隧道變形安全監測方案
2015—09—17 編制
1.概述
***隧道有效監測長度450公尺，隧道主要為列車通行，分上下行雙向導軌。為保證行車及人身安全，需對隧道進行安全監測。
監測專案有結構的相對沉降和相對位移，並推算軌道的運營狀態，為行車安全提供保障。
監測距離450公尺，上下行主要監測儀器主要有靜力水準儀、位移計，上下行各監測儀器靜力水準儀42臺監測寬度紅線以內10公尺紅線以外15公尺、位移計41支。
圖1-1
由於隧道監測長度比較長、監測點較多、工監測工作量比較大，考慮到安全方便特為貴公司採用以下方案實現自動化測量。
***隧道監測物理量有隧道沉降變形、位移變形，我們為貴公司採用的儀器有靜力水準儀、位移計。採集裝置有mcu-32型模組化自動測量單元、gda1105智慧型採集模組、gda1102振弦模組。mcu負責採集採集資料將採集資料上傳至資料伺服器，資料伺服器和後方監測部門實現乙太網資料共享，使用者可在任何時間、任何地點經乙太網進行資料管理，方便使用者自定義查詢，即使前方計算機被病毒入侵資料丟失時，伺服器內的資料將不會受到影響（見下圖1-2）。
圖1-2
2.系統的組成
自動化採集系統由感測器（靜力水準儀、位移計）、mcu-32型模組化自動測量單元、gda1102振弦測量模組、gda1105智慧型測量模組、伺服器、pc機等組成。
3採集儀器及採集裝置
3.1靜力水準儀
jl-1型靜力水準儀
jl-1型磁致伸縮式靜力水準儀是一種高精密液位測量系統，該系統適用於測量多點的
相對沉降。磁致伸縮感測器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸浮球組成，測桿內裝
有磁致伸縮線(波導絲)，測桿由不導磁的不銹鋼管製成，可靠地保護了波導絲。測量時，由
電路先發出一起始脈衝，脈衝沿波導絲傳輸，同時會產生沿波導絲方向前進的旋轉磁場，當
這個磁場與浮球中的永久磁場相遇時，會產生磁致伸縮效應，使波導絲發生扭轉，檢測電路
測量因扭轉而產生的電流脈衝，並計算出兩個脈衝之間的時間差，即可精確地算出被液位值。
3.1.1主要技術指標
a) 測量範圍：0～300mm；
b) 供電電壓：+12vdc±10%；
c) 輸出訊號：rs485；
d) 最小讀數：≤0.01%fs；
e) 線性度：≤±0.5%fs；
f) 不重複性：≤0.5%fs；
g) 滯後：≤0.5%fs；
h) 工作溫度：－25～＋80℃；
i) 溫度影響：≤0.07%fs/℃；
j) 訊號輸出最大負載1200m。
3．1.2安裝方式
磁致伸縮安裝附件分為測墩上安裝附件和牆面上安裝附件兩類。
3.2位移計
vwd型位移計
vwd型振弦式位移計適用於長期測量水工結構物或其它混凝土結構物伸縮縫的開合度(變形)，亦可用於測量土壩、土堤、邊坡等結構物的位移、沉陷、應變、滑移，並可同步測量埋設點的溫度。加裝配套附件可組成基岩位移計、多點位移計、土應變計等測量變形的儀器。振弦式位移計具有智慧型識別功能。
3.2.1規格及主要技術引數
規格代號 vwd-20 vwd-50 vwd-100 測量範圍： mm 0～20 0～50 0～100
靈敏度k： mm／f ≤0.01 ≤0.02 ≤0.04
測量精度： f.s ±0.1% ±0.1% ±0.1%
溫度測量範圍： ℃ -40～+150 -40～+150 -40～+150
溫度測量精度： ℃ ±0.5 ±0.5 ±0.5
儀器外徑： mm 30.5 30.5 30.5
儀器長度： mm 300 340 400
耐水壓： mpa ≥1 ≥1 ≥1
絕緣電阻： mω ≥50 ≥50 ≥50
注：頻率模數f=hz2×10-3
3.2.2工作原理
當被測結構物發生變形時將會引起位移計的位移，經萬向連軸節傳遞給二級機械負放大機構，經負放大後的位移傳遞給振弦轉變成振弦應力的變化，從而改變振弦的振動頻率。電磁線圈激振振弦並測量其振動頻率，頻率訊號經電纜傳輸至讀數裝置，即可測出被測結構物的位移量。同時可同步測出埋設點的溫度值。
位移計在長春地鐵站的應用圖見下圖
3.3 自動化採集系統
3.3.1 mcu-32型分布式模組化自動測量單元
mcu-32型分布式模組化自動測量單元(以下簡稱mcu-32)是一種通用型的測量資料採集裝置，可用於水電﹑鐵路﹑公路﹑礦山﹑國防及建築工程安全監測領域，可採集的感測器輸出訊號有振弦、電壓、電流、電阻、開關量等各種有源或無源感測器。
mcu-32可單臺或多台組網自動採集資料，能適應工程現場氣候環境，並具有防雨、防
雷、抗干擾等效能。主要功能有分布式網路化測量、測量資料存貯、定時採集、離線採集、計算機通訊、越限報警、測量資料管理、資料分析及製圖、測量結果輸出、附設人工比測功能等。
每台mcu-32有四個測量模組槽，使用者可根據感測器型別任意定製模組組合，模組不需要進行任何設定，即插即用，系統自動識別模組型別及插座位址。四個模組任意拆卸、組合，由上到下依次為模組四到模組一。模組種類有gda1102振弦採集模組、gda1104電壓採集模組、gda1103差阻採集模組、gda1105智慧型採集模組、gda1701水文模組。
貴單位所應用的為gda1102振弦採集模組、gda1105智慧型採集模組。
3.3.1.1技術指標
a) 工作電源：220v交流電或16.5v太陽能供電；
b) 整機功耗：測量 < 500ma(與內建模組型別有關)，待機 < 5ma(省電模式)；
c) 顯示屏：240 x 128高點陣lcd；
d) 傳輸距離：約1200公尺(485傳輸)，其它傳輸方式由外接傳輸裝置決定；
e) 波特率：9600bps(rs485)或1200bps(無線數傳電台)，波特率可調；
f) 工作溫濕度：溫度-30°c ～+70°c，相對濕度≤90%；
g) 存貯資料：約7000×32條；
h) 資料保持時間：>10年；
i) 接入感測器：32支(振弦式或差阻式感測器)；
j) 組網數量：64臺；
k) 單台巡測：30秒；
l) 安裝方式：壁掛式；
m) cpu理論壽命：100年；
n) 整機設計壽命：>10年。
3.3.2測量模組
3.3.2.1gda1102振弦採集模組
gda1102型資料採集智慧型模組適用於自動採集振弦式感測器訊號，其測量精度高、功能齊全、抗干擾能力強、適應長期執行，同時可設定各類振弦式感測器的溫度電阻基值並採集。模組有金屬外殼，可有效防護電磁干擾。模組上有12個工作狀態指示燈，同時顯示電源、測量、收信、發信、各通路的工作狀態。
模組與主機板為即插即拔式設計，系統自動識別模組型別及插座位址。
gda1102型資料採集智慧型模組有通道擴充套件切換功能，可將8路頻率測量通道擴充套件至16路。
規格及主要技術引數
規格代號gda1102
測量通道數： 個 16
接入振弦感測器： 支 0～8/0～16
接入溫度感測器： 支 0～8
頻率掃頻範圍： hz 400～5000
頻率測量解析度： hz ≤0.1
溫度測量範圍： ℃ -40～+150
溫度測量解析度： ℃ ≤0.1
滿接巡測時間： 秒 ≈40
單點存貯容量： 次7000
通訊介面： rs485
工作溫度25～+60
3.3.2.2 gda1105振弦採集模組
gda1105型資料採集智慧型模組適用於自動採集各類rs485訊號傳輸的感測器，其測量精度高、功能齊全、抗干擾能力強、適應長期執行。模組有金屬外殼，可有效防護電磁干擾。模組與主機板為即插即拔式設計。
規格及主要技術引數
規格代號gda1105
rs485通道數： 個 8
測量解析度： %f.s ≤0.01
滿接巡測時間： 秒 ≈40
單點存貯容量： 次7000
通訊介面： rs485
工作溫度25～+60
3.4通訊
ms-1資料採集模組通訊可分為兩類有線通訊和無線通訊。其中有線方式有現場匯流排（rs-485）通訊、光纖數據機通訊，無線方式有無線短波（數傳電台、無線網橋）與移動gprs通訊等。
水雨情氣象站一般安裝較為偏僻遠離市郊，與監測中心距離較遠。同時施工難度較大，故選用無線通訊方式進行資料採集。
3.4.1無線通訊
3.4.1.1 gprs通訊
gprs通訊網路的優點之一就是支援gprs終端裝置永久**，因此典型的gprs dtu在設計
上都支援永久**功能，這就要求dtu包含了上電自動撥號、採用心跳包保持永久**（當長時間沒有資料通訊時，移動閘道器將斷開dtu與監測站的連線，心跳包就是dtu與資料中心在連線被斷開之前傳送乙個小資料報，以保持連線不被斷開）、支援斷線自動重連、自動重撥號等特點。
同時gprs通訊可實現遠距離實時監測。減少施工成本及工作量。
3.4.1.2 電台通訊
與拉專線相比，數傳電台安裝較方便。而且通訊距離相對較遠，最遠可達幾十公里，網路延遲少，實時性較高，特別適合於需要及時進行遠端控制的地方。
雖然數傳電台和拉專線相比有較大的優勢，但也有明顯不足。數傳電台的通訊距離由其發射功率決定，因此對於通訊範圍要達幾十公里的數傳電台而言，其瞬間發射功率可達十幾到幾十瓦，這就對終端系統的電源提出了較高要求。因為電源問題而造成負荷終端裝置癱瘓的不在少數。
從安裝上講，為了減少建築、樹木等對無線訊號的影響，在終端的安裝處往往需要架設十幾公尺的發射天線，安裝時是乙個不小的工作量，而且，如此高的天線，對防雷擊也提出了較高要求。
此外，數傳電台的傳輸距離受環境的影響較大，山區與平原通訊距離有著明顯的差距。其平均通訊距離往往達不到其設計最大值，對於較遠的監控點往往需要架設中繼站。
3.4.1.3網橋通訊
無線網橋傳輸採用2.4g無線技術，將採集的資料通過網路方式傳送到接收端，然後通過串列埠伺服器接入計算機。網橋的效能比較可靠，相對於傳統的485通訊方式，它有著不可比擬的優勢。
而且網橋可以傳輸大量的資料，同時接入網路，只要在同一網內就可以檢視控制自動測量單元，更加簡潔方便。
無線網橋傳輸距離受環境影響，而且天線為定向天線，有一定的角度。當主站與從站中間有較大阻擋物，直接會影響到通訊距離。
3.5採集軟體
3.5.1系統採用先進的開發工具visual 研製開發，可執行在
windows2000/2003/xp作業系統下，使用sql server大型網路資料庫。
3.5.2大壩及工程安全監測所涉及到各種儀器過程圖線，都可以編輯並儲存為一組設定，每次繪圖時呼叫可自動生成與該設定風格完全一致的圖表。
監測資料最大限度地以圖、表的形式加以展現，一目了然。
3.5.3能管理眾多的串列埠、協議和路由，勝任複雜的分布式測量通訊系統的資料採集、傳輸和管理，並具有充分的可拓展性。
可將若干個工程的安全監測資訊集中在一起，這些工程既可具有一定程度的地域性，也可相隔在全不同的區域。
3.5.4可定製的**包括監測結果的年、季、月、旬、周、日等各種週期報表，**風格隨意多樣，能適應任意複雜的格式，**中資料的定義豐富齊全，包括普通測值、條件測值和各種特徵值在內的幾乎所有的報表需要的資料都能輕鬆獲得。
龐雜繁多的系統資源構成資訊和監測資料可以方便地備份和恢復，既能保障系統的可靠與安全，又使系統的建立、維護和擴充更加方便。
3.5.5通過提供的固定演算法和使用者自定義演算法，能實現各種不同的監測成果計算。
4總結本套方案實現了多點採集自動化測量，減少了作量，節省成本，系統安裝完成後無需專業人員也能對資料進行採集分析，達到安全檢測目的。
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