1、 XXXX 隧道在线安全监测系统 初 步 设 计 北京华测智创科技有限公司 二 O 一零 年 四 月 审核：叶绍勋 主设：薛甲山 设计：葛金秋 毛会勇 郝朝军 姚如镇 目 录 1、 概述 1 1.1 项目背景 .1 1.2 项目概况 .1 1、 监测内容 2 2.1 监测项目 .2 2.2 监测项目设计 .2 2、 系统构成 3 3.1 系统功能 .4 3.2 系统特点 .4 4、设备选型 5 4.1 表面位移设备选型 .5 4.2 环境监测设备选型 .8 4.3 裂缝监测设备选型 .9 4.4 应力应变监测设备选型 .10 4.5 采集设备及采集软件 .12 5、设备安装 15 5.1 表面
2、位移监测设备安装 .15 5.2 环境监测设备安装 .19 5.3 裂缝监测设备安装 .20 5.4 应力应变监测设备安装 .21 6、通讯及供电系统设计 26 6.1 通讯系统设计 .26 6.2 供电系统设计思路 .26 6.3 市电供电 .26 6.4 太阳能供电 .28 7、防雷系统设计 29 7.1 直击防雷 .29 7.2 感应防雷 .31 8、监控中心设计 32 8.1 设计原则 .32 8.2 总体布局 .32 8.3 环境基本要求 33 9、售后服务及培训计划 34 9.1 售后服务 .34 9.2 培训方案 .35 10、项目概算 37 10.1 项目效益分析 .37 10
3、.2 项目主要产品预算清单 .37 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 1 1、概述 1.1 项目背景 近些年来，高速等基础设施建设事业的快速发展，我国隧道建设工作进入了迅猛发展时期，随之而来的各种隧道事故也频频发生。隧道穿越的山体工程地质及水文地质等条件复杂多变。 既有隧道又受修建时期的设计与施工技术条件的限制，早期修建的隧道经常出现隧道拱顶开裂、边墙开裂、拱顶空洞、衬砌损坏、隧道渗漏水、隧道冻害、围岩大变形、衬砌厚度薄、混凝土强度低、隧道内空气污染等病害；另外，由于各方面的原因，隧道内部的照明设施不足等引发交通事故，也是可能引发灾难性火灾事故的隐患所在。因此，铁路隧道的健康问题
4、变得日益突出， 如何对现役营运隧道或新建隧道进行健康诊断和病害与灾害预防和控制就显得极为重要。随着各地如火如荼地发展高速公路、铁路建设，接踵而来的隧道施工事故也频频发生，敲响了安全生产的警钟。 HC 隧道监测系统是利用现代电子、信息、通信及计算机技术，可实现对隧道监测指标的实时采集、实时传输、实时预警。亦可用于非长期或人工形式的监测检测中。通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然。 1.2 项目概况 略 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 2 1、监测内容 2.1 监测项目 1） 变形监测 沉降、位移、收敛等监测，自动化监测方式主要采用静力水准
5、仪、固定式测斜计、多点位移计、收敛计等 2）应力应变监测 主要监测衬砌结构及支撑的应力应变情况，自动化监测方式主要采用衬砌应力计、表面应变计、埋入式应变计、钢筋计、锚索计、轴力计等 3）裂缝监测，主要采用裂缝计。 4）环境监测 主要监测隧道内的地下水位、温湿度等，采用渗压计、温湿度计等。 综上所述，隧道监测指标及监测设备汇集成下表。 监测项目及指标 监测设备 变形监测 静力水准仪、固定式测斜仪、多点位移计、收敛计 应力应变监测 应变计、土压力计、钢筋计、锚索计、锚杆计、轴力计 环境监测 渗压计、土壤含水量、温度计 裂缝监测 裂缝计 2.2 监测项目设计 根据项目实际情况，本项目选择 XX/XX
6、 进行监测 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 3 2、系统构成 隧道在线监测系统主要有以下几部分组成： 1) 数据感知部分（各监测指标各类型传感器） ； 2) 数据采集部分（采集单元） ； 3) 数据传输部分（有线、无线） ； 4）控制分析部分（监控中心软件、显示） 。系统拓扑结构示意图见下图. 感知系统采集系统传输系统控制分析系统HC 监测及采集单元 振弦采集仪 数字采集仪 集线器 WIFI/3G/GPRS/Zgibee 无线传输有线传输打 印 机 管理服务器 数 据 库 HC 监测系统软件 静力水准仪 固定式测斜仪 多点位移计 收敛计 变形监测 环境监测应力应变监测裂缝监测渗
7、压计 温度计 衬砌应力计应变计 钢筋计 土压力计 锚索轴力计裂缝计 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 4 3.1 系统功能 1）实现对隧道重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析。 2）直观显示各项监测数据，监测数据的历史变化过程及当前状态。 3）一旦出现紧急情况，系统能及时的发出预警信息。 4）可实现安全监测信息的多级共享。 5）可实现安全预警信息的发布。 3.2 系统特点 1）数据采集快 可根据客户的要求进行指定时间采集、按时间表采集等各种采集方式； 2）监测精度高 HC 隧道监测系统都采用长期应用证明稳 定的国内、国外传感器、保证了监测精度； 3）硬件层次少 系统组成简单、
8、结构清晰、运行稳定、维护方便； 4）分析手段多 能生成各种报表、曲线、图片； 5）信息发布快 能对监测数据进行初步的分析和简单的评价， 并可根据事先设定的预警值进行报警，报警可实现手机短信、邮件、声光报警器等方式。 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 5 4、设备选型 4.1 表面位移设备选型 1、静力水准仪 静力水准仪选择 HC-4100 型， 1)技术指标 HC-4100 系列静力水准仪主要技术参数 测 量 范 围(mm)： 50-400 分 辨 力(mm/F)： 0.25 温度测量范围（）： -2080 温度测量精度（）： 0.1 2）系统工作原理 静力水准仪是由一系列智能液
9、位传感器及储液罐组成， 储液罐之间由连通管连通。基准罐置于一个稳定的水平基点，其他储液罐置于标高大致相同的不同位置，当其他储液罐相对于基准罐发生升降时，将引起该罐内液面的上升或下降。通过测量液位的变化，了解被测点相对水平基点的升降变形；边坡地滑仪通过测量两个长距离点之间的位移变化情况，来反映边坡整个断面上的位移变化情况。 2、固定式测斜仪 HC-5100 型固定式测斜仪 1）主要技术参数如下： 功能 详细指标 标准量程 15 测量精度 0.1%F.S 灵敏度 10 弧秒（ 0.005mm/m） 温度范围 -20+80 C 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 6 供电电压 12V 输
10、出电压 3V 10 直径长度 32 187mm 耐冲击 2000g 2）工作原理 多支测斜仪串联后， 将这些仪器产生的位移变化量进行累加即可获取整个剖面的垂直位移变形曲线,固定式测斜仪用于内部位移监测的工作原理如下图所示。 3、HC-2200 多点位移计 HC-2200 系列型振弦式多点位移计由 HC-2100 系列振弦式位移计.3-6 支组成。 有位移传递杆及其保护管.减摩环.安装支座.锚固头等部件构成。用于精确测量钻孔内岩土体纵向分层位移。 主要技术参数： 待测线性变形通过拉杆传递给拉簧产生边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 7 一与变形成线性关系的力F 作用于感应体上，引起振
11、 3 的自振频率发生变化，由二次仪表通过线圈对振弦激振并接收数字信号， 便可按照给出的计算公式求得作用在位移计两端线性变形的大小。 主要技术参数 型 号 规 格 HC-2200 测量范围 (mm) 50 100 50 100 50 100 50 100 灵敏度 (mm/F) 0.02 0.03 0.02 0.03 0.02 0.03 0.02 0.03 传感器测点数 3 4 5 6 温度测量范围（） -2560 温度测量精度（） 0.5 允许电缆接长 (m) 1000 防渗水压力 (MPa) 1.0 注： F S 表示满量程输出， 3210=ZHF。 4、9430电子式收敛计 9430净空变位
12、计或电子式收敛计的内部包括一根振动钢弦组件固定于一组经过高温热处理之伸缩弹簧组件，当仪器前端之伸缩杆件受外力影响而伸缩时，内部钢弦的张力将因此递增或衰减，其共振频率随之改变。使用振弦式读数仪或自动化集录器可以测得该共振频率进而精确推算出其变位量。 本产品主要用于测量两个标定点之间的长度变化，包括： 隧道中收敛位移监测。 开挖中基地附近建筑物的位移监测。 桥梁、桥墩等工程结构物的变形监测。 主要技术参数 量测范围：50mm、100mm (其他范围可定制) 操作温度：-20 至 +80 变位计本体长度：352mm、505mm 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 8 感应线长度：3m 感
13、应频率范围：1200 3500Hz 灵敏度： 0.025% F.S. 非线性：6m)，可分段置入、孔口连接。 2）灌浆锚固。全部测杆完全置入孔中，使测杆束上端面尽量处于同一平面内并距 160mm 扩孔底面以下约 5cm,测杆护管比测杆短约 15cm。 位置定位可靠后浇注混凝土砂浆至测杆保护管上端面以下约 20cm，凝固后方可撤去约束。浇注混凝土砂浆时要特别注意保护测杆保护管口及测杆端口， 避免受到损伤和沾结混凝土砂浆。 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 18 3）安装测头基座。先将测杆护管调节段（长度现场调整）及带刺接头插入测杆保护管中，此时全部测杆及保护管的上端应基本处于相同平
14、面内。放入事先连接好的安装基座和 PVC 传感器定位芯座， 将测杆及其护管与定位芯座上的多孔一一对准后落下定位，注意调节基座法兰的底面位置使测杆不受轴向压力为宜，可用底面加填钢制垫片实现。 调节准确后钻地脚螺栓孔并用地脚螺栓将此组件可靠固定于 160mm 孔底面上。 4）安装位移传感器。将位移传感器逐一通过 PVC 定位芯座上对应定位孔与测杆端接头加螺纹胶旋紧固定可靠。 如果发现测杆连接面陷得太深而使传感器无法拧入时，可以加装仪器商预备的加长件。待胶凝固后，用频率读数仪监测状态下调节传感器“零点”，并通过安装在芯座上的予置机构锁定位置。按测点数逐一完成上述调节。 每支仪器的埋设零点由监测设计者
15、按该测点的“拉压”范围而定。 5）安装保护罩。用频率读数仪逐一测读各支传感器并做好记录，若全部测读正常，即可装上保护罩，此时保护罩的电缆出口处已装好了橡胶保护套。将全部测点传感器的信号电缆集成一束从橡胶护套中沿保护罩由内向外穿出。 安装保护罩时，可在保护罩的 M901.5 外螺纹上涂以适量螺纹胶。连接可靠后，整理电缆，再逐一检测一遍各支仪器的读数是否正常。 6）接长电缆。现场接长电缆处须具备交流电源。仪器电缆与接长电缆间须用锡焊连接芯线并不得使用酸性助焊剂， 芯线外层及电缆表层护套上均应使用热缩套管包裹可靠。 全部电缆连接工作完成后再用读数仪检测一遍各支仪器的读数是否正常。 若认为必要， 安装
16、基座及传感侧头组件可用混凝土砂浆予以包裹整齐。 多点位移计的安装工作即告完成。 4、收敛计安装 安装步骤： 1)确定合适的设置距离。用电锤或其它合适的工具在确定的位置钻两个深约孔约 50mm。 2) 将膨胀锚拴插进钻孔，并上紧。 3) 将裂缝计两端用螺栓固定到锚头的螺孔中。 4) 用便携式读数仪检测读数测读初始值，并记录。 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 19 5.2 环境监测设备安装 1、渗压计安装 各类型的渗压计无论在有套管或无套管的钻孔里， 都可以单支安装或多支安装 ,如果在一个特殊的地区监 测微孔压力,就要特别注意 钻孔的密封。推荐在钻孔中安装时使用加厚的聚乙烯护套电缆
17、。 安装时不能使用随时间迅速下沉的材料，例如返料。钻孔应该钻至渗压计预定位置以下 15-30 厘米，并应洗净钻孔，然后将孔的底部用干净的细沙回填到渗压计端头以下 15 厘米时，即可放入渗压计，最好是将渗压计封装在一个砂袋里，保持干净。用水浸透砂子，然后放到位（在电缆上做标志） ，仪器在这个位置时，应环绕渗压计周围放进干净的砂子，砂子可以放到渗压计以上 15 厘米，图 23详细说明了隔绝被监测区域的两种方法。 一旦到了上述的“集水区”就要将孔密封，可用两种方法，一是用膨润土和适量的沙回填交替层约 25 厘米，然后用普通的土回填，或是用不透水的膨润土与水泥浆的混合物回填。如果在一个单孔里安装多支渗
18、压计，膨润土与沙应回填到上部渗压计的下部，并以每两个渗压计之间的距离为间隔交替进行。在设计与使用填塞工具时特别要小心，避免损坏渗压计的电缆。 由于振弦式渗压计基本上是一个非流量仪器， 所以其集水区不需要很大的尺寸，事实上，渗压计可以与大多数材质接触，因为这些材料的颗粒不能通过过滤边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 20 器。 2、温度计安装 温度计、含水量计的安装相对比较多简单，示意图如下： 5.3 裂缝监测设备安装 裂缝计的安装主要采灌浆锚杆或者膨胀螺栓的方式。 安装步骤： 1)确定合适的设置距离。用电锤或其它合适的工具在确定的位置钻两个深约孔约 50mm。 2) 将膨胀锚拴插进
19、钻孔，并上紧。 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 21 3) 将裂缝计两端用螺栓固定到锚头的螺孔中。 4) 用便携式读数仪检测读数测读初始值，并记录。 5.4 应力应变监测设备安装 1、应变计的安装 1）在钢结构上安装 通常采用焊接安装块的方式。传感器体不能通过焊接电流，否则将造成传感器的损坏。因此，传感器的安装应在焊接工作全部完成后进行。可利用一个根据仪器尺寸制作的安装杆定位和焊接安装块（安装杆可使用外径 12mm 的钢筋制作或车削，要求长度不低于 165mm，外表通直光滑） 。安装块是成对提供的，其中带有锥尖固定螺钉，焊接表面应清理干净，焊接部位及顺序如图 3-2 所示： 边
20、坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 22 焊接时应避免过热，不能焊接平直端面，否则将影响仪器的拆装。焊接完成后，使用适当方法对安装块降温并去除焊渣，并检查调整两端块是否同心。拆下安装杆，安装仪器。如下列图示： 穿入应变杆，套上线圈并固定卡箍。 将线圈卡在应变计中部，将卡箍套在线圈上拧紧。 先将应变计有 V 型槽的一端用螺钉固定，调节另一端使之达到预期的初始读数，最后用螺丝固定。 2）将应变计安装到混凝土表面上 安装块上焊好锚头（锚头可使用 810mm 螺纹钢，长度 6080mm），利用安装杆定位， 在合适的位置钻出两个 7090mm 深的孔。 孔的最小直径为 12 mm，将锚头用速凝
21、砂浆或环氧固定在钻孔中。如图3-3所示： 要保护措施完善，标准的安装块也可用专用粘合剂直接粘合到混凝土表面上。如果采用这种方法，清除安装部位砂粒等杂物，并清洗干净。使用安装杆定位，用环氧直接将安装块粘结到混凝土上。 2、钢筋计的安装 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 23 通常的步骤是将与钢筋计直接焊接到现场的待测钢筋上。 钢筋计有足够的长度，可以在不损坏其内部的应变元件而焊接就位。然而，仍应小心以确保钢筋计中心部分不要变得太热，因为线圈骨架和防护环氧树脂可能会融化。为了防止该种情况发生，有必要在焊接部位和仪器中心30cm 段放置湿抹布或焊接时在钢筋计中间部位浇水。同时，当焊接时
22、还要当心不要因高温损坏电缆。特别注意的是电缆端部的芯线金属线头不要搭接在钢筋网上， 以防止焊接时形成回路产生电弧打火而损坏！焊接结束后，仪器电缆应沿钢筋用尼龙扎线每隔1 米绑扎好，避免用铁丝绑扎线固定，以避免电缆因此损伤。 当安装钢筋计时，要注意区分并记录所有仪器的安装位置和编号，以便在进行数据处理时，提供正确的率定系数和后期结构应力分析。 3、土压力计的安装 将焊在土压力计边上的吊耳，用水泥钢钉、膨胀螺栓、绑扎丝等将土压力计背板对着结构表面固定在结构上，即使结构表面是光滑的，尤其是当结构表面粗糙或不规则时，都须在土压力计与结构表面之间垫些砂浆。 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司
23、 24 用土压力计上的挂耳作为模板，以便确定钻孔的位置，这些钻孔用于安装膨胀螺栓，将土压力计直接安装在膨胀螺栓上，也可以将膨胀螺栓安装在土压力计附近并用绑扎丝将土压力计固定就位。换句话说，土压力计可用挂耳作为向导将土压力计固定到位。 首先拌合一些速凝水泥砂浆或环氧砂浆， 将它们抹在表面上，然后，将土压力计压进水泥砂浆中，使多余的水泥砂浆从土压力计周边挤出。按住压力计不动直至水泥砂浆凝固， 然后通过加上螺栓并拧紧或用钢钉将土压力计就位，从而完成安装。要注意保护土压力计、传感器本体和电缆，使其不直接接触大块的岩石，应避免用粒径大于 10mm 石块的细颗粒回填材料覆盖。细颗粒材料是作为填充料被放进去
24、的，以保持它们与土压力计和电缆接触，用金属保护管将电缆引到结构表面。 4、锚索计的安装 锚索测力计安装前，除应符合相关规范外，保证锚索计安装基面与钻孔方向的垂直十分必要。应检查锚垫板与锚束张拉孔的中心轴线是否相互垂直，允许的垂直偏差范围是 90 1.5。任何超过该偏差范围的安装将会导致锚索测力计在边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 25 锚束张拉过程中在垫板上产生滑移、测值偏小或测值失真。 在可能的情况下，锚索测力计应该尽量对中，以避免过大的偏心荷载。锚索测力计承载筒上下面可设置承载垫板以保证平整结合以便荷载均匀传递， 承载垫板应经平整加工，不得有焊疤、焊渣及其他异物。 边坡在线监
25、测系统方案 北京华测智创科技有限公司 26 6、通讯及供电系统设计 6.1 通讯系统设计 系统的通讯主要有有线通信、无线通讯、混合通讯等几种形式。通讯方式的选择应优先选用有线通信的方式，有线通信系统比较稳定，故障容易判断，比较好实施。对于有线通信方式条件不具备的情况下，可考虑采用无线传输的方式。 6.2 供电系统设计思路 1）优先考虑采用宽电压工作设备。 2）电源系统采用拓朴形式供电网络，总体宜构建三相火线、一相零线的供电总干线，各横断面上分支接出支干线。其中一条火线和零线作为监测监控系统总电源，另两条火线作为补光照明总电源（如果需要）。 3）电源设置总线路稳压器，根据线路长度设置后端稳压器。 4）根据需要在总电源处设置备用柴油/汽油发电机，发电机功率应有富余。如果监控中心与库区监测网电源是独立的， 还应考虑为监控中心独立配置小型发电机。 5）科学计算各设备功率及线路损耗，根据要求合理配置备用电源，如在各监测点末端配备合理容量的在线式备用电源、 在监控中心配置大容量智能在线式备用电源和电池组等。 6.3 市电供电 根据系统功耗及线路长度，电源线采用26mm2铜芯(铝芯)电缆（接入市电）。电源系统相关示意图如下所示： 边坡在线监测系统方案 北京华测智创科技有限公司 27 电源系统结构示意图 末端电源系统示意图（一） 末端电源系统示意图（二）
