隧道運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)安全的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

鄒朝

【摘 要】隨著自動(dòng)化控制技術(shù)、振弦傳感器技術(shù)、激光測(cè)距技術(shù)、水流量實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)以及無線傳輸技術(shù)的普及，現(xiàn)在，很多工程施工期間和使用期間的結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以通過遠(yuǎn)程自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。目前，隧道建成后，都沒有進(jìn)行運(yùn)營期間的結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，都是定期采用人工測(cè)量的方法檢測(cè)隧道是否安全。本文提出一種采用自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的辦法，獲取完整的隧道結(jié)構(gòu)變化數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】隧道安全 激光測(cè)距 振弦系統(tǒng) 裂縫傳感器 無線傳輸 攝像頭 水流量計(jì)

1結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)傳感器的工作原理

隧道結(jié)構(gòu)安全的測(cè)量需要用到激光傳感器，應(yīng)變傳感器，裂縫傳感器，攝像頭和水流量計(jì)。

1.1激光測(cè)距傳感器

激光測(cè)距儀是利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的儀器。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。激光測(cè)距儀重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測(cè)距儀的五分之一到數(shù)百分之一。在隧道壁一側(cè)，安裝4個(gè)激光測(cè)距儀，分別測(cè)量拱頂、拱腰、路面中心、供水管處到激光測(cè)距儀安裝位置的距離，這些距離代表拱頂沉降、拱腰收斂、路面中心沉降、供水管處路面沉降的變化幅度（見圖1）。

1.2 應(yīng)變傳感器

一般隧道周圍地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖變化頻繁、地下水豐富，隧道二襯水泥墻在外界壓力作用下會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，水泥墻壁會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫變大后甚至?xí)健?yīng)變計(jì)可以監(jiān)測(cè)到細(xì)微的應(yīng)變變化，根據(jù)采集到的長期應(yīng)變數(shù)據(jù)，可以提前做出應(yīng)力分析，提出預(yù)警。應(yīng)變計(jì)均勻貼在隧道環(huán)形拱壁上（圖2中A，B，C，D，E位置，共5個(gè)應(yīng)變計(jì)），對(duì)整個(gè)拱壁所受應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。應(yīng)變計(jì)一般采用振弦式結(jié)構(gòu)，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變計(jì)同步感受變形，變形通過前、后端座傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測(cè)量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測(cè)出被測(cè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的應(yīng)變量。應(yīng)變計(jì)數(shù)據(jù)通過無線傳輸至監(jiān)控室。

1.3 裂縫傳感器

隧道二襯裂縫的類型大致分為干縮裂縫、溫度裂縫、荷載變形裂縫和施工縫。本文以隧道襯砌作為受力實(shí)體，著重從其所受的水平應(yīng)力（主要是由于干縮和熱脹冷縮引起的溫度應(yīng)力）、襯砌的不均勻沉降、拱部不均勻受力（馬鞍形受力）等3 個(gè)方面進(jìn)行分析和監(jiān)測(cè)。 振弦式測(cè)縫計(jì)用于水利水電、工業(yè)與民用建筑等結(jié)構(gòu)上混凝土、巖石等結(jié)構(gòu)的邊界縫開合度的長期監(jiān)測(cè)，也可埋設(shè)在混凝土內(nèi)長期監(jiān)測(cè)建筑物的裂縫變化。裂縫計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)讲杉K，處理好后傳輸至監(jiān)控室。

1.4 水流量計(jì)

在地下水豐富的隧道，隧道受壓很大，危害也較大。隧道內(nèi)路面兩邊的排水溝，能及時(shí)排出涌入隧道內(nèi)的地下水，對(duì)隧道內(nèi)排出水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以了解隧道的滲水情況。并及時(shí)采取措施。隧道一般都是隧道內(nèi)路面要高，兩端隧道口路面要低，隧道內(nèi)的滲水能全部排出到洞口。明渠水流量計(jì)安裝在隧道兩端的排水渠出口處，就可以監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)總的出水量。明渠水流量計(jì)的工作原理是：

（1）直角三角堰和矩形堰水流量計(jì)，安裝簡(jiǎn)單，適用于排水渠已經(jīng)修好，不便于再次施工的地方。直接用環(huán)氧樹脂成型做成三角形出水口或矩形出水口擋板，安裝在水渠出口處，并形成一定坡度，讓水自由流動(dòng)。（2）巴歇爾槽水流量計(jì)，適用于排水渠可以再次施工安裝儀器設(shè)備的地方，巴歇爾槽屬于專業(yè)定制槽，采用環(huán)氧樹脂成型，防水極好，槽型經(jīng)過計(jì)算設(shè)計(jì)，測(cè)量精度較高。安裝好擋板或槽后，在擋板后面或槽的上方，安裝超聲波液位計(jì)，測(cè)出水位后，根據(jù)相應(yīng)的水位和水流量對(duì)應(yīng)曲線，算出實(shí)時(shí)水流量。最后通過無線傳輸至監(jiān)控室。

2隧道內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的布設(shè)

隧道內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面采集到的數(shù)據(jù)，首先傳輸?shù)矫總€(gè)斷面處安裝的綜合數(shù)據(jù)采集箱。在采集箱的頂部裝有無線路由器，路由器通過有線方式連接傳感器數(shù)據(jù)模塊，通過無線方式連接到附近的無線終端。相鄰監(jiān)測(cè)斷面的無線路由，連接到同一個(gè)無線終端，斷面范圍一般不超過1.5公里，多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面形成多個(gè)無線終端，這些無線終端再通過大功率網(wǎng)橋互聯(lián)，直到連接到洞口的無線終端，洞口的無線終端直接和洞口附近隧道管理處辦公大樓頂部的無線終端連接。辦公大樓頂部的無線終端通過有線方式連接到隧道監(jiān)控室的電腦主機(jī)，電腦主機(jī)安裝有自動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件，定時(shí)自動(dòng)發(fā)送命令采集各個(gè)斷面數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

綜上分析，多種數(shù)據(jù)傳感器在隧道運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用，使得隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有了很大進(jìn)步，縮短了測(cè)量時(shí)間，節(jié)約了人力、物力、財(cái)力。激光測(cè)距的1毫米精度，已能滿足工程測(cè)量上的需要。在現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)安全測(cè)量中，基本上都采用人工法測(cè)量，此方法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，要封閉隧道，影響交通，且人為誤差較大。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用已初現(xiàn)端倪，隨著激光測(cè)距精度的提高和傳感器技術(shù)的發(fā)展，隧道結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程自主監(jiān)測(cè)必將全面應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 焦明星 等編著.激光傳感與測(cè)量.科學(xué)出版社.

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