隧道收斂自動監(jiān)測系統(tǒng)在公鐵交叉施工中的應(yīng)用分析

劉永波，王戟鋒

(中鐵上海工程局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300450)

1 引 言

當(dāng)前國內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)施(如公路、鐵路、地鐵等)的建設(shè)正處于密集的施工期，這些交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)具有共同的特點(diǎn)，也就是離不開隧道的建設(shè)。然而在隧道施工和運(yùn)營管理過程中，由于不良地質(zhì)條件等原因會導(dǎo)致隧道受壓變形，為了保證施工及運(yùn)營安全并給相關(guān)部門提供決策信息，應(yīng)當(dāng)及時、準(zhǔn)確地對其進(jìn)行收斂監(jiān)測。鄭萬鐵路在選線時因考慮地質(zhì)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，導(dǎo)致鐵路與已經(jīng)開通運(yùn)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(shí)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(zhàn)以及必須解決的難題。目前，傳統(tǒng)的隧道收斂監(jiān)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(shè)多個傾斜角傳感器，通過傳感器獲得角度數(shù)據(jù)，利用角度計(jì)算隧道在橫向和縱向變化的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shí)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(jìn)行自動化動態(tài)監(jiān)測，屬于傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集方式，所選監(jiān)測點(diǎn)具有主觀性，會導(dǎo)致監(jiān)測精度和監(jiān)測周期達(dá)不到要求[2，3]?？傊?，利用全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等方法需在觀測對象本身上設(shè)置多個固定觀測點(diǎn)并對固定監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行周期性的觀測來監(jiān)測對象的變化，因受觀測條件的限制而在實(shí)時、快速應(yīng)用方面受到約束。近年來，地面激光掃描技術(shù)(TLS)能夠快速、高效地采集海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4～10]，其具有省時、省力、大范圍、數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了有效的應(yīng)用，然而其設(shè)備成本高昂，同時也無法滿足實(shí)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(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于上跨、下穿施工中，由于其具有實(shí)時、廉價低成本等特點(diǎn)，具有一定的推廣前景。

2 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

2.1 數(shù)據(jù)采集

本文所述監(jiān)測系統(tǒng)是為了解決實(shí)際工程項(xiàng)目遇到的管理問題而獨(dú)立提出的，其總體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)分析等四大部分，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集部分采用相位式激光測距技術(shù)，即利用無線電波段的頻率對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，并將調(diào)制光往、返測距儀與目標(biāo)物之間距離所產(chǎn)生的相位差測定出來，換算為調(diào)制光傳播時間，再根據(jù)調(diào)制光的波長，依次計(jì)算出待測距離，從而完成數(shù)據(jù)采集，其原理如下：

(1)

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

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)傳輸、處理與分析

(1)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理部分采用云計(jì)算技術(shù)，由部署在云平臺上的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行在線計(jì)算，從而完成實(shí)時數(shù)據(jù)處理工作。計(jì)算內(nèi)容包括隧道的寬度w和高度h，可按如下公式進(jìn)行計(jì)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(shí)時測定的等腰三角形腰長，L為其平均值。進(jìn)一步地，為了衡量計(jì)算結(jié)果的誤差大小，可以根據(jù)誤差傳播定律計(jì)算出隧道寬度和高度的精度，如式(3)所示。

(3)

(4)

(3)數(shù)據(jù)分析部分主要顯示各個監(jiān)測點(diǎn)的收斂情況，需要提前設(shè)定報警值，然后系統(tǒng)自動判斷是否需要發(fā)送短信提醒。

3 應(yīng)用案例分析

3.1 點(diǎn)位布設(shè)

通常情況下，隧道收斂觀測的點(diǎn)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(shè)置1個測點(diǎn)，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(shè)置2個測點(diǎn)，而在拱頂設(shè)置1個測點(diǎn)，則有6條測線或者在隧道的左腰和右腰各設(shè)置一個測點(diǎn)，而在拱頂設(shè)置3個測點(diǎn)，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?shù)淖兓?。根?jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，監(jiān)測系統(tǒng)采用優(yōu)化后的點(diǎn)位布設(shè)方案，即：在隧道的左腰和右腰各設(shè)置1個監(jiān)測元件，而在拱頂設(shè)置1個測距點(diǎn)，有2條測線，如圖2所示。假設(shè)由2個監(jiān)測元件和1個測距點(diǎn)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(shí)時測定，取其平均值為L。應(yīng)當(dāng)注意的是：隧道收斂觀測點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在同一斷面，埋設(shè)穩(wěn)固，并有明顯標(biāo)志；根據(jù)圍巖級別，調(diào)整監(jiān)測斷面的布置頻率；根據(jù)現(xiàn)場情況，在變形較大的區(qū)域，如交叉口、緊急停車加寬帶，還應(yīng)加密測點(diǎn)和觀測頻率。

圖2 現(xiàn)場點(diǎn)位布置圖

3.2 自動化監(jiān)測

為確保施工期間對高速公路的襯砌實(shí)體狀況的掌握，指導(dǎo)施工方安全順利施工以及提醒高速公路運(yùn)營部門做出適當(dāng)?shù)倪\(yùn)營決策，工區(qū)將隧道收斂測監(jiān)的觀測頻率改為每1個小時采集數(shù)據(jù)1次，以便實(shí)時掌對變形。為了直觀地展示實(shí)時變形情況，項(xiàng)目開發(fā)出一款數(shù)據(jù)分析軟件，具有以下功能：數(shù)據(jù)錄入、無效數(shù)據(jù)、示意圖、導(dǎo)出日報、導(dǎo)出數(shù)據(jù)、設(shè)備信息等。通測點(diǎn)名和數(shù)據(jù)日期可以查詢每個測點(diǎn)的以下信息：測點(diǎn)名、記錄時間、記錄值、本次變化量、累計(jì)變化量、變化速率、變化速率警情、累計(jì)變化警情、處理情況、操作等，詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄如表1所示。通過進(jìn)一步地數(shù)據(jù)分析，施工方和高速公路運(yùn)營部門能夠高效、實(shí)時獲取監(jiān)測結(jié)果，如圖3所示。與目前幾種常用的隧道變形監(jiān)測方法相比(如表2所示)，本文提出的監(jiān)測系統(tǒng)具有高精度，實(shí)時、廉價低成本等特點(diǎn)，可為施工和運(yùn)營提供安全保障。

JCD01測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄 表1

圖3 JCD01測點(diǎn)單次變化、累計(jì)變化以及變化速率

不同隧道變形監(jiān)測方法對比 表2

4 結(jié) 論

長期實(shí)驗(yàn)表明，該隧道收斂監(jiān)測設(shè)備可在 0.05 m～80 m范圍內(nèi)測距，精度可達(dá)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(yīng)用于上跨、下穿施工隧道收斂監(jiān)測中，可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)扔薪ㄖM(jìn)行監(jiān)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(diào)整施工狀態(tài)，采取措施，同時也避免了乙方人員頻繁上下高速，進(jìn)行人工監(jiān)測作業(yè)，杜絕了人和車輛的不安全行為所導(dǎo)致的安全隱患事故。另外，該隧道收斂監(jiān)測設(shè)備具有實(shí)時、廉價低成本等特點(diǎn)，可以在較多工程項(xiàng)目中投入使用，具有一定的推廣情景。