SAA技術在成蘭鐵路隧道監(jiān)控量測中的應用

王生濤，李傳富，蒲小平，周寶春，唐波濤，鮮 國

(成蘭鐵路有限責任公司，四川成都 610072)

0 引言

隨著鐵路、公路的快速發(fā)展，行車速度的大幅提高，隧道斷面在不斷加大的同時，施工中從有尺量測發(fā)展到無尺量測，達到了全面施行。無尺量測是在開挖斷面內埋設反光片，采用全站儀對反光片進行坐標測量，利用坐標的相對關系進行拱頂下沉和水平收斂的監(jiān)控量測。在以已修建或者正在修建的的隧道工程中，圓梁山隧道［2］、鄭西客專的高橋隧道［3］、瀏陽河隧道［4］、廈門翔安隧道［5］、葡萄山隧道［6］、木寨嶺隧道［7］等都采用無尺量測，工程建設者對其自動化程度、操作方便、干擾少、監(jiān)控量測作業(yè)效率及實用性、以及無尺量測的誤差與可靠性方面有了較深入的總結;由于無尺量測測點布置是間隔性的，在施工隧道內實現(xiàn)高度自動化、實時性等方面還存在一些不足，為了更好地對隧道全斷面進行位移變化的監(jiān)控，引進了一種新的SAA圍巖監(jiān)測技術。

SAA(Shape Accel Array)是一種靈活的、校準三維測量系統(tǒng)，由加拿大Measurand公司研發(fā)制造，具體有自動、高頻、實時測量的功能。在國內，該技術已用于路基工程、大壩工程變形監(jiān)測以及橋梁撓度監(jiān)測中;該技術成功應用于隧道圍巖監(jiān)控量測中，在國內屬首創(chuàng)，并且取得了較好的監(jiān)測效果。

1 SAA組成及工作原理

1.1 SAA 組成

SAA內部由三軸微電子機械系統(tǒng)(MEMS)加速度計組成。采用微機電感應方式和陣列式計算原理，可實時獲取連續(xù)變形曲線。SAA每8節(jié)組成一個基本單元(八位組或分陣列)。每節(jié)有加速度計和微處理器，每個基本單元有一個溫度傳感器和一個動態(tài)模塊，每節(jié)標準長度為500 mm或305 mm。SAA組成如圖1所示。

圖1 SAA組成示意圖Fig.1 Components of SAA

1.2 單個階段工作原理

SAA的每節(jié)包含一套三軸加速度計(3D)，通過監(jiān)測加速度計在重力場的變化，就能計算出單個節(jié)在x，y，z軸的旋轉角度θ，利用旋轉角度和已知節(jié)長度L，每節(jié)SAA的變形 Δx，Δy，Δz便可以精確計算出來，即Δ(x，y，z)=θ(x，y，z)×L，如圖2 所示。

圖2 單節(jié)段示意圖Fig.2 Working principle of SAA single section

1.3 SAA整體工作原理

根據(jù)單個工作原理得到的單節(jié)變化量Δx，Δy，Δz，以電纜引出端為SAA各測點坐標計算的起始點O11，SAA在首次通電工作時端點坐標為O11(x11，y11，z11)，依次連續(xù)對各節(jié)變化量算術求和∑Δ(x，y，z)，就得到各個關節(jié)點相對于端點的坐標值O1i(x1i，y1i，z1i)(i代表整個SAA各測點順序號，1代表首次工作時間狀態(tài))，如圖3所示。

SAA帶電工作后，任意時間任何位置的變化，SAA中各節(jié)點的坐標值也隨即發(fā)生改變。即任意時間任何點發(fā)生變形位移，SAA測定的各關節(jié)點的坐標即發(fā)生變化，此刻各關節(jié)點的坐標值為相對于變化后的SAA端點的坐標值，稱之為相對坐標值Oni(xni，yni，zni)(n代表任意時間工作狀態(tài))。

圖3 多節(jié)段示意圖Fig.3 Working principle of SAA multiple section

為測定各關節(jié)點的變形值，采用陣列式矩陣位移計算原理，利用MEMS系統(tǒng)測定SAA各節(jié)重力傾角變化，將任意時刻的相對坐標Oni(xni，yni，zni)轉為初始坐標系內的坐標，計算變形。即得到SAA任意測點的坐標值Vn－i(Xn－i，Yn－i，Zn－i)，從而在同一笛卡爾坐標系內計算SAA各測點的變形值。

2 成蘭線應用情況

成蘭鐵路位于四川、甘肅兩省境內，全長457.6 km，四川省境內長377.8 km，甘肅省境內長79.8 km。全線隧道32座總長332.438 km，占全線正線長度72.65%，其中極高風險隧道9座、共計153.457 km。線路沿線區(qū)域地形地質條件特別復雜，具有地形切割極為強烈、構造條件極為復雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應極為顯著及高地應力、高地震烈度和高地質災害風險的特點。即:1條鐵路、橫穿2個地震區(qū)(龍門山、西秦嶺地震活動構造區(qū))、通過3個大構造體系(龍門山褶皺斷裂帶、松潘甘孜褶皺構造帶、西秦嶺褶皺構造帶)、跨越4個地形地貌(成都平原區(qū)、岷江白龍江高山峽谷區(qū)、松潘高原丘陵區(qū)、西秦嶺黃土邊緣區(qū))。

鑒于成蘭線工程地質特別復雜、余震頻發(fā)、隧道工程比例大，隧道工程穿越多處高地應力引起的大變形、活動斷裂帶等復雜地段(最大地應力達32 MPa，隧道工程穿越活動斷裂帶50多處、累計長度達33余km)等特點，為強化復雜地段圍巖變形監(jiān)測管理，實時進行圍巖變形監(jiān)測、預警，降低施工安全風險，建設單位經(jīng)調研后引進了SAA這種能實時監(jiān)測預警的先進監(jiān)測技術。針對隧道大變形、斷裂破碎帶地段，在柿子園、躍龍門、楊家坪、茂縣、榴桐寨、平安隧道共配置了7套SAA，用于隧道監(jiān)控量測。現(xiàn)以茂縣隧道1#斜井采用的長度為24 m、每節(jié)標準長度為500 mm的SAA為例，將SAA技術用于成蘭鐵路隧道監(jiān)控量測情況介紹如下。

2.1 測點布設

茂縣隧道斜井采用全斷面開挖，隧道開挖初期支護完成后，布設在隧道初期支護表面。SAA每節(jié)之間關節(jié)位置作為一個測點(即每個測點間相距標準長度500 mm或350 mm)。如圖4所示，以長度為24 m、每節(jié)標準長度為500 mm的SAA共有測點49個為例，其中編號為22—28設置為拱頂下沉測點，即22—28各測點的垂直變形量即為拱頂下沉量;編號為1—21，29—49設置為周邊收斂測點，即1－49、2－48、3－47……21－29相對應的測點變形量為水平收斂值(拱頂下沉、水平收斂對應測點設置可根據(jù)實際需要，自行設置)。

圖4 測點布設示意圖(49個測點)Fig.4 Layout of monitoring points(49 points)

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)表達

2.2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)表達方式

啟動SAA自動測量系統(tǒng)前，根據(jù)需要設置測量間隔時間，測量間隔時間可設置為30 min的整數(shù)倍，成蘭線目前自動測量間隔時間6 h，即:間隔6 h自動測量系統(tǒng)測量一次，降低人工監(jiān)測的頻率。監(jiān)測數(shù)據(jù)以相對坐標數(shù)值方式輸出。

2.2.2 變形量計算

SAA設備以建立的收斂、拱頂對應測點取得的初次測試值為基準值進行相對變形計算。獲取自動監(jiān)測數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)軟件按照預先設置的拱頂下沉測點和周邊收斂測點進行數(shù)據(jù)分析處理，分別計算出相應測點的拱頂下沉和周邊收斂本次變形量、累計變形量及變形速率。

以長度為24 m、每節(jié)標準長度為500 mm的SAA共有測點49個為例。V表示測點，坐標空間關系如圖3所示。即x表示豎直方向、y表示縱向(隧道收斂可不計縱向變形，即設y恒等零)、z表示橫向，實際各測點坐標為二維相對坐標。

1)周邊收斂本次變形量ΔDN計算公式(以圖4所示周邊收斂對應測點V1－1與V1－49為例)。

根據(jù)三維坐標系中兩點間的距離公式即得第1次監(jiān)測后V1－1與V1－49的水平距離

同理得，第2次監(jiān)測后V2－1與V2－49的水平距離為

第N次監(jiān)測后VN－1與VN－49的水平距離

故可得:第N次監(jiān)測后，測點V1－1與V1－49周邊收斂本次變形量ΔDN計算公式為。

同理，得出其他對應收斂測點的本次變形量。若分析計算單側變形量ΔDN左或ΔDN右，則利用同一測點的前后坐標直接計算即可。

2)拱頂下沉本次變形量ΔHN計算公式。

計算拱頂下沉量時，通用計算公式同收斂測點的本次變形量計算公式。但通常情況下，隧道工程拱頂下沉量主要取決于豎向變形量，可不考慮縱向和橫向變形量(即可視縱向y、橫向z恒等于0)，故對照收斂測點的本次變形量公式，可得第N次監(jiān)測后(以圖4所示拱頂下沉測點V25為例)，拱頂下沉本次變形量ΔHN=x(N－1)－25－xN－25。x(N－1)－25－xN－25表示V25測點豎向x坐標值前后變化量。

同理，得出其他拱頂下沉測點的本次變形量。

3)相對應點周邊收斂累計變形量ΔD計算公式。

同理，得出其他相對應測點的周邊收斂累計變形量。

4)拱頂下沉累計變形量ΔH計算公式。

同理，得出其他拱頂下沉測點的累計變形量。

5)拱頂下沉和相對應點周邊收斂的變形速率(mm/d)是通過計算連續(xù)24 h累計變形量，即:第1個變形速率為SAA連續(xù)工作24 h的累計變形量，以后以此類推計算當期變形速率。

2.2.3 數(shù)據(jù)上傳

1)數(shù)據(jù)采集方式。SAA監(jiān)測數(shù)據(jù)有以下3種采集方式:通過SAAUSB直接連接電腦，采集數(shù)據(jù)。運用無線調制解調器的單通道數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)測。運用無線調制解調器的多通道數(shù)據(jù)采集(支持移動信號網(wǎng)絡傳輸)。成蘭線采用的是無限調制解調器的單通道數(shù)據(jù)采集方式，傳輸通道與洞內視頻監(jiān)控傳輸通道共用。

2)數(shù)據(jù)上傳。將SAA傳輸電纜接入視頻監(jiān)控傳輸通道，通過視頻監(jiān)控通道實現(xiàn)與洞口值班室裝有相應控制軟件的電腦連接，實現(xiàn)自動測量、數(shù)據(jù)上傳，即:按照設定的間隔時間自動通過向監(jiān)測設備發(fā)送指令獲取數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)后進行分析計算，計算完畢后寫入數(shù)據(jù)庫，然后通過因特網(wǎng)向相關單位信息化管理平臺自動上傳數(shù)據(jù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)誤差及變形曲線

SAA在成蘭鐵路隧道監(jiān)控量測中通過以建立的對應測點計算的基準值為基礎，通過元器件的微小變化計算凈空變化相對值，SAA監(jiān)測間隔時間短，精度高，數(shù)據(jù)誤差小，數(shù)據(jù)連續(xù)性強，取得了較好效果。圖5和圖6是在茂縣斜井大變形地段XJ1K0+485和XJ1K0+345處獲取的收斂曲線。

圖5 XJ1K0+470周邊收斂曲線Fig.5 Ground convergence at XJ1K0+470

圖6 XJ1K0+345周邊收斂曲線Fig.6 Ground convergence at XJ1K0+345

2.2.5 自動報警與預警

通過應用軟件設置變形速率和累計變形量閥值(閥值按照現(xiàn)行鐵路隧道圍巖監(jiān)控量測技術規(guī)程規(guī)定設置)，系統(tǒng)可自動判斷。當變形速率或累計變形量超過設定閥值時，系統(tǒng)自動向相關管理單位信息化管理平臺上傳預警信息，同步將預警信息發(fā)送至預先設定的管理人員手機。由于SAA是自動量測隧道位移變化，能夠持續(xù)對隧道變形起到預警作用。

2.2.6 測點保護與使用

SAA元器件采用外包高強柔性PVC管進行包裹進行保護，防止爆破飛石破壞，嚴禁機械設備對其進行碰撞。到變形穩(wěn)定，進行二次襯砌施作前，接觸防水板臺架或者施工機械進行SAA監(jiān)測設備拆除回收，可進行重復使用。

3 結論與體會

通過SAA在成蘭鐵路部分隧道中應用，體現(xiàn)其優(yōu)點:1)重復性。SAA可輕便拆卸后進行其他斷面的監(jiān)測，進行重復使用。2)實時性。安裝完成啟動監(jiān)測后，系統(tǒng)可最小間隔30 min監(jiān)測一次，實現(xiàn)高頻次、實時監(jiān)測、預警，及時向管理人員反饋現(xiàn)場監(jiān)測情況;自動化程度高。3)SAA可以進行數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和預警，適用于地質復雜地段隧道收斂變形的監(jiān)測預警。4)抗干擾能力強。不受洞內粉塵及噪聲影響;無需占用施工道路，對施工影響小;免維護。在量程范圍內只要無外力破壞，可長期免于維護。

SAA存在不足:采購途徑單一，費用較高。目前應用于工程的SAA技術是成套引進的國外技術，由加拿大廠家生產(chǎn)、組裝、成套組裝成型的設備不可拆卸，僅適用于預訂固定尺寸的斷面監(jiān)測;售后服務體系不完善。因未成規(guī)模使用，未建立系統(tǒng)的售后服務體系，致使售后服務成本相對較高，服務不及時現(xiàn)象時有發(fā)生。

從目前應用來看，SAA技術可作為隧道工程復雜地質及高風險地段圍巖監(jiān)控量測的重要手段，但在后續(xù)的鐵路隧道應用中，應進一步在誤差、應用場所等方面進行深化研究，為實現(xiàn)隧道工程圍巖監(jiān)控量測自動、實時及預警信息化管理，防范隧道工程施工安全風險起到積極作用。

在進一步深化應用的基礎上，實現(xiàn)SAA設備國產(chǎn)化顯得尤為緊迫，降低其使用成本，才能使其大范圍推廣應用成為可能，并優(yōu)化每個基本單元溫度傳感器和動態(tài)模塊之間的關聯(lián)性，提高現(xiàn)場安裝效率，并結合現(xiàn)代信息技術形成一套系統(tǒng)的測量體系，可實現(xiàn)隧道監(jiān)控量測技術的重大突破。

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