隧道收斂自動監測系統在公鐵交叉施工中的應用分析

劉永波，王戟鋒

(中鐵上海工程局集團第四工程有限公司，天津 300450)

1 引 言

當前國內交通基礎設施(如公路、鐵路、地鐵等)的建設正處于密集的施工期，這些交通基礎設施的建設具有共同的特點，也就是離不開隧道的建設。然而在隧道施工和運營管理過程中，由于不良地質條件等原因會導致隧道受壓變形，為了保證施工及運營安全并給相關部門提供決策信息，應當及時、準確地對其進行收斂監測。鄭萬鐵路在選線時因考慮地質環境及經濟指標等因素，導致鐵路與已經開通運營的公路之間存在立體交叉問題，如何保證施工期間公路隧道的安全、如何實時掌握施工對高速公路的影響程度，成為上跨、下穿施工所面臨的挑戰以及必須解決的難題。目前，傳統的隧道收斂監測方法主要分為兩類：接觸式和非接觸式。其中接觸式方法的基本思想是在隧道周圍布設多個傾斜角傳感器，通過傳感器獲得角度數據，利用角度計算隧道在橫向和縱向變化的數據并分析變形情況[1]。該類方法直接作用于隧道，簡單直觀地獲取隧道的空間位置和變形數據，但由于需要大量的人力參與，所以周期長，成本高。而全站儀測量隧道變形是實際工程中較為常用的非接觸式方法，主要是利用全站儀對選定的斷面按一定的步長進行自動化動態監測，屬于傳統的單點采集方式，所選監測點具有主觀性，會導致監測精度和監測周期達不到要求[2，3]。總之，利用全站儀、水準儀、GPS等方法需在觀測對象本身上設置多個固定觀測點并對固定監測點進行周期性的觀測來監測對象的變化，因受觀測條件的限制而在實時、快速應用方面受到約束。近年來，地面激光掃描技術(TLS)能夠快速、高效地采集海量點云數據[4～10]，其具有省時、省力、大范圍、數據量大等優點，因而得到了有效的應用，然而其設備成本高昂，同時也無法滿足實時性要求。鑒于上述情況，本文提出一種新型隧道收斂自動監測系統，并將其應用于上跨、下穿施工中，由于其具有實時、廉價低成本等特點，具有一定的推廣前景。

2 監測系統工作原理

2.1 數據采集

本文所述監測系統是為了解決實際工程項目遇到的管理問題而獨立提出的，其總體結構包括數據采集部分、數據傳輸部分、數據處理部分和數據分析等四大部分，如圖1所示。其中，數據采集部分采用相位式激光測距技術，即利用無線電波段的頻率對激光束進行幅度調制，并將調制光往、返測距儀與目標物之間距離所產生的相位差測定出來，換算為調制光傳播時間，再根據調制光的波長，依次計算出待測距離，從而完成數據采集，其原理如下：

(1)

其中，D為待測距離，C為光速，fv為調制光頻率，N為調制光的整數周數，△φ為調制光不足一周的小數周數。

圖1 監測系統總體結構

2.2 數據傳輸、處理與分析

(1)數據傳輸部分采用4G傳輸模塊將采集終端的測量成果上傳至云平臺。

(2)數據處理部分采用云計算技術，由部署在云平臺上的數據處理軟件進行在線計算，從而完成實時數據處理工作。計算內容包括隧道的寬度w和高度h，可按如下公式進行計算：

(2)

其中，α為等腰三角形的底角，L1和L2分別為兩臺測距儀實時測定的等腰三角形腰長，L為其平均值。進一步地，為了衡量計算結果的誤差大小，可以根據誤差傳播定律計算出隧道寬度和高度的精度，如式(3)所示。

(3)

(4)

(3)數據分析部分主要顯示各個監測點的收斂情況，需要提前設定報警值，然后系統自動判斷是否需要發送短信提醒。

3 應用案例分析

3.1 點位布設

通常情況下，隧道收斂觀測的點位布置形式圖有兩種：①半斷面布置形式圖，在隧道的左腰、右腰和拱頂各設置1個測點，則有3條測線；②全斷面布置形式圖：在隧道的左腰和右腰各設置2個測點，而在拱頂設置1個測點，則有6條測線或者在隧道的左腰和右腰各設置一個測點，而在拱頂設置3個測點，則有7條測線，前者主要觀測左腰和右腰的變化，而后者主要觀測拱頂的變化。根據項目實際需要，監測系統采用優化后的點位布設方案，即：在隧道的左腰和右腰各設置1個監測元件，而在拱頂設置1個測距點，有2條測線，如圖2所示。假設由2個監測元件和1個測距點組成的三角形為等腰三角形，且收斂前后的三角形角度保持不變，事先測定等腰三角形的底角α，而等腰三角形的腰長L1和L2使用兩臺測距儀實時測定，取其平均值為L。應當注意的是：隧道收斂觀測點應布設在同一斷面，埋設穩固，并有明顯標志；根據圍巖級別，調整監測斷面的布置頻率；根據現場情況，在變形較大的區域，如交叉口、緊急停車加寬帶，還應加密測點和觀測頻率。

圖2 現場點位布置圖

3.2 自動化監測

為確保施工期間對高速公路的襯砌實體狀況的掌握，指導施工方安全順利施工以及提醒高速公路運營部門做出適當的運營決策，工區將隧道收斂測監的觀測頻率改為每1個小時采集數據1次，以便實時掌對變形。為了直觀地展示實時變形情況，項目開發出一款數據分析軟件，具有以下功能：數據錄入、無效數據、示意圖、導出日報、導出數據、設備信息等。通測點名和數據日期可以查詢每個測點的以下信息：測點名、記錄時間、記錄值、本次變化量、累計變化量、變化速率、變化速率警情、累計變化警情、處理情況、操作等，詳細的數據記錄如表1所示。通過進一步地數據分析，施工方和高速公路運營部門能夠高效、實時獲取監測結果，如圖3所示。與目前幾種常用的隧道變形監測方法相比(如表2所示)，本文提出的監測系統具有高精度，實時、廉價低成本等特點，可為施工和運營提供安全保障。

JCD01測點監測數據記錄 表1

圖3 JCD01測點單次變化、累計變化以及變化速率

不同隧道變形監測方法對比 表2

4 結 論

長期實驗表明，該隧道收斂監測設備可在 0.05 m～80 m范圍內測距，精度可達到 ±1 mm，滿足上跨、下穿施工時的精度要求，可以在上跨、下穿施工時使用。將其應用于上跨、下穿施工隧道收斂監測中，可以實現全天候對既有建筑進行監測，施工方可以全天候掌握乙方施工的各個階段對既有建筑物的影響，方便及時調整施工狀態，采取措施，同時也避免了乙方人員頻繁上下高速，進行人工監測作業，杜絕了人和車輛的不安全行為所導致的安全隱患事故。另外，該隧道收斂監測設備具有實時、廉價低成本等特點，可以在較多工程項目中投入使用，具有一定的推廣情景。