紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)在隧道監(jiān)測中的應(yīng)用

范慶

（中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇西鐵路建設(shè)指揮部，云南大理 671000）

1 概況

縱觀歷年來隧道施工中發(fā)生的安全事故，坍塌事故占多數(shù)，而這些坍塌事故中，尤以仰拱施工中發(fā)生的坍塌事故最多，由于仰拱施工中的坍塌，往往造成我們所說的“關(guān)門”情況，其危害尤其大。所以，在隧道的仰拱施工中，我們往往要求監(jiān)測人員持續(xù)觀測仰拱開挖段的沉降及收斂，發(fā)現(xiàn)問題以便及時(shí)撤離作業(yè)人員，保證施工安全。但是，使用監(jiān)測人員持續(xù)觀測：①難以做到連續(xù)不間斷；②人都會有惰性等突發(fā)情況；③對隧道的施工也會造成相互的干擾，占用作業(yè)人員且在其次，取得的效果往往偏離預(yù)期甚遠(yuǎn)。而在隧道仰拱施工中采用紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)，將其安裝在仰拱開挖段兩端，調(diào)整完成后就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的監(jiān)測，當(dāng)邊墻收斂或拱部下沉?xí)r，紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警，以便現(xiàn)場作業(yè)人員做出反應(yīng)。

2 工法特點(diǎn)

（1）紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)使用普遍，價(jià)格低廉，易于購買使用。

（2）操作簡單，一次安裝持續(xù)觀測。

（3）不需要專人監(jiān)控，自動(dòng)報(bào)警，節(jié)省人工，避免出錯(cuò)。

（4）靈敏度高，監(jiān)測連續(xù)。

3 適用范圍

本工藝適用于隧道仰拱施工時(shí)，初支位移連續(xù)監(jiān)測，以及隧道施工中初支變形侵限預(yù)警等需要及時(shí)反映位移變化的工作。

4 監(jiān)控原理

4.1 監(jiān)控設(shè)備

激光接收器+12V報(bào)警器+12V直流電源各一臺+點(diǎn)狀發(fā)射器一臺。

激光接收器尺寸：60×35×25.5mm，12V。

報(bào)警器尺寸：122.5×73×43.5mm，12V。

直流電源尺寸：90×53×35mm。

4.2 監(jiān)控原理

發(fā)射器：激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有的特點(diǎn)：即三好（單色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。利用激光的定向性好和高亮度，可用作遠(yuǎn)距離發(fā)射。

接收器：無激光照射時(shí)接收器閉合報(bào)警器持續(xù)報(bào)警，接收激光信號后接收器斷開報(bào)警器不工作；接收器相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)作用；接受范圍為直徑為1cm的白色圓圈。

報(bào)警器：報(bào)警器工作電壓為12V直流。

激光接收器可接收全系列波段的激光，接收距離跟激光發(fā)射部分有關(guān)，可接收范圍：0～200m。

5 施工操作要點(diǎn)

5.1 施工準(zhǔn)備

（1）在使用前將報(bào)警器與接收進(jìn)行連接。

（2）準(zhǔn)備好連接電源插頭及洞內(nèi)使用的防潮插座。

（3）洞外試拼裝并進(jìn)行調(diào)試看是否正常工作。

（4）在洞外采用φ12鋼筋加工紅外線穿過環(huán)，鋼筋的一端焊接4×4cm鋼板，鋼板厚5mm，鋼板上鉆一個(gè)直徑1cm的紅外線穿過環(huán)，鋼筋長30cm。

5.2 洞內(nèi)安裝

5.2.1 接收器安裝

將接收器安裝在仰拱開挖段靠近掌子面一端的邊墻上，高度距矮邊墻頂約1.3m（不破壞防水板為宜），安裝時(shí)確保接收器牢固不松動(dòng)。

5.2.2 發(fā)生器安裝

發(fā)射器安裝在已施工好的仰拱一側(cè)的邊墻上，高度距矮邊墻頂約1.3m（不破壞防水板為宜），安裝時(shí)確保發(fā)射器牢固不松動(dòng)。

接收器和發(fā)射器最好距離在5～10m左右。

5.2.3 φ12鋼筋紅外線穿過環(huán)安裝

在洞外加工好φ12鋼筋紅外線穿過環(huán)，沿紅外線從接收器開始每間隔2榀鋼架設(shè)置一個(gè)紅外線穿過環(huán)，紅外線穿過環(huán)焊接于鋼架上，并調(diào)整穿過環(huán)使紅外線從穿過環(huán)中心穿過。

5.3 調(diào)試對中

安裝好后接通電源，發(fā)射器發(fā)出的鐳射紅外線要與接收器的中心點(diǎn)對中，同時(shí)要穿過紅外線穿過環(huán)的圓孔中心，不要出現(xiàn)偏移現(xiàn)象。對中的目的是無論出現(xiàn)任何角度的位移變化，都能準(zhǔn)確地進(jìn)行報(bào)警。對中后中斷紅外線，測試報(bào)警器是否正常報(bào)警。

6 監(jiān)測方法

6.1 監(jiān)測儀器安裝位置（見圖1～圖2）

圖1 紅外線連續(xù)監(jiān)測縱斷面布置

圖2 φ12鋼筋紅外線穿過環(huán)加工

如圖3～圖5所示：紅外線發(fā)射器安裝在仰拱已施作段中部位置，接收器安裝在仰拱開挖段距掌子面一側(cè)的位置。

圖3 現(xiàn)場安裝實(shí)物

圖4 φ12鋼筋紅外線穿過環(huán)安裝實(shí)物

圖5 紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場安裝

6.2 監(jiān)控儀器安裝時(shí)間

在本次仰拱開挖前安裝完成，在仰拱混凝土澆筑后拆除。

6.3 量測原理

在仰拱開挖過程中，如果存在圍巖變形到一定的范圍，紅外線光束脫離φ12鋼筋穿過環(huán)1cm穿孔及接收器1cm的白色圓圈內(nèi)，報(bào)警器將持續(xù)報(bào)警。

6.4 使用方法

在仰拱開挖過程中，當(dāng)?shù)谝淮螆?bào)警器報(bào)警，現(xiàn)場監(jiān)控人員將調(diào)整發(fā)射器的角度，重置正確位置（報(bào)警器停止報(bào)警）；當(dāng)?shù)诙螆?bào)警器報(bào)警，現(xiàn)場測量人員將量測其圍巖面，及時(shí)掌握圍巖收斂數(shù)據(jù)，反饋并指導(dǎo)仰拱開挖長度和跟進(jìn)距離。以便有針對性地改進(jìn)施工工藝和施工參數(shù)，減小巖體變形，保證工程安全，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測實(shí)物

7 工藝優(yōu)點(diǎn)

7.1 節(jié)約人員

使用鐳射線紅外線系統(tǒng)對仰拱開挖進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測，從準(zhǔn)備到安裝調(diào)試到過程的監(jiān)測只需要一名技術(shù)人員即可完成。傳統(tǒng)仰拱連續(xù)觀測從準(zhǔn)備開挖仰拱到仰拱澆筑完成，最少需要2組測量人員，每組人員3人。所以鐳射紅外線有效的減少了人員使用數(shù)量。

7.2 預(yù)報(bào)及時(shí)

此套系統(tǒng)接收器中線觸發(fā)區(qū)域是直徑10mm的圓，紅外線束光直徑是4mm的圓，也就是說紅外線光束的邊到觸發(fā)區(qū)的邊只有3mm，束光一旦偏移出觸發(fā)區(qū)就會立即報(bào)警。

7.3 成本低廉

紅外對射監(jiān)測系統(tǒng)在市場上很容易買到，每套價(jià)格在100元左右，循環(huán)使用。

7.4 反應(yīng)靈敏

紅外對射系統(tǒng)執(zhí)行自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)紅外射線光斑脫離出接收器范圍就會進(jìn)行報(bào)警，反應(yīng)靈敏。

8 效果評價(jià)

此套系統(tǒng)投入使用以來，大大減輕了技術(shù)人員在仰拱施工中的工作量，提高了仰拱開挖過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，確保了仰拱施工過程中的安全。

9 結(jié)語

確保隧道仰拱的施工安全，關(guān)鍵在于能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道開挖仰拱過程中初支變形，提前發(fā)現(xiàn)提前處理。而紅外對射監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用，可及時(shí)、準(zhǔn)確、靈敏地預(yù)報(bào)仰拱施工中初支變形情況，對隧道仰拱正常施工安全起到有效地保障作用。