城市軌道交通隧道結構健康監測分析

周超

摘要：本文首先論述地鐵隧道結構健康監測的目的分析，主要包括保證準確的施工參數、優化地鐵隧道的設計方案等，然后對地鐵隧道結構健康監測的布控進行論述分析，主要包括選擇監測系統基準點、基準站的安裝、監測點的埋設，通過不斷分析旨在有效規避和預防地鐵隧道事故的出現，給予人類生命安全一定的保證，實現地鐵隧道安全運行的目標，僅供參考。

關鍵詞：地鐵隧道結構;健康監測

1.地鐵隧道結構健康監測的目的與背景分析

1.1建設目的

1.1.1保證準確的施工參數

在國家重點的投資項目中，地鐵的作用不容忽視，在施工參數上，面對任何錯誤的出現，不僅會對整個項目的達標造成影響，也會導致安全問題的產生?；诖?，在施工前期階段，應仔細對比分析自動化監測的數據結果與預期設置好的參數，將誤差的范圍降至最低，同時應對其施工參數予以準確優化，以免影響到后期施工工作的正常進行，最大程度地預防在參數不準確的情況下引起各種不必要的事故。

1.1.2優化地鐵隧道的設計方案

在工程前期工作中，設計對于后期施工優化影響深遠。通過對自動化監測系統的數據可知，應對工程圖紙和數據進行不斷完善。將確定的圖紙及時向施工團隊進行提交，不斷簡化施工作業的步驟，并確保地鐵施工效率的穩步提升。此外，應加強實時監控系統的應用，為設計方案的優化提供可行的依據，從而使地鐵線路建設更具安全性、可靠性。

1.1.3減少干擾

在地鐵施工運營階段，在人工監控措施無法應用的影響下，自動化健康監測系統的應用價值，為全天候的監控創造有力條件，促進地鐵施工運營和維護工作的順利進行，防止不必要的干擾的發生。

1.2現狀及背景

在隧道建設和運營期間均面臨隧道結構災害，急需自動化監測系統能夠實時監測隧道狀態。

對于運營期間隧道，需要監測隧道內結構性沉降、塌方以及掉塊等災害。

在隧道開挖過程中，有三個過程發生重大災害事故的可能性最大，分別為掌子面開挖、臺階開挖和初支結構安裝。

其中危險性最高的是掌子面開挖過程，大多數在建隧道施工中產生的安全事故是發生在掌子面附近，包括掌子面坍塌、漏水、漏泥等。目前在隧道建設過程中，尚無有效的手段和設備能夠對掌子面進行有效監測。

而針對臺階開挖和初支結構安裝過程可能發生的圍巖收斂、拱頂下沉、初支變形等問題，一般采用全站儀對隧道進行監測。全站儀需要在隧道內面布置固定反射點，一般根據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。采用全站儀的監測方式存在如下問題：

（1）監測點稀疏，無法對局部位移進行及時測量;

（2）監測周期長，無法進行實時測量;

（3）單次監測耗時長，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果不同;

（5）測量數據人為錄入，有可能導致錯誤記錄。

但是在隧道建設過程中，開挖過程是隧道結構最危險的階段。在這一過程中，因為挖掘過程導致土層結構出現改變，隧道初支結構部分會發生一定的變形，如果這種變形發展過快，會導致初支結構失效，引發事故。根據資料顯示，在隧道結構失效發展速度一般在30分鐘～12個小時之間，而全站儀入場監測時間為8～24小時，這種情況表明一旦隧道失效現象，現有技術手段可能無法及時發現問題。

隧道建設完成后，如果底部土層結構出現改變引起隧道縱向承力不夠均勻，會導致隧道出現縱向沉降的問題。

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

面對隧道整體沉降問題，通常采用的也是全站儀監測的方法，也面臨著上面提到的諸多局限，導致監測無法達到預期目標。

通過采用隧道內面全自動激光監測儀和光纖光柵傳感器等技術手段可以實時有效地監測建設期和運營期的隧道結構健康狀況。

2.地鐵隧道結構健康監測的布控

2.1選擇監測系統基準點

要想將監測設施的安全性提升上來，應合理選擇基準點，與變形區和凹坑區保持適當的距離，為基準點的選擇奠定良好的基礎。然后應從基準點選擇的地理位置出發，各個基準點布控的監控點應體現出一定的差異性，以此來對列車隧道的各個角度進行有效控制，同時確保基準站建設位置的合理性。同時，要想將監測設施的牢固性提升上來，應從現場的環境出發，在地鐵隧道的腰部，合理埋設好基準點的一部分，而另一部分應在道床上進行安裝【1】。對于埋設的方式，應加強合適的沖擊鉆的應用，在隧道結構上直接鉆孔，對適應的膨脹螺絲進行安裝。

2.2基準站的安裝

在安裝基準站過程中，應遵循穩定性和安全性原則。通常來說，基準站不能與監測斷面距離過近，選擇在隧道的一側靠近底部的位置，加強合適的鉆頭鉆孔的應用，對相同尺寸的膨脹螺絲進行打入，然后將一定載荷的固定支座進行安裝，支座應與相關設備的安全性要求相符，隨即再在支座上安裝好附屬設供電、數據傳送線路等，以此來確保運行效果的提升。

2.3監測點的埋設

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

3.監測方案

3.1.總體架構

對隧道結構健康的監測主要通過隧道內面全自動掃描監測儀完成監測工作;所有監測數據通過有線或無線傳輸的方式傳輸到后端的由監測主機構成的系統控制平臺上。后端的監測主機連接前端所有監測設備，對數據進行統一識別、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），構成信息采集、信息處理、信息反饋的整體架構，保證監測系統能夠快速反應、高效識別，形成對隧道全生命周期的結構健康監測。系統總體架構圖如下：

一臺監測主機可以連接多臺監測儀實現級聯運行，對眾多前端感知設備進行數據識別、整合、分析和處理，當異常發生時，可以通過多種途徑發送異常告警。

3.2.隧道單截面監測

隧道建設過程中，開挖過程是隧道結構最危險的階段。在這一過程中，因為挖掘過程導致土層結構出現改變，導致掌子面坍塌、漏水、漏泥，隧道初支結構部分也會發生一定的變形，如果這種變形發展過快，會導致初支結構失效，引發事故。

3.3.j基于單設備多截面監測分析

監測儀通過設置可以采集多個隧道截面的監測點，通過監測點進行數據整理與合成分析，形成多面數據信息，通過大數據進行對比，如果發生位置的變化，系統會告警。

3.4.單設備掌子面監測

將監測儀的角度朝向開挖階段的掌子面，監測儀可以采集到掌子面多個截面的位移數據，當掌子面上某個點或多個點產生異常位移，監測儀可以快速識別并發出異常告警。

3.5.多設備多截面監測

隧道建設過程中，遇到多個重點區域需要檢測情況下，可以布置多臺監測儀，對這些重點檢測區域同時進行結構變形監測。多臺設備通過有線或無線方式連接至后端的監測主機。監測主機通過識別異常發生位置快速發出異常告警。

3.6.綜合控制管理平臺

針對隧道監測的特點，綜合控制管理平臺將根據不同位置的監測需求，設置不同的業務模塊，實現以下功能：

（1）綜合狀態顯示

報警信息：包含系統的即時報警數據（時間、位置、類型、等級）;

隧道狀態信息：拱頂沉降、鋼架應力、加強筋變形，同時顯示歷史累積變化量。

設備狀態信息：沿線監測主機、傳感器等工作狀態，點擊線路上的圖標能彈出對應畫面/參數。

（2）報警

監測設備發現異常后，通過平臺觸發聲光報警;

在主頁以統計的方式顯示當前報警信息;

同時可通過菜單內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。

（3）設備狀態顯示

設備出現異常時，主界面固定區域顯示設備總數、正常、離線等相關信息;在菜單選項中可查看具體異常設備位置;相關設備的維護信息。

（4）數據統計

對報警數據進行統計——時間統計、區域統計、功能統計。

頁面形式與主頁面類似，在地圖上以熱圖形式展現某一段時間（該頁面配置）、區域（該頁面配置）的報警數量。

（5）數據報表

根據選擇的時間/區間/功能項，在該頁面顯示對應的統計圖表（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、可連接打印機等進行打印。

對報警對應的關鍵數據進行遠程分析，并形成分析報告，該報告上傳至平臺進行記錄管理，該分析報告與報警列表對應。

3.7技術優勢

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

（2）可通過位移、應力等多個維度實現對隧道結構的整體監測。

（3）通過綜合管理平臺時間實時監測、實時數據采集、實時數據分析、實時預警。

（4）相比全站儀測量，無需校準面，通過多測量點應力變化趨勢分析判斷隧道結構變形程度。

（5）相比全站儀測量，排除了人為和設備產生的誤差，長期監測過程中具備極高的精準度。

（6）根據現場情況實施，相比全站儀，采用隧道內面全自動激光監測儀可以節省人力和時間成本。

3.8設備用電

本系統監測設備可以就近架設于隧道附近的通信機房內，利用既有供電系統取電。

監測設備供電需求分析： 隧道內面全自動激光監測儀、監控終端、服務器等于機房內現場取電。

監測設備供電電壓：考慮到各設備自帶電源適配器，方案中不需要特別考慮變壓裝置，因此方案采用統一配電--220V用電。

4.結束語

現階段，我國科學技術的發展進步已經得到了全世界的一致關注，而地鐵的發展前景非常理想化，我國的地鐵項目發展已經向各個市區實現了蔓延，作為重要的投資項目之一，隧道的結構在地鐵整體構成中不容忽視，對此應加強地鐵隧道結構健康監測，其現實意義突出，確保地鐵運行的安全性與穩定性，更好地服務于人民群眾和社會。

參考文獻：

[1] 吳賢國， 王雷， 陳虹宇，等. 基于BIM技術的物聯網運營地鐵結構健康監測系統設計與實現[J]. 隧道建設（中英文）， 2020， 40（6）：10.