市政隧道工程自动化实时监测技术应用

市政隧道工程自动化实时监测技术应用

杨波

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摘要：随着整个领域的理论体系不断完善，我国隧道也已经开始从大规模建设向高质量建设进行转变。面对科技发展的突飞猛进，隧道行业需要抓住科技革命和产业变革的机遇，顺势发展．然而，越来越多的极端环境或极端工况下的挑战性工程层出不穷，例如特长隧道、超深埋隧道、大断面隧道、高海拔隧道等。针对隧道工程在建设过程中面临新的难题和挑战，如何有效利用科技创新网络来创造新的发展机遇，提出新的概念、理论、方法，开辟新的数字化智能建造领域和方向，成为全世界隧道强国共同关注的问题。

关键词：市政；隧道；自动化；监测

引言

随着城市建设不断加快，邻近运营市政隧道的施工越来越多，不可避免对运营市政隧道造成一定影响；市政隧道的结构比较复杂，周边施工极易对其产生影响，如果不能全天候进行监控量测很难及时预警，而隧道一旦发生大的坍塌事故将会造成巨大灾难和社会影响，传统的人工测量已不适用运营市政隧道的监测，自动化实时监测技术逐步被使用。

1自动化实时监测技术概述

随着我国城市地下空间建设量显著增长，尤其是城市地铁隧道建设的迅速发展，新的难题和挑战也在不断出现．面对城市空间密集、施工范围狭小、临近结构敏感、生态环保要求高等挑战，建立以地铁交通为发展导向的城市智慧化地下空间需要对建造施工进行更精准和高效的控制，实施精细化的质量和安全管理，提高运维效率，降低建造与管理成本，节约资源和能源．面临上述难题，需要在基础技术研发的同时与时代接轨，利用新科技与智能化手段来解决新的挑战，即所谓的智能建造．其含义是将新一代信息通信技术与先进设计施工技术深度融合，并贯穿于勘察、设计、施工、验收、运维等工程活动各个环节，产生出具有自感知、自学习、自适应、自决策等功能的智能化建造和运维方式．

2安全监测重点项目

压力输水隧洞工程在输水工程中占据重要地位，但此类工程复杂性较高，为保证隧洞工程安全稳定运行，需要在试充水后加强安全监测。在实际的安全监测工作开展中，需结合隧洞工程实际情况合理布设监测断面，并同步安装安全监测仪器，择优选择光缆敷设方式，保证对安全监测信息实现全面、及时、准确地采集与传递，为后续信息分析奠定技术基础。市政输水工程中涉及的输水隧洞属于有压洞，隧洞全长28.866km，在安全监测中，重点监测项目包括围岩变形监测、钢绞线应力监测、外水压力监测、围岩压力监测、衬砌应力监测、衬砌伸缩缝变形情况监测。市政工程中因应变计周边没有预先埋设无应力计，所以，市政检测仪器所测数值为混凝土总应变。结合监测项目设计，隧洞工程预先埋设、安装多种类型的检测仪器。其中，差阻式测缝计主要对衬砌伸缩缝进行监测，差阻式应变计主要对衬砌混凝土应变进行监测，差阻式钢筋计主要对衬砌钢筋应力进行监测，锚索测力计主要对钢绞线应力进行监测，多点变位计主要对围岩变形情况进行监测，振弦式渗压计主要对外水压力进行监测，土压力计主要对围岩压力进行监测。

3自动化监测的实施

3.1监测点布设

隧道结构竖向和水平位移及洞内收敛变形监测需沿左右拱腰位置布置棱镜,主要影响范围5m左右一个监测断面，次要影响范围10m左右一个监测断面，共设置44个监测断面，每个监测断面布置5个监测点。自动化监测点采用以棱镜为主的元器件。布点时首先在隧道内壁上钻孔，孔深约8cm，孔径约1.6cm，每个观测点棱镜用两个化学锚栓及植筋胶锚固于隧道内壁上并用两个螺帽进行加固；由于高铁运营速度较快，在活塞效应作用下，为保证监测点的稳定性，避免监测点脱落带来灾难性事故，观测点棱镜通过化学锚栓与L形支架连接。

3.2三维变形监测

变形监测是隧道施工中的重点工作内容。传统方法是指在围岩或初支处预埋测点，其局限之处在于测点数量有限、测量数据缺乏全面性、难以准确反映隧道的变形情况。而三维激光扫描技术突破了市政局限性，可以在提取隧道点云并套接后，可直观地对相邻2次点云数据展开对比分析，且结果具有真实性。以20m隧道点云为例，取隧道首尾控制点ZN01、ZN02，将其作为2期点云数据的共同控制点，即2期点云数据共处相同的坐标体系中。根据隧道的稳定性要求，将5mm/d作为变形的上限值，超过市政阈值后将触发预警，以红色显示；若被控制在市政上限值内，则以绿色显示。通过市政两类颜色，可以区分变形量，由此最终得知：在市政监测时段内，仅有0.0426%的点的变形量超过上限值，所处位置以拱顶部位为主，但总体来看隧道具有较良好的稳定性。

3.3进出口段监测值分析

在市政隧洞工程中，进出口段包含4个断面，分别有A出口、B出口、C出口和D出口。这4个出口断面和输水支洞表现出不同的伸缩缝变形情况，因出口部位受外界环境因素影响大，所以温差也比较大，最低为2℃，最高为20℃，同时，开合度也具有明显年周期性，其年变化幅度保持在0~4mm，通常测值都在1mm以上，这一表现显著超过输水支洞段。1）衬砌钢筋应力监测值分析：钢筋应力在张拉操作之前，会在温度持续下降过程中呈现缓慢受拉状态，其拉应力最大值约为57MPa。而钢筋应力在张拉后显著受压，和之前相比测值下降保持在13~130MPa，且拉应力最大值约为21.2MPa。2）衬砌外侧渗透压力监测值分析：B出口、D出口在监测中渗透压力均非常小，基本保持着无水状态。

3.4隧道单点面域分析

传统隧道拱顶监测方法经常会使用少量固定的单点。在转站点误差等多方面影响下，单点沉降速率的测定结果缺乏准确性，且易有较明显的拱顶上抬趋势，明显偏离了实际情况。针对此，通过三维激光扫描技术的应用，可以取得三维点云数据，同时此条件下的点间距可以减小至1mm左右；另外，需引入正态分布的方法，并对面域点云数据设置合适的置信区间，其中的平均值需能够有效反映拱顶沉降情况，且面域数据的体量丰富，更具有代表性。也就是说，通过面域点云精度测试的方式，可以确保每日所取面域均具有一致性；而通过设置固定标靶，可以取标靶范围内数据平均值，并将其作为当日拱顶沉降值使用，技术人员可在此基础上针对性分析。

4注意事项

现场施工前完成点位布设及初始值采集。监测点位置需根据设计图纸及要求进行埋设，远离火车及其他设备并做好点位的锚固、防护及标识工作，防止监测点位脱落、侵限。自动化监测系统所使用的仪器设备及连接设施必须保证在有效期内，所有仪器在使用前必须进行全面检查，确保能在监测过程中正常使用，当出现粗差或被遮挡时，通过自动化远程控制终端预先设置的重复测量，进行二次测量或多次测量。在监测过程中准备可以随时更换的仪器设备，如现场仪器不能正常监测时，能够进行设备更换，确保自动化监测顺利进行。

结束语

在市政工程中隧道占据中重要的地位，国家及行业内应继续加大对隧道自动化监测系统进行探究，加强对自动化监测系统、远程传输系统、监测仪器及配套设施灵敏度反应以及实施场地的灵活性等方面的研发工作，使自动化监测系统更全面、准确，适应性更强，为市政隧道自动化实时监测工作的开展提供科学依据和相关标准作业。

参考文献

[1]蒋亮,熊成宇.隧道施工不同台阶长度开挖数值模拟对比分析[J].公路工程,2019,44(06):161-165.

[2]张少波.既有隧道改扩建工程的动态监测技术[J].福建交通科技,2019(06):113-115.

[3]刘贝.基于BIM技术的隧道参数化建模及模型应用研究[D].青岛理工大学,2019.

[4]陈芳亮.富水凝灰软岩隧道施工阶段变形监测与数值模拟[D].南昌工程学院,2019.

[5]杨爱琴.隧道竖向位移监测精度浅析[J].四川水泥,2019(11):311.