地铁和高速列车隧道施工。地下和地面无线监测

随着越来越多的隧道工程在各大洲的兴起，找到一个涵盖地下和地面监测的解决方案已成为当务之急。考虑到隧道工程中不同的工程挑战、安全隐患和保险法规，基于物联网技术的无线监测系统就是答案。 

Worldsensing 组织了一次 为参与隧道工程项目的工程师、顾问、项目经理和传感器制造商举办的网络研讨会他们希望进一步了解无线技术如何满足隧道工程的特殊需求。

涉及的主要议题有：目前用于监测隧道施工项目的方法的优势和局限性，自动化的好处，如何使用不同的无线方法进行监测，详细直观地介绍了物联网技术在隧道施工中的应用，以及选择监测解决方案时的关键考虑因素。会议还讨论了关于欧洲和美国隧道建设中物联网无线监测的案例研究。 

具有不同性能结果的各种无线技术

大多数无线技术依赖于局域网（LAN），包括著名的技术，如蓝牙或WiFI。这些技术大多用于短距离（50至100米之间），但不足以满足隧道建设或一般岩土工程市场的监测需求。蜂窝技术，如3G和4G，可以达到更远的距离，并允许频繁地收集数据，但其缺点是移动设备呈现出高耗电率。 

局域网和蜂窝电话技术都依赖于网络信号和视线（LOS），这在隧道工程中很难实现。在使用这种技术的隧道工程中，为了减少消耗，数据通常是每天或每周发送一次，所以不适合实时或近实时的数据采集。

相比之下，LoRa（长距离通信）是基于IoT（物联网）技术的，所以它可以解决局域网和蜂窝技术在范围和功耗方面的限制。通过LoRa，数据可以远距离传输（视线范围内可达15公里，隧道内可达4公里），而只需要很少的电力。电池可以持续很长时间，因为设备只有在需要读取和传输数据时才会被 "唤醒"，之后就会恢复到睡眠模式。

"LoRa（长距离）已经成为全球物联网（IoT）网络的事实技术，因为它具有长距离、低功耗的能力" 高级工程地质学家Maria Navarro。 

LoRa还提供了部署私人网络的可能性，使用户能够拥有控制权，不依赖大型运营商。

无线监测系统：架构概述

Maria 以 Worldsensing 为例，介绍了基于 LoRa 的无线监控系统，以说明这些系统是如何工作的。Worldsensing 系统包含一个数据记录器（无线节点）和一个网关，可连接现场部署的传感器。传感器安装在各自的特定位置，并与数据记录器相连，数据记录器从中收集数据。这些数据通过无线电信号传输到网关。无线电服务器和 Worldsensing 数据服务器由网关托管，可以通过网络读取数据、进行基本可视化和网络管理。客户可添加额外的软件层来管理警报，并通过 FTP 或 Modbus 协议或 API 调用将数据从网关自动发送到他们的平台，从而建立进一步的计算。

隧道施工监测的申请 

胡安介绍了像 Worldsensing 这样的低功耗广域网无线系统是如何应用于隧道施工监控的。他以明挖回填隧道工程为例，详细介绍了针对每个关键监控需求的相应无线解决方案。该示例说明了地铁站或高速列车隧道段的总长度，并重点介绍了单点传感器和地面传感器。

"在隧道施工过程中，预计会有地面运动，附近的建筑物会对这些运动作出反应。无线解决方案可以使所有经常用于监测这种运动的仪器设备自动化"，Juan Pérez，高级岩土工程师。

无线倾斜仪可用于监测建筑物的倾斜和与损坏标准有关的角度变形。这种三维运动可以用全站仪来监测。 

可使用连接到单通道模拟节点（如 Worldsensing Piconode）的电位计来监测现有表面裂缝或新裂缝的移动情况，以收集读数。也可以使用与振动线节点相连的振动线裂缝计。 

在监测建筑物对隧道施工的反应时，必须测量沉降 （在某些情况下还有隆起）。除了像全站仪这样的大地测量技术，沉降可以用液位沉降系统来监测。每个沉降单元都是一个压力传感器，可以用一个模拟节点来读取。这些系统即使安装在建筑物的地下室和没有视线的地方，也能保持读数的准确性。 

监测地下连续墙后面和隧道上面的地面运动是用多点钻孔延伸仪（MPBX）测量不同深度的垂直变形。安装在MPBX中的位移传感器可以是振动线或电位计，可以用模拟或振动线节点读取。

在明挖隧道工程中，监测地下水位是至关重要的，因为为开挖而进行的脱水工程会产生孔隙水压力的变化，反过来会在地表产生沉降，影响周围的建筑物。在不同的监测点使用压水计（通常是振动线）和相应的无线节点来检查水位。监测点之间的距离通常超过100米，所以需要远距离无线电来收集近乎实时的数据。

一些结构件的性能，如地锚中的力，也应使用带有1通道模拟节点的称重传感器或用于读取传感器的振动线来监测。为了分析沉降，连接到振动线节点的振动线应变计将监测结构件的应变和应力。

电池供电的无线节点可以自动读取就地倾角仪链，以测量地下连续墙或其背后的横向变形。 

胡安还解释了无线技术如何有助于监测隧道内的关键参数，考虑到所使用的不同隧道方法（TBM，NATM等）。 

未来的趋势需要自动化

小组成员讨论了隧道行业的现状和未来的预期趋势。据Maria称，隧道招标已经开始规定自动化，要么包括一定比例的仪器自动化，要么间接规定更高的采样率，这导致了自动化仪器系统的出现。

自动化提供了关于土壤和岩石行为的演变以及隧道段在所有阶段的整体行为的宝贵信息。在不久的将来，监测将向自动读数倾斜。在高密度的操作环境中，无线监测是获得可靠数据的最佳解决方案，因为它提供了高采样率，使项目团队能够使用（接近）实时数据检测任何缺陷。 

更多的数据采集将导致更精确的预测模型的发展和更多关于土壤和结构行为的知识。将这些数据与其他相关信息（如挖掘参数）相匹配，将为挖掘工作的表现提供一个完整的视野。这可以帮助减少事故的反应时间，并将工人、城市隧道环境和市民的风险降到最低。

在Maria看来，尽管物联网在过去十年中已经渗透到岩土工程监测市场，但仍有很长的路要走。"她说："我们可以说，现在所有的系统（人工、布线和无线）都在隧道项目中共存。"对于像隧道开挖这样复杂的情况，有几个承包商和系统参与，无线自动监测解决方案是最有效和风险最小的解决方案，以确保风险管理系统的可靠性和准确性"。 

数据智能将是一个重要的重点领域，因为它将为监测项目带来额外的价值。目前的模型是由监测数据提供的，但据Maria说，将数据智能添加到模型中仍需5年左右的时间。