自动化监测技术在公路隧道施工中的应用探究

自动化监测技术在公路隧道施工中的应用探究

李林福

山东东泰工程咨询有限公司， 山东 淄博 255000

摘要：随着交通工程快速发展，目前的公路、铁路隧相道出现了一些新的特点：断面大，隧道长，地质条件复杂，如何控制这些隧道的围岩变形保证施工安全，成为研究的重点内容之一。为实时监测变形，保证围岩变形在可控范围之内，进一步降低安全风险，以某隧道为背景，对隧道拱顶下沉进行了公自动化监测并与现场实际情况进行比对分析，结果表明，自动监测数据较为准确的反映了现场围岩变形情况，对指导施工有一定的指导意义。

关键词：隧道；自动化监测；数据处理；成果分析

前言：为规范公路工地建设管理，充分采用工厂化、集约化的施工措施，优化资源配置，节约工程成本，提高工作效率，提升工程项目管理水平，确保项目工程质量、结合全国公路工地建设的实际情况，交通运输施工部提出了公路建设“五化”要求，即：发展理念人本化、持远项目管理专业化、工程施工标准化、管理手段信息化、过程日常管理精细化。

当前隧道位移量测主要以人工监测为主，不仅费时费力，而且较难实时动态反映围岩的变化状态。相比人工监测，自发动化监测具有实时连续等优点，逐渐成为隧道监控量测的发展趋势，开展对于公路隧道施工的自动化监控量测工作将具有重要意义。

1公路隧道施工监测现状当前阶段

我国的隧道施工监测以人工测量为主，该种测量方法的优势在于简单、技术成熟可靠，然而人工测量弊病颇多，如时效性差、监测效率低、成本较高、危险性较大。利用自动化监测技术实现公路隧道施工监测是公路隧道施工监测发展的大势所趋，在自动化监测技术支持下，隧道监测可实现无人值守全时段监测，并能够快速有效的实现相关数据的初步分析，因而于解决人工测量弊病有着强的现实意义。

2.隧道量测的内容及目的

2.1隧道监控量测的必测项目

为了保护隧道的顺利开挖及二次衬砌的时间，隧道围岩的量测必测项目一般包括地质及支护状况观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测、地表下沉。地质及支护状况观察包括岩性、岩层产状、结构面、溶润、断面描述、支护结构裂缝等：周边收敛量测是量测隧道周边位移，了解收敛状况、断面变形状态，判断稳定性：拱顶下沉量测是监视拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性：地表下沉是根据地表下沉位移量判定陵道开挖对地表下沉的影响，以确定隧道支护结构。

2.2道控量测的选测项目

道围洲星燃的选道项目：围岩内部位移日到、错杆轴力量、衬砌应力量测、围岩压力量测及支护压力、型钢支撑应力量测及弹性波测试。围岩内部位移量测是了解隧道围岩的松弛区、位移量及围岩应力分布，为准确判断围岩的变形发展提供数据：锚杆轴力量测是根据铺杆所承受的拉力，判断锚杆布置是否合理：衬砌应力量测是根据量N-次衬砌内应力、喷射混凝土层内轴向应力，了解支护衬砌内的受力情况：根据围岩压力及层间支护压力，判断复合衬砌中围岩荷载大小，判断初期支护与二次衬砌各自分担围岩压力情况：量测型钢支撑内应力，推断作用在型钢支撑上的压力大小，判断型钢支撑尺寸、问距及设置型钢支撑的必要性：通过声波测试，判断围岩松动区大小、裂隙发育情况。

3 自动化系统功能

根据监测系统设计原则，将整个监测系统按近工程分成4个原层次分别进行开发，并执行统一的接口标准，便于最终对接。

数据采集功能.本系统采用线阵位置CCD与远距激光基准投线仪相结合工原理对数据进行采集。

数据传输功能。第2层为通讯与控制采集层，功能为控制传感器网络，并接收底层测量数据，并传回到数据库中心(邯第3层)。

数据处理功能功能。为接收采集到的数据和工程建设信息数据，并向用户提供数据维护、修改、更新、查询等服务。

数据分析与预警功能。第4层，即最高层为最终用户层，从数据库中调集数据，并根据需要对数据进行处理、分析和展示，当监测数据超过预警阀值时，及时自动化预警。

4仪器设备及现场布置

在该系统中，数据采用线阵位置敏感器件(CCD)与远距激光基准投线仪相结合原理。硬件部分主要包括激光器及光学准直器，以CCD为核心的信号采集模块，及通信模块和电源系统。

4.1电荷耦合器件CCD

CCD是由光敏单元、输入结构和输出结构等部分组成的体化的光电转换器件。线阵CCD的光敏单元顺序排列成直线形状，各规格的线相陈CCD其光般元分别有1024.2048.….10240个。一线状光斑斑照射在CCD光敏元上，对应照射到的光敏元有数字化的光强值输出。由于每个光敏元的中心间隔为10pm，具有精度高的优点，在测量光斑中心位移时，即使位置有微小的变化，输出波形都会有很明显的变化。

4.2远距激光投线仪(激光标线器)

拱顶下沉自动化监测系统以稳定围岩处的激光水平线为基准，而施工中的隧道内稳定围岩通常是完成二衬后的拱顶，而此处离掌子面一般有几十米到一百多米。在该系统中通过对半导体激光器光束的准直来达到上述要求。激光进行预准直必须经过2个过程：一是整形，二是压缩准直。常采用扩束望远镜来扩展激光光束，达到系统的准直性要求。而目标距离处线状光斑大小的调节是通过微调准直扩束镜主次镜间的距离来实现的。

4.3数据处理分析

通过隧道自动化监控量测系统实现对隧道下沉变形的实时、连续、自动、智能化、高精度监测，实现对隧道变形量测的远程监控。通过对数据进行自动化分析，得到测线的位移速度-时间关系曲线图、测线的位移趋势图以及回归分析图。

4.4自动化预警

预警标准。根据时态回归结果，结合《公路隧道施工技术细则》等有关规范规定的监控量测管理等级，综合考虑，进行位移、速率综合分析判断。进行隧道稳定性综合判别指导施工。

预警。接收监控及图形处理软件模块所传递的判断结果信息，分为声光提示报警和短信传送预警信息。声光提示或报警。一是当围岩趋于稳定状态时，绿灯亮，不发出报警声；二是当围岩进入危险状态时，红灯亮，并发出高分贝报警声。通过手机短信分级传送告警信息，软件设置了通过手机短信分级传送告警信息的功能，分别发送给现场安全技术主管，项目经理，企业总部等项目管理责任对象等等。

5 自动化监测技术在公路隧道施工中的优势

实现了现场量测数据的网络化、智能化和远程传输。根据设计要求和规范标准，当位移信息达到警戒值时，自动发远出声光警报和手机短信提醒。克服了对危险浑然不觉的现状，极大提升了隧道及地下工程施工安全。在企业总部也可以实心时查询量测信息。

测量结果实时显示和及时处理。数据处理结果EXCEL表格保存、图形直观显示：软件处理显示围岩变形回的归曲线。

实现了现场量测数据的远程传输。利用光纤可以在相距约几十公里的隧道现场和监测站之间进行数据通信，并状光能在终端计算机上进行远距离控制、循环监测、数据记录查询等，极大地提高了监测的实时性。

远程专家诊断。输出的位置变化电信号经处理后为，后续的显示、自动报警、远程传输联网、远程监视、远程专家诊断提供了数据基础。

智能判断围岩稳定性。根据设计要求和规范标准，图形处理软件模块所传递的判断结果信息，分类作出声光提示或报警。

实时发出预警信号，结合无线通信网络及计算机互联网实现手机短信报警及远程控制，达到智能化管理；当位移信息达到警戒值时，自动发出声光警报和手机短信提醒。

结束语：

公路隧道施工监控量测作为施工的关键要素,是保证隧道现场施工安全和信息化设计的基础。应当及时总结分析公路隧道施工监控量测发展现状以及存在的问题，分析得出公路隧道施工自动监测系统的基本构成以及制约自动监测技术发展的因素,为公路隧道自动监测技术的发展提出更具有建设性的建议。

参考文献：

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[2] 徐燕, 唐卓怡, 汪春桃,等. 隧道施工自动化监测技术应用研究[J]. 公路, 2016, 061(011):277-282.

[3] 李海泉. 自动化监测技术在运营地铁隧道中的应用探讨[J]. 建筑工程技术与设计, 2016(20).