6])。水下大直径盾构隧道监测系统关乎结构安全但真实场景位于水下难以直接验证。搭建试验台可以验证监测系统可靠性规避技术缺陷提前暴露问题降低工程试错成本为工程应用提供支撑。1.2 水下大直径盾构隧道数字化监测需求分析传统的隧道安全管理主要依靠人工巡检和定期检测这种方式不仅效率低下、成本高昂而且难以实现对隧道结构状态的实时监控和及时预警。随着物联网、大数据、人工智能等新兴技术的快速发展数字化监测技术为解决这一问题提供了新的思路和方法。水下盾构隧道的数字化监测需求主要体现在以下几个方面1结构安全监测需求需要实时监测隧道管片的变形、接缝张开度、应力分布等结构参数及时发现结构异常并评估安全风险。主要监测参数包括管片位移、管片应力应变、接缝变形、整体沉降等。2环境参数监测需求水下环境的复杂性要求系统能够监测温度、湿度、水位、水压等环境参数的变化这些参数直接影响隧道结构的安全性和耐久性。3渗漏监测需求一般水渗漏是水下隧道面临的主要威胁之一需要建立完善的渗漏监测体系包括渗漏点定位、渗漏量检测、渗漏趋势分析等。4腐蚀监测需求水环境下的钢筋腐蚀和混凝土劣化是影响隧道长期安全的重要因素需要通过专业的腐蚀监测设备进行实时监控。5数据传输与处理需求系统需要具备稳定可靠的数据传输能力确保监测数据能够实时、准确地传输到控制中心。同时需要具备强大的数据处理和分析能力能够从海量数据中提取有价值的信息。6预警与决策支持需求系统应具备智能预警功能能够根据监测数据的变化趋势和预设阈值及时发出预警信息为运营管理人员提供决策支持。基于上述需求分析水下盾构隧道数字化监测系统需要具备全面性、实时性、准确性、可靠性等特点能够为隧道的安全运营提供全方位的技术保障。下表展示的是大盾构区间中隔墙顶部裂缝模式俯视图参考董飞的论文大直径盾构隧道中隔墙顶裂缝模式及扩展机制研究。序号类型图片1Y 型裂缝2Z 型裂缝3Ⅰ型裂缝4Ⅱ型裂缝5Ⅲ型裂缝表1大盾构区间中隔墙顶部裂缝模式举苏通GIL综合管廊工程为例它起于南岸苏州引接站止于北岸南通引接站越江段全长逾5.5 km采用水下盾构法修建盾构机直径达12.1 m是典型的大直径、长距离过江隧道之一也是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最高的超长距离GIL创新工程。隧道主要穿越地层为粉细砂、细砂、中粗砂渗透系数大属强透水层含水量丰富局部切入粉质黏土混粉土、粉土层总体上沿线土层相对软弱分布具有一定差异性。从下图1可得出结论如此难度的地貌下的水下大直径盾构隧道必须采用新一代的信息技术来为隧道的运营保驾护航。图1 盾构隧道示意图2. 水下大直径盾构隧道数字化监测系统软件实现2.1盾构法隧道监测设计规范依据《盾构法隧道监测设计规范》T/CSPSTC 90—2022团体标准内容摘取部分如表2所示表2盾构法隧道监测方法及技术要求序号监测对象规范要求1裂缝监测裂缝监测可采用裂缝计、综合监测系统成像设备等自动化监测方法或读数显微镜、塞尺、高清摄像、超声波等人工监测方法监测点裂缝宽度值精度不宜低于0.1mm2管片结构应力监测管片结构应力监测可采用钢筋轴力计、混凝土应变计等自动化监测方法应力计或应变计精度不宜低于0.25%FS3管片结构外侧土压力监测管片结构外侧土压力监测可采用土压力计等自动化监测方法土压力计的精度不宜低于0.5%FS分辨率不宜低于0.2%FS4管片结构外侧水压力监测管片结构外侧水压力监测可采用孔隙水压力计等自动化监测方法孔隙水压力计的精度不宜低于0.5%FS分辨率不宜低于0.2%FS5管片连接螺栓应力监测管片连接螺栓应力监测可采用螺栓轴力计等自动化监测方法螺栓轴力计精度不宜低于0.25%FS6振动监测振动监测可采用光纤光栅监测、加速度计技术进行自动化监测/7隧道内积水位监测隧道内积水位监测可采用水位计等自动化监测方法监测点水位精度不宜低于0.5%FS8隧道内温度监测隧道内温度监测宜采用感温光纤进行自动化监测并应符合GB50116的规定感温光纤的精度不宜低于1℃2.2 软件架构设计在水下大直径盾构隧道中嵌入各种各样的设备组成智能盾构隧道采集监控系统其子系统包括温度监测系统、水位监测系统、振动监测系统、轴力监测系统、土压力监测系统、照明设施、控制系统、报警设备、安全设备、视频监测系统等。系统架构图如图2图2 系统架构图1通过各种传感器实现了对盾构隧道运行数据的采集。2通过控制设备自带的网卡4G/以太网借助运营商传输网络将隧道内温度、隧道内积水位、振动、管片连接螺栓应力、管片结构外侧土压力等数据、实时可视化画面视频数据上传到智能建造平台通过电脑/平板/手机等设备对盾构隧道的运行情况进行远程查看。3通过智能建造平台的逻辑判断将控制命令借助运营商传输网络反向下发给控制设备因此借助控制设备可以实现对盾构隧道安全运行状态的实时报警提醒。网络通信数据上行和下行逻辑如表3表3网络通信数据上行和下行逻辑传感器数据条件判断网络命令下发if temperature大于40℃说明隧道内温度过高智能建造平台发送温度过高命令给控制设备智能盾构隧道系统本地报警if water_level大于1米说明隧道内积水位高度过大智能建造平台发送高度过大命令给控制设备智能盾构隧道系统本地报警if vibration大于1毫米/秒说明隧道振动过大智能建造平台发送振动过大命令给控制设备智能盾构隧道系统本地报警if stress大于1000千牛说明管片连接螺栓应力过大智能建造平台发送应力过大命令给控制设备智能盾构隧道系统本地报警if pressure大于10兆帕斯卡说明管片结构外侧土压力过大智能建造平台发送压力过大命令给控制设备智能盾构隧道系统本地报警逻辑运行流程图如图3所示图3逻辑运行流程图本文的数据协议和逻辑处理如表4表4数据协议和逻辑处理智能网关侧模拟数据采集监控运行规则阈值网络继电器侧模拟命令模拟采集盾构隧道相关传感器数据并上报JSON数据如下{temperature:温度值,water_level:水位高度值,vibration:振动速度值,stress:应力值,pressure:土压力值}温度过高大于40℃{command:温度过高处理命令}高度过大大于1米{command:高度过大处理命令}振动过大大于1毫米/秒{command:振动过大处理命令}应力过大大于1000千牛{command:应力过大处理命令}压力过大大于10兆帕斯卡{command:压力过大处理命令}2.3 核心功能模块智能建造平台是一个集成了设备接入、设备管理、数据安全通信、消息订阅、消息转发和数据服务存储、分析、过滤、解析、集成等等能力的物联网一体化平台。向下支持连接海量设备采集设备数据上云向上服务端可通过转发节点将指令下发至设备端实现远程控制。它包括业务中台、设备配置、数据中台、数据可视化四大部分。业务中台是系统的核心模块也是智能建造的大脑可以对建筑行业的需求进行无代码的设计可对业务引擎进行配置提供“增删改查”的功能设备配置是将建筑行业现场的各种设备与影子设备进行一一对应映射管理数据中台给建筑行业中的设备配置通信安全凭证连接协议并获取设备的相关数据数据可视化是将设备数据和仪表盘进行绑定设计精美的可视化大屏界面。在智能建造平台下配置盾构隧道监测业务规则链数据流就像“水流”数据从左到右流过“Input”节点是数据的源头需要对数据流进行条件判断前面的五种条件判断对应五种数据处理将不同的数据处理命令转发给设备控制服务器同时配置邮箱进行预警发送见图4图4盾构隧道监测业务规则链使用mqtt.fx软件模拟传感器数据的产生发送JSON数据。在智能建造平台数据中台可以接收到来自智能网关侧采集的传感器的模拟数据。使用mqtt.fx软件模拟设备控制服务器接收转发的命令数据。最后设计盾构隧道监测系统智能监测大屏。使用mqtt.fx软件模拟传感器的数据发送的JSON数据格式如图5图5盾构隧道监测JSON数据在智能建造平台网页端可以接收到来自智能网关侧采集的传感器的模拟数据如下图6图6上传到智能建造平台的数据同时可以通过mqtt.fx软件模拟设备控制服务器的接收情况如图7所示图7设备控制服务器接收的数据同时通过邮箱的配置在接收报警的邮箱能实时接收到报警提醒信息如图8所示图8邮箱接收报警信息最后设计盾构隧道监测系统智能监测大屏如下图9所示图9水下大直径盾构隧道智能监测大屏3. 水下大直径盾构隧道数字化监测系统硬件实现3.1 监测系统硬件结构监测系统硬件结构由感知层、网络层和执行层组成如下表5所示表5系统硬件结构序号名称设备说明1网络层包含路由器、智能网关、网络继电器、电脑2感知层包含土压力计、轴力计3执行层包含警示灯3.2 监测系统硬件数据采集监测系统硬件搭建按照工业RS485标准来实现通信方式采用MQTT来配置。智能网关通过485集线器将轴力计和土压力计两路传感器的数据采集并汇聚通过路由器以MQTT方式推送到智能建造平台平台以业务规则链的方式来处理数据正常和异常逻辑数据正常逻辑为轴力计和土压力计数据同时在阈值内数据异常逻辑为轴力计数据超过阈值或者土压力计数据超过阈值最后采用警示灯的亮和灭来表示报警情况。见图10图10 硬件接线图业务规则链主要是对数据的判断、处理和转发通过将网关汇聚到的两路JSON数据进行数据分离分别有三路条件判断应力过大、压力过大、传感器数据正常分别进行数据的处理最后进行数据的转发转发到设备控制服务器。搭建情况如下图11所示图11业务规则链本文的硬件实现测试用例试验数据见表6表6测试用例序号状态设备数据报警状态1轴力计应力过大40N灯亮2土压力计压力过大0.015MPa3传感器正常10N0.00122MPa灯灭4 结束语在水下大直径盾构隧道监测系统的研发与实践中监测系统轴力测量精度达 0.1N土压力测量精度精准至 0.00001MPa网络响应速度控制在 3 秒以内凭借这一系列关键技术指标已具备构建小型监测试验台的核心条件为后续技术验证与功能拓展奠定了坚实基础。依托系统集成的传感器信息采集模块结合与智能建造平台深度适配的无代码规则链及可视化交互界面不仅为盾构隧道裂缝监测、水位动态监测等关键功能的后续落地提供了稳定可靠的实践载体更搭建了人工智能算法与大数据应用理论成果的工程化验证平台。通过搭建试验台开展的验证测试进一步证实了监测系统的运行可靠性成功规避了传感器精度不足、数据传输延迟、多模块协同故障等潜在技术缺陷为工程应用提供支撑。主要参考文献[1] 唐雄俊毛优达孙州.甬舟铁路金塘海底隧道结构健康监测方案研究[J].铁道标准设计2021,65(10):189-194.[2] 董飞黄俊等.大直径盾构隧道中隔墙顶裂缝模式及扩展机制研究[J].隧道建设中英文2023,43(1):82-91.[3] 单晓波钟元元等.盾构管片接缝渗漏水原因分析及优化措施研究[J].都市快轨交通2024,37(5):101-106.[4] 崔涛.盾构隧道局部破坏引发隧道连续破坏机理及控制研究.天津天津大学,2017[5] 肖明清谢宏明王士民等.盾构隧道管片接缝防水体系演化历程与展望.隧道建设中英文,2021,41(11):1891-1902[6] 任喻云杨航.隧道结构健康监测系统应用实例研究.工程技术研究,2020,5(16):185-187[7] 混凝土结构设计规范GB50010—2010.北京中国建筑工业出版社,2010[8] 上海市城乡建设和交通委员会隧道工程防水技术规程:DG/TJ08—50—2012.上海,2012