城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分析

周超

摘要：本文首先論述地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的分析，主要包括保證準(zhǔn)確的施工參數(shù)、優(yōu)化地鐵隧道的設(shè)計方案等，然后對地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的布控進(jìn)行論述分析，主要包括選擇監(jiān)測系統(tǒng)基準(zhǔn)點、基準(zhǔn)站的安裝、監(jiān)測點的埋設(shè)，通過不斷分析旨在有效規(guī)避和預(yù)防地鐵隧道事故的出現(xiàn)，給予人類生命安全一定的保證，實現(xiàn)地鐵隧道安全運行的目標(biāo)，僅供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道結(jié)構(gòu);健康監(jiān)測

1.地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的與背景分析

1.1建設(shè)目的

1.1.1保證準(zhǔn)確的施工參數(shù)

在國家重點的投資項目中，地鐵的作用不容忽視，在施工參數(shù)上，面對任何錯誤的出現(xiàn)，不僅會對整個項目的達(dá)標(biāo)造成影響，也會導(dǎo)致安全問題的產(chǎn)生?；诖?，在施工前期階段，應(yīng)仔細(xì)對比分析自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)期設(shè)置好的參數(shù)，將誤差的范圍降至最低，同時應(yīng)對其施工參數(shù)予以準(zhǔn)確優(yōu)化，以免影響到后期施工工作的正常進(jìn)行，最大程度地預(yù)防在參數(shù)不準(zhǔn)確的情況下引起各種不必要的事故。

1.1.2優(yōu)化地鐵隧道的設(shè)計方案

在工程前期工作中，設(shè)計對于后期施工優(yōu)化影響深遠(yuǎn)。通過對自動化監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)對工程圖紙和數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷完善。將確定的圖紙及時向施工團(tuán)隊進(jìn)行提交，不斷簡化施工作業(yè)的步驟，并確保地鐵施工效率的穩(wěn)步提升。此外，應(yīng)加強實時監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，為設(shè)計方案的優(yōu)化提供可行的依據(jù)，從而使地鐵線路建設(shè)更具安全性、可靠性。

1.1.3減少干擾

在地鐵施工運營階段，在人工監(jiān)控措施無法應(yīng)用的影響下，自動化健康監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用價值，為全天候的監(jiān)控創(chuàng)造有力條件，促進(jìn)地鐵施工運營和維護(hù)工作的順利進(jìn)行，防止不必要的干擾的發(fā)生。

1.2現(xiàn)狀及背景

在隧道建設(shè)和運營期間均面臨隧道結(jié)構(gòu)災(zāi)害，急需自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道狀態(tài)。

對于運營期間隧道，需要監(jiān)測隧道內(nèi)結(jié)構(gòu)性沉降、塌方以及掉塊等災(zāi)害。

在隧道開挖過程中，有三個過程發(fā)生重大災(zāi)害事故的可能性最大，分別為掌子面開挖、臺階開挖和初支結(jié)構(gòu)安裝。

其中危險性最高的是掌子面開挖過程，大多數(shù)在建隧道施工中產(chǎn)生的安全事故是發(fā)生在掌子面附近，包括掌子面坍塌、漏水、漏泥等。目前在隧道建設(shè)過程中，尚無有效的手段和設(shè)備能夠?qū)φ谱用孢M(jìn)行有效監(jiān)測。

而針對臺階開挖和初支結(jié)構(gòu)安裝過程可能發(fā)生的圍巖收斂、拱頂下沉、初支變形等問題，一般采用全站儀對隧道進(jìn)行監(jiān)測。全站儀需要在隧道內(nèi)面布置固定反射點，一般根據(jù)圍巖等級和埋寬比確定反射點的密度。一般而言，普通等級的圍巖水平下的測試截面間隔為10米一個截面，每個截面布置5個反射點。采用全站儀的監(jiān)測方式存在如下問題：

（1）監(jiān)測點稀疏，無法對局部位移進(jìn)行及時測量;

（2）監(jiān)測周期長，無法進(jìn)行實時測量;

（3）單次監(jiān)測耗時長，占用施工時間;

（4）對人員操作水平有要求，不同操作員的測量結(jié)果不同;

（5）測量數(shù)據(jù)人為錄入，有可能導(dǎo)致錯誤記錄。

但是在隧道建設(shè)過程中，開挖過程是隧道結(jié)構(gòu)最危險的階段。在這一過程中，因為挖掘過程導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，隧道初支結(jié)構(gòu)部分會發(fā)生一定的變形，如果這種變形發(fā)展過快，會導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)失效，引發(fā)事故。根據(jù)資料顯示，在隧道結(jié)構(gòu)失效發(fā)展速度一般在30分鐘～12個小時之間，而全站儀入場監(jiān)測時間為8～24小時，這種情況表明一旦隧道失效現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)手段可能無法及時發(fā)現(xiàn)問題。

隧道建設(shè)完成后，如果底部土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變引起隧道縱向承力不夠均勻，會導(dǎo)致隧道出現(xiàn)縱向沉降的問題。

隧道完成二次襯砌后，自重較大，會導(dǎo)致底部支撐土受力平衡出現(xiàn)破壞，如果局部區(qū)域出現(xiàn)較大的沉降，會引起隧道不同環(huán)面出現(xiàn)剪切破壞形式。在這種情況下是由隧道環(huán)面之間的縱向加強筋產(chǎn)生的抗拉效果保持隧道安全。但是縱向加強筋承擔(dān)的變形量是有限的，當(dāng)變形發(fā)展的一定程度之后會導(dǎo)致隧道出現(xiàn)裂縫，地面出現(xiàn)起伏。

面對隧道整體沉降問題，通常采用的也是全站儀監(jiān)測的方法，也面臨著上面提到的諸多局限，導(dǎo)致監(jiān)測無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

通過采用隧道內(nèi)面全自動激光監(jiān)測儀和光纖光柵傳感器等技術(shù)手段可以實時有效地監(jiān)測建設(shè)期和運營期的隧道結(jié)構(gòu)健康狀況。

2.地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的布控

2.1選擇監(jiān)測系統(tǒng)基準(zhǔn)點

要想將監(jiān)測設(shè)施的安全性提升上來，應(yīng)合理選擇基準(zhǔn)點，與變形區(qū)和凹坑區(qū)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，為基準(zhǔn)點的選擇奠定良好的基礎(chǔ)。然后應(yīng)從基準(zhǔn)點選擇的地理位置出發(fā)，各個基準(zhǔn)點布控的監(jiān)控點應(yīng)體現(xiàn)出一定的差異性，以此來對列車隧道的各個角度進(jìn)行有效控制，同時確保基準(zhǔn)站建設(shè)位置的合理性。同時，要想將監(jiān)測設(shè)施的牢固性提升上來，應(yīng)從現(xiàn)場的環(huán)境出發(fā)，在地鐵隧道的腰部，合理埋設(shè)好基準(zhǔn)點的一部分，而另一部分應(yīng)在道床上進(jìn)行安裝【1】。對于埋設(shè)的方式，應(yīng)加強合適的沖擊鉆的應(yīng)用，在隧道結(jié)構(gòu)上直接鉆孔，對適應(yīng)的膨脹螺絲進(jìn)行安裝。

2.2基準(zhǔn)站的安裝

在安裝基準(zhǔn)站過程中，應(yīng)遵循穩(wěn)定性和安全性原則。通常來說，基準(zhǔn)站不能與監(jiān)測斷面距離過近，選擇在隧道的一側(cè)靠近底部的位置，加強合適的鉆頭鉆孔的應(yīng)用，對相同尺寸的膨脹螺絲進(jìn)行打入，然后將一定載荷的固定支座進(jìn)行安裝，支座應(yīng)與相關(guān)設(shè)備的安全性要求相符，隨即再在支座上安裝好附屬設(shè)供電、數(shù)據(jù)傳送線路等，以此來確保運行效果的提升。

2.3監(jiān)測點的埋設(shè)

對監(jiān)測點的位置選擇進(jìn)行分析，其特殊性顯著，其中，變形體變形的范圍內(nèi)為最佳的選擇地點，以此來將周圍結(jié)構(gòu)變形的特征展現(xiàn)出來。一般而言，間隔10m左右應(yīng)對一個監(jiān)控斷面進(jìn)行布設(shè)，各個監(jiān)測斷面上的監(jiān)測點應(yīng)保持在4個左右，對于監(jiān)測點的位置，選擇在地鐵隧道頂部、底部等為最佳。同時，在監(jiān)測點的選擇要求中，應(yīng)防止相關(guān)障礙物在檢測視頻內(nèi)有所出現(xiàn)，必要時可以借助固定支架的安裝，給予監(jiān)測點功能一定的保證，同時各個監(jiān)測點和基準(zhǔn)點等安裝，應(yīng)與地鐵隧道的界限要求相一致。

3.監(jiān)測方案

3.1.總體架構(gòu)

對隧道結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測主要通過隧道內(nèi)面全自動掃描監(jiān)測儀完成監(jiān)測工作;所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過有線或無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)胶蠖说挠杀O(jiān)測主機構(gòu)成的系統(tǒng)控制平臺上。后端的監(jiān)測主機連接前端所有監(jiān)測設(shè)備，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一識別、分析、處理，反饋處理后的信息至用戶終端（包含PC、大屏、手機移動端等），構(gòu)成信息采集、信息處理、信息反饋的整體架構(gòu)，保證監(jiān)測系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)、高效識別，形成對隧道全生命周期的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如下：

一臺監(jiān)測主機可以連接多臺監(jiān)測儀實現(xiàn)級聯(lián)運行，對眾多前端感知設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)識別、整合、分析和處理，當(dāng)異常發(fā)生時，可以通過多種途徑發(fā)送異常告警。

3.2.隧道單截面監(jiān)測

隧道建設(shè)過程中，開挖過程是隧道結(jié)構(gòu)最危險的階段。在這一過程中，因為挖掘過程導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)改變，導(dǎo)致掌子面坍塌、漏水、漏泥，隧道初支結(jié)構(gòu)部分也會發(fā)生一定的變形，如果這種變形發(fā)展過快，會導(dǎo)致初支結(jié)構(gòu)失效，引發(fā)事故。

3.3.j基于單設(shè)備多截面監(jiān)測分析

監(jiān)測儀通過設(shè)置可以采集多個隧道截面的監(jiān)測點，通過監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與合成分析，形成多面數(shù)據(jù)信息，通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果發(fā)生位置的變化，系統(tǒng)會告警。

3.4.單設(shè)備掌子面監(jiān)測

將監(jiān)測儀的角度朝向開挖階段的掌子面，監(jiān)測儀可以采集到掌子面多個截面的位移數(shù)據(jù)，當(dāng)掌子面上某個點或多個點產(chǎn)生異常位移，監(jiān)測儀可以快速識別并發(fā)出異常告警。

3.5.多設(shè)備多截面監(jiān)測

隧道建設(shè)過程中，遇到多個重點區(qū)域需要檢測情況下，可以布置多臺監(jiān)測儀，對這些重點檢測區(qū)域同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測。多臺設(shè)備通過有線或無線方式連接至后端的監(jiān)測主機。監(jiān)測主機通過識別異常發(fā)生位置快速發(fā)出異常告警。

3.6.綜合控制管理平臺

針對隧道監(jiān)測的特點，綜合控制管理平臺將根據(jù)不同位置的監(jiān)測需求，設(shè)置不同的業(yè)務(wù)模塊，實現(xiàn)以下功能：

（1）綜合狀態(tài)顯示

報警信息：包含系統(tǒng)的即時報警數(shù)據(jù)（時間、位置、類型、等級）;

隧道狀態(tài)信息：拱頂沉降、鋼架應(yīng)力、加強筋變形，同時顯示歷史累積變化量。

設(shè)備狀態(tài)信息：沿線監(jiān)測主機、傳感器等工作狀態(tài)，點擊線路上的圖標(biāo)能彈出對應(yīng)畫面/參數(shù)。

（2）報警

監(jiān)測設(shè)備發(fā)現(xiàn)異常后，通過平臺觸發(fā)聲光報警;

在主頁以統(tǒng)計的方式顯示當(dāng)前報警信息;

同時可通過菜單內(nèi)選項選擇查看報警列表，將處置按鈕在列表中顯示，處置過程記錄以彈窗形式觸發(fā)。

（3）設(shè)備狀態(tài)顯示

設(shè)備出現(xiàn)異常時，主界面固定區(qū)域顯示設(shè)備總數(shù)、正常、離線等相關(guān)信息;在菜單選項中可查看具體異常設(shè)備位置;相關(guān)設(shè)備的維護(hù)信息。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對報警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計——時間統(tǒng)計、區(qū)域統(tǒng)計、功能統(tǒng)計。

頁面形式與主頁面類似，在地圖上以熱圖形式展現(xiàn)某一段時間（該頁面配置）、區(qū)域（該頁面配置）的報警數(shù)量。

（5）數(shù)據(jù)報表

根據(jù)選擇的時間/區(qū)間/功能項，在該頁面顯示對應(yīng)的統(tǒng)計圖表（餅圖、直方圖、趨勢圖等），同時點擊生成報表按鈕，可自動生成報表、可連接打印機等進(jìn)行打印。

對報警對應(yīng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程分析，并形成分析報告，該報告上傳至平臺進(jìn)行記錄管理，該分析報告與報警列表對應(yīng)。

3.7技術(shù)優(yōu)勢

（1）短期檢測過程中可做到實時24小時不間斷監(jiān)測，且安裝便捷、可多次重復(fù)利用。

（2）可通過位移、應(yīng)力等多個維度實現(xiàn)對隧道結(jié)構(gòu)的整體監(jiān)測。

（3）通過綜合管理平臺時間實時監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)分析、實時預(yù)警。

（4）相比全站儀測量，無需校準(zhǔn)面，通過多測量點應(yīng)力變化趨勢分析判斷隧道結(jié)構(gòu)變形程度。

（5）相比全站儀測量，排除了人為和設(shè)備產(chǎn)生的誤差，長期監(jiān)測過程中具備極高的精準(zhǔn)度。

（6）根據(jù)現(xiàn)場情況實施，相比全站儀，采用隧道內(nèi)面全自動激光監(jiān)測儀可以節(jié)省人力和時間成本。

3.8設(shè)備用電

本系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備可以就近架設(shè)于隧道附近的通信機房內(nèi)，利用既有供電系統(tǒng)取電。

監(jiān)測設(shè)備供電需求分析： 隧道內(nèi)面全自動激光監(jiān)測儀、監(jiān)控終端、服務(wù)器等于機房內(nèi)現(xiàn)場取電。

監(jiān)測設(shè)備供電電壓：考慮到各設(shè)備自帶電源適配器，方案中不需要特別考慮變壓裝置，因此方案采用統(tǒng)一配電--220V用電。

4.結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步已經(jīng)得到了全世界的一致關(guān)注，而地鐵的發(fā)展前景非常理想化，我國的地鐵項目發(fā)展已經(jīng)向各個市區(qū)實現(xiàn)了蔓延，作為重要的投資項目之一，隧道的結(jié)構(gòu)在地鐵整體構(gòu)成中不容忽視，對此應(yīng)加強地鐵隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，其現(xiàn)實意義突出，確保地鐵運行的安全性與穩(wěn)定性，更好地服務(wù)于人民群眾和社會。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳賢國， 王雷， 陳虹宇，等. 基于BIM技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)運營地鐵結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 隧道建設(shè)（中英文）， 2020， 40（6）：10.