1、铁路隧道施工地下水远程监控系统设计 张洁瑜 吴剑华 程驰 王祺 黄录峰 中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所 摘 要： 山区铁路隧道施工如发生长期大量涌水, 将引起地下水疏干导致地下水位下降, 进而引起地面沉降、重要水源断流等, 造成环境灾害。针对铁路隧道监控实际需要, 研究开发了隧道地下水远程无线监控系统。本监控系统主要由现场监测站和接收服务器两大部分组成, 以工业仪表作为监测仪器、采集现场数据, 通过 GPRS 网络接入互联网, 将现场设备接口模拟至特定的服务器, 计算机通过接入互联网访问该服务器, 将虚拟的端口再映射到本地, 从而实现与现场设备的通讯。通过本监控系统可进行液位、流量、沉降
2、数据的测量, 精度远高于人工估算;并可根据需要合理设置监测频率和报警限值, 对涌水导致水资源漏失进行预警, 及时提醒施工单位采取堵漏措施。关键词： 铁路隧道; 地下水; 隧道施工; 远程监控; 监控系统; 作者简介：张洁瑜 (1978) , 女, 山东高密人, 副研究员, 主要从事铁路工程环境影响与控制、生态保护与恢复研究。收稿日期：2017-11-01基金：中国铁路总公司科研课题铁路建设项目生态环境监测技术研究 (编号:2016Z002-B) Designing of Remote Monitoring System for Underground Water During Railway
3、Tunnel ConstructionZHANG Jieyu WU Jianhua CHENG Chi WANG Qi HUANG Lufeng Energy Saving Abstract： Long-term water gushing occurs in the construction of railway tunnel in mountain area, which will cause the groundwater table to decline, and then cause the ground subsidence and the disconnection of imp
4、ortant water source, which will cause environmental disaster. According to the actual need of railway tunnel monitoring, the remote wireless monitoring system of tunnel underground water is researched and developed. This monitoring system mainly consists of on-site monitoring station and receiving s
5、erver, using industrial instruments as monitoring instrument, collecting field data, dial-up access to the internet through GPRS network, simulate the field equipment interface to a specific server, the computer access to the internet access to the server, the virtual port is mapped to the local, so
6、 as to realize the communication with the field equipment. Through this monitoring system, the measurement of liquid level, flow rate and settlement data can be carried out, and the precision is much higher than the artificial estimation. According to the needs, the monitoring frequency and alarm li
7、mit can be set rationally, and the water inrush causes the leakage of water resources to be early warning, and the construction unit should be reminded to take the measures in time.Keyword： railway tunnel; groundwater; tunnel construction; remote monitoring; monitoring system; Received： 2017-11-01我国
8、铁路正处于高速建设时期, 许多铁路由于穿越山区, 均需要建设隧道。隧道的开挖与地下水有密切联系。隧道如发生长期排水, 将引起地下水疏干导致地下水位下降进而引起地面沉降、重要水源断流等1, 造成水资源流失、自然环境破坏和居民生活用水短缺问题2,3, 个别情况还使得隧址区正常农业生产和居民生活受到影响, 因此有必要在施工期对涌水隧道进行环境监控。人工观测环境指标的方法费时费力, 而且数据传输不够及时准确。随着 GSM (Global System for Mobile Communication, 全球移动通信系统) 技术的日趋成熟, 通讯信号可覆盖的区域越来越广, 基于 GSM 技术的远程监控系
9、统在环境监控中的应用也日益广泛4。将 GSM 的 GPRS (General Packet Radio Service, 通用分组无线服务技术) 网络传输功能应用于地下水水位监控, 并配以自动化数据采集系统, 可以满足准确及时地获取地下水水位信息的要求, 有助于隧道施工时地下水水情预报工作的开展, 以及时采取措施, 减少地下水漏失、地面沉降等现象的发生, 提高铁路施工期环境监控的水平。1 监控系统概述地下水水位是地下水监测的重要内容, 其直接观测通常比较困难, 而通过观测相关区域地表水体、水井的水位变化, 同时监测降雨量、蒸发量等气象水文数据, 经过数据对比、分析等可以间接判断出隧道施工涌水对
10、地下水位变化的影响2。本监控系统主要采用工业传感器作为现场测量仪器, 就地收集数据, 通过 GPRS网络进行拨号接入互联网, 将现场设备接口模拟至特定的服务器, 计算机通过接入互联网访问该服务器, 将虚拟的端口再映射到本地, 从而实现与现场设备的直接通讯。通过本监控系统可进行测量的液位、流量、沉降数据的精度远高于人工监测估算的数据;可根据需要合理设置监测频率和报警限值, 对涌水导致水资源漏失进行预警。2 监控系统设备组成2.1 硬件组成本监控系统主要利用工业用液位传感器、雨量计、自控设备、GPRS 无线信号传输装置以及太阳能蓄电池供电装置, 根据应用环境情况组装成套隧道地下水液位远程自动监控系
11、统。同时, 为扩展监测流量、水质等其他指标预留设备接口。沉降与倾斜监测系统采用工业级倾角传感器、雨量计、静力水准仪、智能数据采集分析设备、远程传输装置以太阳能野外供电设备, 在现场埋设传感器, 安装设备即可进行测试。2.2 软件组成根据实际操作中远程监控的需要, 针对该监控系统研发了相应的上位机终端程序。该程序可以对现场设备进行远程连接, 读取实时数据并存储, 根据液位或流量随时间变化情况绘制动态曲线, 软件功能还可以进行扩展和优化等。程序基本设置包括:可设定监测对比的基准液位;根据需要设定采样频次, 如每分钟读取 1 次液位/流量数据;根据需要设定采样周期, 如可设定 24h 为一个采样周期
12、, 与涌水量、雨量等其他数据进行同步;可设定报警液位值等。3 监控系统特点通过本监控系统可实现隧道地下水的远程无线监控, 与传统的人工定时监测相比, 本系统实用性强, 主要特点如下:(1) 提高观测精度。采用工业仪器进行测量的液位和流量数据的精度远高于人工观测估算的数据。(2) 可按照项目情况制定监测频次。通过设定读取数据的时间间隔和记录周期, 可以大幅提高数据的采集量。(3) 现场设备制造成本低, 安装简便, 并且可灵活移动多次使用。(4) 可通过互联网随时随地共享数据。只要具备能够接入互联网的计算机, 通过安装上位机软件, 不仅监测人员可以随时采集到液位、流量、沉降数据, 施工单位、建设单
13、位也可以通过软件界面获得有关信息, 便于相关单位及时了解相关隧道水位的监测情况。(5) 具备预警功能。通过合理的设置监测频率和报警限值, 可对涌水导致地表水漏失进行预警, 及时提醒施工单位采取堵漏措施。4 监控系统应用本监控系统在沪昆客运专线贵州段内的隧道进行了现场测试。随着监控设备的持续运行, 基本得到隧道所在区域丰水期、平水期、枯水期的雨量信息、水井及水塘的水位变化情况和隧道涌水量信息, 可有效地判断隧道施工对该地区的地下水的影响情况。监控人员利用本系统在监控过程中, 发现一处监控水井的水位变化明显, 水位在 20 天内下降了 2 m 多, 直到干枯, 发现此情况后, 立刻分析相关施工情况
14、资料及监控水井的水文变化资料, 认为隧道施工涌水是引起该水井水位变化的重要原因, 及时向建设单位提交分析报告, 建设单位在接到报告后非常重视, 协调当地政府、设计单位、施工单位研究解决办法, 保证了受影响村庄的用水问题。从经济效益角度分析, 10 座隧道共计监控点位 40 多处, 分布于约 500 km 范围内, 按设 3 处监理站计, 年成本费用 (不含人员工资、购置车辆费用) 50 万元以上, 数据密度可达到每周 1 次, 而且受路况影响, 可能出现数据空缺。通过使用无线远程监控设备, 不仅大幅提高了观测的精度及数据密度, 而且成本 (硬件成本, 不包括软件及安装费用) 可比人工监测降低一
15、半。5 结论本监控系统具有组成简单、可靠性高、易于安装、成本低的特点, 投入使用后可大幅提高隧道施工期地下水环境监控工作的效率, 并可以节省大量人工成本。本监控系统通过在沪昆客专贵州段隧道施工期环境监控项目中的应用情况表明:可以实现对监测现场地下水水位数据进行采集、数字模拟量转换、存储等常规处理功能, 还可通过 GPRS 网络, 进行现场地下水水位信号的定时或随机远程通信, 实现地下水水位信息的网络化管理。各种测量设备的适用性、测量精度、可靠性完全满足观测需要, 硬件部分的整体设计可以满足使用环境要求, 软件程序能够实现“数据采集存储分析处理”。通过长期对降雨量、地下水位变化情况、隧道涌水量的
16、监控情况, 可有效分析隧道施工对该地区地下水位及水文系统的影响情况。目前本监控系统可满足隧道施工地下水监测的基本需求, 特别适用于监测点位多而分散或地处偏僻地区的情况, 后期还可参照其他监测指标体系5对监测指标进行拓展, 通过扩展传感器、测量仪器、定制计算机数据处理程序等加以完善, 以适用于各种需要进行远程无线环境监控的场合。参考文献1李东.秀山隧道水文地质特征分析研究J.铁道工程学报, 2014 (4) :29-35. 2周泉.化马隧道突涌水灾害分析及涌水量预测J.铁道建筑, 2014 (9) :75-78. 3白明洲, 陈云, 师海, 等.山岭隧道施工诱发地下水位下降环境风险评价J.铁道工程学报, 2016, 33 (1) :5-10, 15. 4曾彦超, 秦建敏.基于 GSM 短消息的地下水水位自动测报系统J.微计算机信息, 2005 (21) :122-124. 5刘建, 刘丹, 赖明, 等.岩溶隧道地下水环境动态监测体系及其应用J.现代隧道技术, 2014, 51 (2) :23-29.
