广深港客运专线联络通道冻结温度场监测系统的开发

刘洪渊;岳立言;刘强强

【摘 要】广深港客运专线深港衔接段工程联络通道的建设由于地质环境等原因采用隧道内冻结法加固地层、矿山法暗挖施工,所以在联络通道开挖之前需要对冻土进行温度监测.广深港客运专线多个联络通道的冻结监测具有工期紧张、测点繁多的工程问题.基于一线总线技术开发的冻结监测系统实现了温度场监测的总线化、模块化,缩短了监测系统的安装时间、简化了工程现场布线.另外,在温度就地显示的基础上扩充的就地搜索与地址配置功能使监测系统的构建得以进一步简化.结合所开发的冻结监测软件以多种形式将温度场监测功能得以全面地呈现,为广深港客运专线联络通道的安全生产提供了可靠的冻结数据. 【期刊名称】《华北科技学院学报》 【年(卷),期】2016(013)005 【总页数】6页(P100-105) 【关键词】一线总线;温度监测;冻结 【作 者】刘洪渊;岳立言;刘强强

【作者单位】华北科技学院,北京东燕郊101601;华北科技学院,北京东燕郊101601;华北科技学院,北京东燕郊101601 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.49

广深港客运专线是一条连接广州、东莞、深圳和香港的高速铁路，是我国“四纵四横”客运专线中京广高速铁路至深圳、香港的延伸线，其中深港衔接段为连接深圳与香港的地下隧道工程。内地段工程主要内容为：皇岗竖井36 m、矿山法隧道374 m、盾构隧道1856 m和8个联络通道；香港段主要包括：盾构隧道1490 m和6个联络通道。联络通道位于上下行隧道之间，起到两条隧道之间的连接，集、排水，防火以及突发事件时疏散乘客的作用。

由于联络通道穿越地层主要为全强风化变质砂岩及花岗岩、大理岩侵入带，部分地段拱部穿越粉质粘土层，因此开挖前需对联络通道周围土体进行冻结加固。为了掌握每个联络通道的冻结进程，保障施工安全，在联络通道两侧开凿了共计24个测温孔，每孔内布置11个测温点，加之每个冻结器的回水监测，从而形成一个测点密集的空间温度场。平均每个联络通道测点多达280个。下面给出了其中一个联络通道右侧冻结孔、测温孔的布置图，D标志为冻结孔位置，T标志即为测温孔位置。这样设计冻结孔和测温孔除了可以使联络通道的冻结更加均匀，而且测量的值为联络通道开挖时的关键位置处的温度。

对冻结温度场监测系统的要求通常体现在技术指标、实施方式、管理模式三个方面。 在冻结工程中，管理人员通过冻结温度场的监测信息掌控冻土冻结的进程，凭借历史信息预测冻结的发展趋势，尤为关键的是根据冻结信息判断冻结壁是否形成，进而判断是否达到了开挖的条件。由此可见，冻结温度场监测信息的真实与可靠对冻结施工的安全生产有着至关重要的作用。

从技术指标来看，冻结温度场监测通常具有测点数量多、测点相对集中的特点，温度监测范围在-40℃～40℃，测温精度要求小于±1℃。冻结过程中温度的变化较为缓慢，对监测系统的响应速度要求不高，但为便于观察测点温度的变化，对测点温度的分辨力要达到±0.1℃。

因为冻结温度场监测中测点较多，所以在对测点温度进行查看分析时，并不是只对

孤立的测点进行查看，往往是对测点的空间位置、温度、历史温度、邻近测点温度以致整个测温孔及相应冻结器回水温度的查看，这就需要所构建的冻结温度场监测系统能够将监测信息以适当且多样的方式加以呈现。

从系统实施的角度来看，一个联络通道从开冻到开挖往往仅持续1～2个月的时间，而冻结温度场监测系统的安装调试需要在冷冻机开机前的短短几天的时间间隙完成，系统构建时间颇为紧张，因此对系统的结构及其安装调试方式也提出了较高的要求。 由于冻结温度场监测具有距离长、测点多、温度变化缓慢的特点，一线总线测温技术可以很好地满足冻结测温的需要并具有布线简洁的优势，所以本文设计了基于一线总线技术的冻结温度场监测系统，系统结构如图3所示。

整个冻结温度场监控系统按照三层架构进行组建，上层为监控主机，其上运行冻结温度场监控软件，实现整个系统的实时监控与管理；中层为各联络通道的监测分站，每个监测分站由5块BTM8000监测模块组成，位于上层的监控主机与位于中层的监测模块之间通过RS485通讯总线连接，构成主从式通讯网络；底层为传感器层，用于冻结温度场各点环境温度的监测，所有传感器先分组接至多根一线总线线缆上，然后再接至中间的监测模块上。

采用原由美国DALLS公司生产(现为MAXIM公司收购)的DS18B20，它的测温范围为-55℃～125℃，精度可达±0.5℃，分辨力为0.0625℃，其技术特点恰好全面满足了冻结温度场监测的需要。

DS18B20为一种采用一线总线接口的集成数字温度传感器，外部只有VDD、DATA、GND三个引脚，对它的访问与控制全部通过DATA引脚进行。传感器的供电除通过VDD对供电外，还有一种通过DATA引脚的寄生供电方式，在此方式下需将VDD与GND短接在一起，从而形成事实上只需要一根信号线及一线作为参考地线的简单连接方式，并且这一信号线为一总线结构，若干个DS18B20可以同时搭接在这一总线及相应的GND线上，从而构成所谓的一线总线。

具体实施时，事先按测点在测温孔内的布置将若干传感器焊接在作为总线的双绞线缆上，形成所谓测温电缆，每个测温孔只需引出一根线缆，此乃一线总线监测最为重要的特点。在工程应用中，大量的温度传感器通过总线方式连接，使得温度场监测现场的布线得以大幅度的简化，同时也简化了监测系统的安装、调试与维护，这是一线总线监测技术在冻结温度场监测得以推广应用的重要因素。

一线总线监测方式也存在着致命的弱点，当总线线缆一旦发生短路，对总线上所有传感器的访问与控制将无法进行，因此做好线缆的保护非常必要，尤其在将DS18B20焊接在总线线缆上时要采取严格的防短路措施，以使测温电缆即使在低温、潮湿甚至浸水的环境下长期工作也不能短路，具体采用了三重保护措施。 1) 用密封胶将焊点导体裸露处全面包裹，所用密封材料也需有良好的耐低温特性，不易开裂。

2) 用防水胶带缠绕，做进一步的防水措施。 3) 外层包裹塑料胶带保护，做好一般摩擦保护。

如此制作的测温电缆甚至可浸入盐水箱内作长期的温度监测而不致失效。 由于测温孔较深，而单凭测温电缆无法完全深入测温孔内部，所以在测温电缆安装的时候还需要借助外部条件。在实际工程中，通常使用适当的铁丝与线缆捆绑在一起，利用铁丝的刚性进入测温孔内部。测温电缆完全进入测温孔后，用保温棉等保温物质将孔口堵塞，以保证测量的准确性。

作为一线总线的管理者，监测模块负责一线总线上所有DS18B20的访问与控制，而每只传感器均独享一个64位编码作为其永久ID码。监测模块通过一个搜索过程可获知所接一线总线上的各个传感器的ID，当要执行温度采集功能时，监测模块首先在一线总线上发出ID码以选择传感器，接着对选定的传感器发送温度采集命令，采集完成后，传感器所感知的环境温度即转换为数字信息存贮在芯片内的存贮器上。当对其执行读取命令时，传感器就将温度及传感器其它信息按照一线总线

的时序格式发送到一线总线上，按照这一过程可以实现总线上所有传感器的温度采集。

在这一过程中，监测模块只是按照一线总线信令的要求读取传感器转换后的温度信息，并不存在模拟信号监测过程中的信号调理、A/D转换、标度变换等可能引起误差的环节，如果传感器及一线总线监测网络工作正常，就可以保证测温数据的正确性，由此类监测模块所构成的在线监测系统所提供的监测信息即是真实的。 由于对所有传感器的访问与控制均是通过这一根数据线，每只传感器的温度采集要经过多个环节，从而使得温度采集的速度较低，当采用寄生供电方式时，每只传感器的温度采集时间约为0.8 s。当总线上接有N只传感器时，监测模块的巡回采集周期即为0.8*N(s)。

在本项目实施中，我们采用了自主开发的BTM8000一线总线测温模块，每个模块测点容量为96点，可接多条测温电缆。在联络通道的冻结温度场监测中，为节约模块数量且兼顾温度采集的更新速度，将6个测温孔的6条测温电缆(共66点)并接至同一模块上，如此每个联络通道的监测分站只需5个模块即可(其中一个专用于冻结器回水及其它测点的监测)，而每个监测模块与其所接的测温电缆上的传感器就构成了主从式的一线总线监测网络。

项目实施中，随着隧道的盾构推进，各联络通道的冻结监测分站依次投入，当前期的联络通道贯通后，其监测分站便可移植到后期的联络通道冻结监测中，实际施工中，最多只有三个分站处于同时运行状态，使监测系统的投入成本得以降低。 在监控主机上运行的冻结温度场监测软件基于Fame View开发，主要包括画面监测、数据库管理、报表管理等功能。监测画面按测温电缆布置设计，较为形象地展现了各测点的温度及其联系；数据库管理功能可定时记录测点的温度信息以便历史数据的查询；即时报表与定时报表功能便于随时记录下当前的温度场信息以供审核与存档；可将数据库中的历史数据以EXCEL文件格式导出，以便于冻结温度的数

据处理与历史曲线的生成，从而更为形象地展现冻结温度的发展过程。

在测温电缆制成后，冻结温度场监测系统的调试主要围绕监测模块与监测软件的开发展开。具体包括： (1) 模块地址设置

对于RS485通讯网络中的监测模块，每一模块应分配一个唯一的地址。

BTM8000模块本身带有键盘、显示器接口，模块上开发了可就地更改地址编码的功能，利用键盘、显示器的配合操作即可实现地址的修改，这为现场的调试带来了很大方便。 (2) 测点搜索

在监测模块接入测温电缆后，若要实现温度监测，必须首先获取总线上所接的传感器数量及每只传感器的ID，这要通过监测模块的搜索功能加以实现。

BTM8000监测模块在软件实现中将搜索功能与监测功能相互独立，通过与上位机通讯或模块的人机界面操作调用搜索功能，搜索完成后将表征电缆参数的传感器数量及其ID的搜索结果存入EEPROM，当再次复位启动时将首先检查EEPROM内是否存在有效的搜索结果，如果有效监测模块将进入正常的监测功能的运行中，如果不存在将给予提示。

BTM8000监测模块的就地搜索功能及搜索结果的就地显示，使安装调试人员通过监测模块本身即可了解模块及测温电缆的工作状况，为冻结监测现场的安装、调试提供了很大的方便，有利于监测系统的快速构建。 (3) 监测模块的温度监测设计

监测模块对测温电缆执行完搜索功能后，即进入不断的循环监测中。在监测过程中，一面通过串口接受监测主机的命令，并按照命令要求将信息发往监控主机，实现了监测信息的远程监测；另一方面，各测点的温度信息可在监测模块本身的LCD上加以显示，BTM8000监测模块设计了两种显示方式，一是循环显示各测点序号及

其温度，二是通过按键选择某一测点，观察指定测点的温度变化。 (4) 测点位置匹配

在设计冻结监测软件的监测画面的设计中，需将每一个测点的温度信息与其空间位置相对应，这一过程称为测点位置匹配，如此才可形象直观地观察冻结温度场的监测信息。

由于每只传感器均有一个唯一的ID，在BTM8000监测模块的软件设计中，测温电缆搜索结果中ID的排序、测点温度数据与测点ID与上位机的顺序、测点温度在监测模块本机显示的顺序三者完全一致。因此既可以用ID号在上位机指定传感器，也可以在监测模块上用序号指定传感器。通常适用的匹配方法是，用手逐一握住每只传感器，同时在监测主机或监测模块上筛出向体温变化的那只传感器的ID或序号，从而掌握这一ID或序号的传感器在测温电缆上的位置，进而在监测画面上适当位置标出，完成测点位置的匹配。

下图示出了广深港客运专线联络通道CP1的T4中1，2，4，5四根测温线所在测温孔测点的温度变化曲线，从所反应的温度曲线来看，开冻初期测温孔内地层温度约为25℃，经过一个月的时间，测温孔内地层温度降至-10℃，而T4-1、T4-2在孔口位置，由于施工期间测点被拉出而使其温度明显偏高，冻结温度场自动监测系统真实地反映了这一现象。

基于一线总线监测模块BTM8000所开发的冻结温度场监测系统在广深港客运专线联络通道冻结监测中发挥了至关重要的作用。

首先，一线总线技术的使用，大大简化了现场布线，使得监测系统便于安装，缩短了系统安装时间。

其次，BTM8000开发了诸如键盘、显示器等多项易于调试的功能，对系统的快速构建与运行提供了技术条件。

最后，结合冻结温度场监测软件通过画面显示、数据库管理、生成报表、趋势曲线

等功能对获取的温度信息进行组态，除了可以进行实时监控，还可以存储历史温度数据和生成温度报表。

此冻结监测系统为冻结施工提供全方位的信息化服务，对广深港客运专线联络通道冻结工程的顺利进行与安全生产提供了一定的技术保障。