隧道收敛自动监测系统在公铁交叉施工中的应用分析

刘永波，王戟锋

(中铁上海工程局集团第四工程有限公司，天津 300450)

1 引 言

当前国内交通基础设施(如公路、铁路、地铁等)的建设正处于密集的施工期，这些交通基础设施的建设具有共同的特点，也就是离不开隧道的建设。然而在隧道施工和运营管理过程中，由于不良地质条件等原因会导致隧道受压变形，为了保证施工及运营安全并给相关部门提供决策信息，应当及时、准确地对其进行收敛监测。郑万铁路在选线时因考虑地质环境及经济指标等因素，导致铁路与已经开通运营的公路之间存在立体交叉问题，如何保证施工期间公路隧道的安全、如何实时掌握施工对高速公路的影响程度，成为上跨、下穿施工所面临的挑战以及必须解决的难题。目前，传统的隧道收敛监测方法主要分为两类：接触式和非接触式。其中接触式方法的基本思想是在隧道周围布设多个倾斜角传感器，通过传感器获得角度数据，利用角度计算隧道在横向和纵向变化的数据并分析变形情况[1]。该类方法直接作用于隧道，简单直观地获取隧道的空间位置和变形数据，但由于需要大量的人力参与，所以周期长，成本高。而全站仪测量隧道变形是实际工程中较为常用的非接触式方法，主要是利用全站仪对选定的断面按一定的步长进行自动化动态监测，属于传统的单点采集方式，所选监测点具有主观性，会导致监测精度和监测周期达不到要求[2，3]。总之，利用全站仪、水准仪、GPS等方法需在观测对象本身上设置多个固定观测点并对固定监测点进行周期性的观测来监测对象的变化，因受观测条件的限制而在实时、快速应用方面受到约束。近年来，地面激光扫描技术(TLS)能够快速、高效地采集海量点云数据[4～10]，其具有省时、省力、大范围、数据量大等优点，因而得到了有效的应用，然而其设备成本高昂，同时也无法满足实时性要求。鉴于上述情况，本文提出一种新型隧道收敛自动监测系统，并将其应用于上跨、下穿施工中，由于其具有实时、廉价低成本等特点，具有一定的推广前景。

2 监测系统工作原理

2.1 数据采集

本文所述监测系统是为了解决实际工程项目遇到的管理问题而独立提出的，其总体结构包括数据采集部分、数据传输部分、数据处理部分和数据分析等四大部分，如图1所示。其中，数据采集部分采用相位式激光测距技术，即利用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制，并将调制光往、返测距仪与目标物之间距离所产生的相位差测定出来，换算为调制光传播时间，再根据调制光的波长，依次计算出待测距离，从而完成数据采集，其原理如下：

(1)

其中，D为待测距离，C为光速，fv为调制光频率，N为调制光的整数周数，△φ为调制光不足一周的小数周数。

图1 监测系统总体结构

2.2 数据传输、处理与分析

(1)数据传输部分采用4G传输模块将采集终端的测量成果上传至云平台。

(2)数据处理部分采用云计算技术，由部署在云平台上的数据处理软件进行在线计算，从而完成实时数据处理工作。计算内容包括隧道的宽度w和高度h，可按如下公式进行计算：

(2)

其中，α为等腰三角形的底角，L1和L2分别为两台测距仪实时测定的等腰三角形腰长，L为其平均值。进一步地，为了衡量计算结果的误差大小，可以根据误差传播定律计算出隧道宽度和高度的精度，如式(3)所示。

(3)

(4)

(3)数据分析部分主要显示各个监测点的收敛情况，需要提前设定报警值，然后系统自动判断是否需要发送短信提醒。

3 应用案例分析

3.1 点位布设

通常情况下，隧道收敛观测的点位布置形式图有两种：①半断面布置形式图，在隧道的左腰、右腰和拱顶各设置1个测点，则有3条测线；②全断面布置形式图：在隧道的左腰和右腰各设置2个测点，而在拱顶设置1个测点，则有6条测线或者在隧道的左腰和右腰各设置一个测点，而在拱顶设置3个测点，则有7条测线，前者主要观测左腰和右腰的变化，而后者主要观测拱顶的变化。根据项目实际需要，监测系统采用优化后的点位布设方案，即：在隧道的左腰和右腰各设置1个监测元件，而在拱顶设置1个测距点，有2条测线，如图2所示。假设由2个监测元件和1个测距点组成的三角形为等腰三角形，且收敛前后的三角形角度保持不变，事先测定等腰三角形的底角α，而等腰三角形的腰长L1和L2使用两台测距仪实时测定，取其平均值为L。应当注意的是：隧道收敛观测点应布设在同一断面，埋设稳固，并有明显标志；根据围岩级别，调整监测断面的布置频率；根据现场情况，在变形较大的区域，如交叉口、紧急停车加宽带，还应加密测点和观测频率。

图2 现场点位布置图

3.2 自动化监测

为确保施工期间对高速公路的衬砌实体状况的掌握，指导施工方安全顺利施工以及提醒高速公路运营部门做出适当的运营决策，工区将隧道收敛测监的观测频率改为每1个小时采集数据1次，以便实时掌对变形。为了直观地展示实时变形情况，项目开发出一款数据分析软件，具有以下功能：数据录入、无效数据、示意图、导出日报、导出数据、设备信息等。通测点名和数据日期可以查询每个测点的以下信息：测点名、记录时间、记录值、本次变化量、累计变化量、变化速率、变化速率警情、累计变化警情、处理情况、操作等，详细的数据记录如表1所示。通过进一步地数据分析，施工方和高速公路运营部门能够高效、实时获取监测结果，如图3所示。与目前几种常用的隧道变形监测方法相比(如表2所示)，本文提出的监测系统具有高精度，实时、廉价低成本等特点，可为施工和运营提供安全保障。

JCD01测点监测数据记录 表1

图3 JCD01测点单次变化、累计变化以及变化速率

不同隧道变形监测方法对比 表2

4 结 论

长期实验表明，该隧道收敛监测设备可在 0.05 m～80 m范围内测距，精度可达到 ±1 mm，满足上跨、下穿施工时的精度要求，可以在上跨、下穿施工时使用。将其应用于上跨、下穿施工隧道收敛监测中，可以实现全天候对既有建筑进行监测，施工方可以全天候掌握乙方施工的各个阶段对既有建筑物的影响，方便及时调整施工状态，采取措施，同时也避免了乙方人员频繁上下高速，进行人工监测作业，杜绝了人和车辆的不安全行为所导致的安全隐患事故。另外，该隧道收敛监测设备具有实时、廉价低成本等特点，可以在较多工程项目中投入使用，具有一定的推广情景。