隧道自動化變形監測技術的應用研究

深圳市交通工程試驗檢測中心有限公司，廣東 深圳 518000

1 隧道變形的主要影響因素

隧道工程的開挖破壞了巖體內部已達到的相對平衡狀態，使應力場發生重分布，巖體重新達到力學平衡狀態勢必會產生一定量的形變，而隧道屬于被動受力結構，其受破壞的很大原因是結構體周邊巖體或土質發生較大的相對位移。現在將主要影響因素歸類如下。

1.1 下臥土層分布不均勻

類似于地基基礎，下臥土層隨自然狀態變化而造成分布不均勻的問題，最易導致隧道側偏等不均勻沉降。各土層的力學性質和形變參數不同，會導致土層的分層和過渡不均等現象，直接影響是沉降速率與沉降時間的不同，最終導致隧道整體穩定性的破壞。

1.2 地表荷載與沉降的影響

一般情況下，隧道處于地層的中間或下部位置，上部地表荷載和沉降的變化直接影響了隧道的受力變化。隧道上部地層中建筑的新改擴拆等建筑行為會造成附加應力的變化，又由于附加應力的擴散效果，隧道中上部結構必然也會產生應力應變的重分布等情況。另外，土體整體的沉降，隧道整體標高的不均勻變化也將導致隧道整體縱向形變不均勻，裂縫極易產生并發展。

1.3 隧道內部行車的影響

隧道所受土層的影響主要為靜力荷載，而隧道內部行車影響是主要的動荷載來源。行車量或單車重量的不同雖然對隧道整體影響較小，但加上時間的累加效果，在長期周期循環作用下，構件的疲勞破壞影響效果也將逐步增大。綜上所述，隧道變形監測的重要性不言而喻。

2 自動化監測系統的特點

隧道監測方法以簡易人工觀測法為主，也有近些年興起的近景攝影測量法等其他技術。但以上方法均存在不同程度的缺點，會降低監測數據的真實可靠性。簡易人工觀測法雖能直接獲取一手數據，但因人工投入量大及工作效率的問題，滯后性太強；而近景攝影測量法利用高清攝像機在相同的基準點對同一個監測點拍照，來對比前后兩個時間點的監測點的形變，獲得相應位移參數，但受制于相機的清晰度和拍攝的周邊環境因素，導致精度無法得到保證。通過總結傳統監測技術的優缺點，取長補短，自動化監測技術得到了大力推廣及應用。相較于傳統的隧道監測技術，自動化監測系統最大限度地減少了人工干預，消除了隨機誤差并降低了勞動力成本。

2.1 自動化程度較高

自動化監測體系僅在設備安裝前期需要人工干預，后期數據的采集、處理及分析均可實現系統自動處理。在制訂好監測計劃并將相應程序編入監測系統后，監測儀器便可按照既定的安排嚴格執行監測任務，同時可根據周邊監測環境的變化及相應測區安全性的高低自動調整監測頻率，并將采集到的數據自動傳輸到后臺系統進行整合分析及處理，最大限度地保證了原始數據的真實可靠[1]。

2.2 穩定的數據傳輸及存儲

考慮到隧道的特殊性，傳統人工監測無法做到監測的實時性，同時由于隧道內部的信號屏蔽效果嚴重，即使發現異常也無法保證將信息立即傳達到外界。自動化監測系統能實現數據的實時采集，并通過遠程傳輸技術把信息傳后臺控制中心進行存儲和處理分析。監測人員僅需在控制中心就可以對數據進行實時查詢和調用，實時掌握一手資料，面對突發險情時有足夠的應對時間。

2.3 異常數據的辨別與剔除

考慮到現場可控或不可控的因素，部分監測點可能會被遮擋、發生錯位或損壞，勢必造成監測數據的缺失或錯誤。自動化監測體系能夠自動對異常數據進行篩分和分析，對異常點進行重復觀測，并將錯誤類數據剔除。非錯誤類的異常點會被及時發送到監測平臺，供監測人員進一步分析處理，在保證監測精度的同時，反映現場的真實情況。

3 自動化監測系統的構成及特點

3.1 數據采集

隧道內自動化監測的數據采集主要分為兩大類：沉降類和位移類。其中，沉降類涉及的儀器主要有靜力水準儀、傾斜測量儀和光纖測量儀等；位移類涉及的儀器主要有裂縫計、變位計等[2]。靜力水準儀利用連通器原理，保證每個測點液面處在同一標高。當發生沉降時，通過安裝在監測點的電容傳感器內的電容變化換算出液面的相對高程變化，再與基點比較得出各監測點的沉降量。隧道裂縫的大小與多少對隧道整體的穩定性有直接的影響，裂縫計可以用來對隧道側壁裂縫的發展情況進行監測。對振弦式裂縫計而言，其主要組成結構包括振弦式感應元件、彈簧及傳遞桿等。將裂縫計的兩個螺栓分別固定于裂縫兩側，讓裂縫計與裂縫保持同步發展。當裂縫發展時，傳遞桿隨之拉緊，根據不同程度下傳遞桿頻率的變化，找出對應的形變量，換算出裂縫的發展程度。裂縫計工作原理如圖1所示。

圖1 裂縫計工作原理圖

隧道橫斷面的變化可以判斷隧道整體受力變形趨勢，在需要監測的斷面用膨脹螺栓或強力膠固定安裝棱鏡，自動全站儀機器人按一定的頻率自動找點測讀，將數據整合得到每個斷面的變形量。通過后臺處理程序，將各個斷面按照順序線性連接，得到整個隧道的期間變形量。后期通過可視化表格的處理，直觀得到隧道變形趨勢圖。

3.2 數據通信與處理

監測數據的自動傳輸與處理是自動化監測系統最大的優勢，儀器在收集完監測數據后，通過特定的傳輸方式，將數據傳輸回后臺系統。系統先對多源監測數據進行分類處理，然后依據規范要求對各類監測數據進行置信度檢驗，將測量誤差大的異常監測數據剔除，保留參與計算處理的具有可靠性的監測數據。其中，數據遠程傳輸方式一般有以下兩種情形。

（1）無線傳輸：將監測區域各監測的數據傳遞給串口服務器，然后通過無線網橋的方式傳遞給控制中心，控制中心處有一無線網橋接收點，組成星型無線網橋連接方式，將數據傳給服務器。無線網橋建設的優點是建設費用為一次性投入，數據傳輸穩定，抗干擾能力強。（2）有線傳輸：監測儀器先通過光纜傳輸到監測場地周邊的接收機，然后通過串口或者轉換為網絡信號，通過網口傳輸到中央數據服務器并進行解算，從而達到實時監測的目的。這種方法線路的鋪設費用及電力持續性要求較高，數據穩定可靠。

3.3 客戶端

中央數據服務器在收集現場儀器傳輸的數據并篩選分析后，需要通過客戶端將信息傳遞給用戶。常見的客戶端模式有客戶機/服務器模式（Client/Server模式，簡稱C/S模式）和瀏覽器/服務器模式（Browser/Server模式，簡稱B/S模式）[3]。

（1）客戶機/服務器模式（C/S模式）是基于內部網絡的應用系統，與B/S模式相比，其最大的優點是不依賴外網的環境，無論能否上網，都不影響應用。這種模式能夠充分發揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理之后再提交給服務器，對應的優點就是客戶端響應速度快。應用程序與服務器的分離，使系統具有穩定性和靈活性，適合局域網，且安全性高。C/S模式的缺點是只適用于局域網。隨著互聯網的飛速發展，移動辦公和分布式辦公越來越普及，遠程訪問需要專門的技術，還要對系統進行專門的設計來處理分布式的數據。同時客戶端需要安裝專門的客戶端軟件，類似在手機上安裝App，涉及的安裝工作量較大。其次，任何一臺電腦出現問題，如出現病毒、硬件損壞，都需要進行安轉和維護，如果軟件需要升級，每臺客戶機都需要重新安裝，維護和升級成本非常高。（2）瀏覽器/服務器模式（B/S模式）對C/S模式進行了擴展，用戶界面是通過瀏覽器實現的，B/S是基于應用層http協議的web，建立在廣域網上。其最大優點是運行維護比較簡單，能實現不同人員在不同地點以不同的接入方式訪問和操作共同的數據，每次維護或者升級只要對服務器進行操作即可，客戶端不需要修改；其次是開放性好（用戶可通過通用瀏覽器訪問），可擴展性好（由于web平臺的無關性，B/S可以任意擴展）；最后是用戶使用方便，用戶接觸的瀏覽器界面相似，共通性較好。由于B/S模式與外界網絡的連通性較好，勢必對安全性的可控度較弱，且服務器的一對多模式造成需要較大的運行內存。當同一時間段內接入的用戶數量過多時，網頁響應速度急劇下降，甚至會出現系統崩潰的情形，故而用戶體驗不是特別好。

4 結束語

隨著信息行業和建筑行業的持續發展，跨專業的技術融合已成為常態，故而對隧道變形監測的方法也在不斷改進完善，傳統的儀器監測已不能滿足對隧道監測實時高效的要求。通過對隧道自動化監測技術的研究與改進，準確及時地獲取變形情況，能夠顯著提升隧道的安全性，最大程度上降低風險，從而保障人身及財產安全。