隧道自動化變形監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用研究

深圳市交通工程試驗檢測中心有限公司，廣東 深圳 518000

1 隧道變形的主要影響因素

隧道工程的開挖破壞了巖體內(nèi)部已達(dá)到的相對平衡狀態(tài)，使應(yīng)力場發(fā)生重分布，巖體重新達(dá)到力學(xué)平衡狀態(tài)勢必會產(chǎn)生一定量的形變，而隧道屬于被動受力結(jié)構(gòu)，其受破壞的很大原因是結(jié)構(gòu)體周邊巖體或土質(zhì)發(fā)生較大的相對位移。現(xiàn)在將主要影響因素歸類如下。

1.1 下臥土層分布不均勻

類似于地基基礎(chǔ)，下臥土層隨自然狀態(tài)變化而造成分布不均勻的問題，最易導(dǎo)致隧道側(cè)偏等不均勻沉降。各土層的力學(xué)性質(zhì)和形變參數(shù)不同，會導(dǎo)致土層的分層和過渡不均等現(xiàn)象，直接影響是沉降速率與沉降時間的不同，最終導(dǎo)致隧道整體穩(wěn)定性的破壞。

1.2 地表荷載與沉降的影響

一般情況下，隧道處于地層的中間或下部位置，上部地表荷載和沉降的變化直接影響了隧道的受力變化。隧道上部地層中建筑的新改擴(kuò)拆等建筑行為會造成附加應(yīng)力的變化，又由于附加應(yīng)力的擴(kuò)散效果，隧道中上部結(jié)構(gòu)必然也會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變的重分布等情況。另外，土體整體的沉降，隧道整體標(biāo)高的不均勻變化也將導(dǎo)致隧道整體縱向形變不均勻，裂縫極易產(chǎn)生并發(fā)展。

1.3 隧道內(nèi)部行車的影響

隧道所受土層的影響主要為靜力荷載，而隧道內(nèi)部行車影響是主要的動荷載來源。行車量或單車重量的不同雖然對隧道整體影響較小，但加上時間的累加效果，在長期周期循環(huán)作用下，構(gòu)件的疲勞破壞影響效果也將逐步增大。綜上所述，隧道變形監(jiān)測的重要性不言而喻。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的特點

隧道監(jiān)測方法以簡易人工觀測法為主，也有近些年興起的近景攝影測量法等其他技術(shù)。但以上方法均存在不同程度的缺點，會降低監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實可靠性。簡易人工觀測法雖能直接獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)，但因人工投入量大及工作效率的問題，滯后性太強；而近景攝影測量法利用高清攝像機在相同的基準(zhǔn)點對同一個監(jiān)測點拍照，來對比前后兩個時間點的監(jiān)測點的形變，獲得相應(yīng)位移參數(shù)，但受制于相機的清晰度和拍攝的周邊環(huán)境因素，導(dǎo)致精度無法得到保證。通過總結(jié)傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點，取長補短，自動化監(jiān)測技術(shù)得到了大力推廣及應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測技術(shù)，自動化監(jiān)測系統(tǒng)最大限度地減少了人工干預(yù)，消除了隨機誤差并降低了勞動力成本。

2.1 自動化程度較高

自動化監(jiān)測體系僅在設(shè)備安裝前期需要人工干預(yù)，后期數(shù)據(jù)的采集、處理及分析均可實現(xiàn)系統(tǒng)自動處理。在制訂好監(jiān)測計劃并將相應(yīng)程序編入監(jiān)測系統(tǒng)后，監(jiān)測儀器便可按照既定的安排嚴(yán)格執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，同時可根據(jù)周邊監(jiān)測環(huán)境的變化及相應(yīng)測區(qū)安全性的高低自動調(diào)整監(jiān)測頻率，并將采集到的數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)胶笈_系統(tǒng)進(jìn)行整合分析及處理，最大限度地保證了原始數(shù)據(jù)的真實可靠[1]。

2.2 穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸及存儲

考慮到隧道的特殊性，傳統(tǒng)人工監(jiān)測無法做到監(jiān)測的實時性，同時由于隧道內(nèi)部的信號屏蔽效果嚴(yán)重，即使發(fā)現(xiàn)異常也無法保證將信息立即傳達(dá)到外界。自動化監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，并通過遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)把信息傳后臺控制中心進(jìn)行存儲和處理分析。監(jiān)測人員僅需在控制中心就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時查詢和調(diào)用，實時掌握一手資料，面對突發(fā)險情時有足夠的應(yīng)對時間。

2.3 異常數(shù)據(jù)的辨別與剔除

考慮到現(xiàn)場可控或不可控的因素，部分監(jiān)測點可能會被遮擋、發(fā)生錯位或損壞，勢必造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的缺失或錯誤。自動化監(jiān)測體系能夠自動對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分和分析，對異常點進(jìn)行重復(fù)觀測，并將錯誤類數(shù)據(jù)剔除。非錯誤類的異常點會被及時發(fā)送到監(jiān)測平臺，供監(jiān)測人員進(jìn)一步分析處理，在保證監(jiān)測精度的同時，反映現(xiàn)場的真實情況。

3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成及特點

3.1 數(shù)據(jù)采集

隧道內(nèi)自動化監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集主要分為兩大類：沉降類和位移類。其中，沉降類涉及的儀器主要有靜力水準(zhǔn)儀、傾斜測量儀和光纖測量儀等；位移類涉及的儀器主要有裂縫計、變位計等[2]。靜力水準(zhǔn)儀利用連通器原理，保證每個測點液面處在同一標(biāo)高。當(dāng)發(fā)生沉降時，通過安裝在監(jiān)測點的電容傳感器內(nèi)的電容變化換算出液面的相對高程變化，再與基點比較得出各監(jiān)測點的沉降量。隧道裂縫的大小與多少對隧道整體的穩(wěn)定性有直接的影響，裂縫計可以用來對隧道側(cè)壁裂縫的發(fā)展情況進(jìn)行監(jiān)測。對振弦式裂縫計而言，其主要組成結(jié)構(gòu)包括振弦式感應(yīng)元件、彈簧及傳遞桿等。將裂縫計的兩個螺栓分別固定于裂縫兩側(cè)，讓裂縫計與裂縫保持同步發(fā)展。當(dāng)裂縫發(fā)展時，傳遞桿隨之拉緊，根據(jù)不同程度下傳遞桿頻率的變化，找出對應(yīng)的形變量，換算出裂縫的發(fā)展程度。裂縫計工作原理如圖1所示。

圖1 裂縫計工作原理圖

隧道橫斷面的變化可以判斷隧道整體受力變形趨勢，在需要監(jiān)測的斷面用膨脹螺栓或強力膠固定安裝棱鏡，自動全站儀機器人按一定的頻率自動找點測讀，將數(shù)據(jù)整合得到每個斷面的變形量。通過后臺處理程序，將各個斷面按照順序線性連接，得到整個隧道的期間變形量。后期通過可視化表格的處理，直觀得到隧道變形趨勢圖。

3.2 數(shù)據(jù)通信與處理

監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動傳輸與處理是自動化監(jiān)測系統(tǒng)最大的優(yōu)勢，儀器在收集完監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過特定的傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸回后臺系統(tǒng)。系統(tǒng)先對多源監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，然后依據(jù)規(guī)范要求對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行置信度檢驗，將測量誤差大的異常監(jiān)測數(shù)據(jù)剔除，保留參與計算處理的具有可靠性的監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方式一般有以下兩種情形。

（1）無線傳輸：將監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞給串口服務(wù)器，然后通過無線網(wǎng)橋的方式傳遞給控制中心，控制中心處有一無線網(wǎng)橋接收點，組成星型無線網(wǎng)橋連接方式，將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。無線網(wǎng)橋建設(shè)的優(yōu)點是建設(shè)費用為一次性投入，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強。（2）有線傳輸：監(jiān)測儀器先通過光纜傳輸?shù)奖O(jiān)測場地周邊的接收機，然后通過串口或者轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，通過網(wǎng)口傳輸?shù)街醒霐?shù)據(jù)服務(wù)器并進(jìn)行解算，從而達(dá)到實時監(jiān)測的目的。這種方法線路的鋪設(shè)費用及電力持續(xù)性要求較高，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。

3.3 客戶端

中央數(shù)據(jù)服務(wù)器在收集現(xiàn)場儀器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并篩選分析后，需要通過客戶端將信息傳遞給用戶。常見的客戶端模式有客戶機/服務(wù)器模式（Client/Server模式，簡稱C/S模式）和瀏覽器/服務(wù)器模式（Browser/Server模式，簡稱B/S模式）[3]。

（1）客戶機/服務(wù)器模式（C/S模式）是基于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)，與B/S模式相比，其最大的優(yōu)點是不依賴外網(wǎng)的環(huán)境，無論能否上網(wǎng)，都不影響應(yīng)用。這種模式能夠充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理之后再提交給服務(wù)器，對應(yīng)的優(yōu)點就是客戶端響應(yīng)速度快。應(yīng)用程序與服務(wù)器的分離，使系統(tǒng)具有穩(wěn)定性和靈活性，適合局域網(wǎng)，且安全性高。C/S模式的缺點是只適用于局域網(wǎng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，移動辦公和分布式辦公越來越普及，遠(yuǎn)程訪問需要專門的技術(shù)，還要對系統(tǒng)進(jìn)行專門的設(shè)計來處理分布式的數(shù)據(jù)。同時客戶端需要安裝專門的客戶端軟件，類似在手機上安裝App，涉及的安裝工作量較大。其次，任何一臺電腦出現(xiàn)問題，如出現(xiàn)病毒、硬件損壞，都需要進(jìn)行安轉(zhuǎn)和維護(hù)，如果軟件需要升級，每臺客戶機都需要重新安裝，維護(hù)和升級成本非常高。（2）瀏覽器/服務(wù)器模式（B/S模式）對C/S模式進(jìn)行了擴(kuò)展，用戶界面是通過瀏覽器實現(xiàn)的，B/S是基于應(yīng)用層http協(xié)議的web，建立在廣域網(wǎng)上。其最大優(yōu)點是運行維護(hù)比較簡單，能實現(xiàn)不同人員在不同地點以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)，每次維護(hù)或者升級只要對服務(wù)器進(jìn)行操作即可，客戶端不需要修改；其次是開放性好（用戶可通過通用瀏覽器訪問），可擴(kuò)展性好（由于web平臺的無關(guān)性，B/S可以任意擴(kuò)展）；最后是用戶使用方便，用戶接觸的瀏覽器界面相似，共通性較好。由于B/S模式與外界網(wǎng)絡(luò)的連通性較好，勢必對安全性的可控度較弱，且服務(wù)器的一對多模式造成需要較大的運行內(nèi)存。當(dāng)同一時間段內(nèi)接入的用戶數(shù)量過多時，網(wǎng)頁響應(yīng)速度急劇下降，甚至?xí)霈F(xiàn)系統(tǒng)崩潰的情形，故而用戶體驗不是特別好。

4 結(jié)束語

隨著信息行業(yè)和建筑行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，跨專業(yè)的技術(shù)融合已成為常態(tài)，故而對隧道變形監(jiān)測的方法也在不斷改進(jìn)完善，傳統(tǒng)的儀器監(jiān)測已不能滿足對隧道監(jiān)測實時高效的要求。通過對隧道自動化監(jiān)測技術(shù)的研究與改進(jìn)，準(zhǔn)確及時地獲取變形情況，能夠顯著提升隧道的安全性，最大程度上降低風(fēng)險，從而保障人身及財產(chǎn)安全。