SAA技术在成兰铁路隧道监控量测中的应用

王生涛，李传富，蒲小平，周宝春，唐波涛，鲜 国

(成兰铁路有限责任公司，四川成都 610072)

0 引言

随着铁路、公路的快速发展，行车速度的大幅提高，隧道断面在不断加大的同时，施工中从有尺量测发展到无尺量测，达到了全面施行。无尺量测是在开挖断面内埋设反光片，采用全站仪对反光片进行坐标测量，利用坐标的相对关系进行拱顶下沉和水平收敛的监控量测。在以已修建或者正在修建的的隧道工程中，圆梁山隧道［2］、郑西客专的高桥隧道［3］、浏阳河隧道［4］、厦门翔安隧道［5］、葡萄山隧道［6］、木寨岭隧道［7］等都采用无尺量测，工程建设者对其自动化程度、操作方便、干扰少、监控量测作业效率及实用性、以及无尺量测的误差与可靠性方面有了较深入的总结;由于无尺量测测点布置是间隔性的，在施工隧道内实现高度自动化、实时性等方面还存在一些不足，为了更好地对隧道全断面进行位移变化的监控，引进了一种新的SAA围岩监测技术。

SAA(Shape Accel Array)是一种灵活的、校准三维测量系统，由加拿大Measurand公司研发制造，具体有自动、高频、实时测量的功能。在国内，该技术已用于路基工程、大坝工程变形监测以及桥梁挠度监测中;该技术成功应用于隧道围岩监控量测中，在国内属首创，并且取得了较好的监测效果。

1 SAA组成及工作原理

1.1 SAA 组成

SAA内部由三轴微电子机械系统(MEMS)加速度计组成。采用微机电感应方式和阵列式计算原理，可实时获取连续变形曲线。SAA每8节组成一个基本单元(八位组或分阵列)。每节有加速度计和微处理器，每个基本单元有一个温度传感器和一个动态模块，每节标准长度为500 mm或305 mm。SAA组成如图1所示。

图1 SAA组成示意图Fig.1 Components of SAA

1.2 单个阶段工作原理

SAA的每节包含一套三轴加速度计(3D)，通过监测加速度计在重力场的变化，就能计算出单个节在x，y，z轴的旋转角度θ，利用旋转角度和已知节长度L，每节SAA的变形 Δx，Δy，Δz便可以精确计算出来，即Δ(x，y，z)=θ(x，y，z)×L，如图2 所示。

图2 单节段示意图Fig.2 Working principle of SAA single section

1.3 SAA整体工作原理

根据单个工作原理得到的单节变化量Δx，Δy，Δz，以电缆引出端为SAA各测点坐标计算的起始点O11，SAA在首次通电工作时端点坐标为O11(x11，y11，z11)，依次连续对各节变化量算术求和∑Δ(x，y，z)，就得到各个关节点相对于端点的坐标值O1i(x1i，y1i，z1i)(i代表整个SAA各测点顺序号，1代表首次工作时间状态)，如图3所示。

SAA带电工作后，任意时间任何位置的变化，SAA中各节点的坐标值也随即发生改变。即任意时间任何点发生变形位移，SAA测定的各关节点的坐标即发生变化，此刻各关节点的坐标值为相对于变化后的SAA端点的坐标值，称之为相对坐标值Oni(xni，yni，zni)(n代表任意时间工作状态)。

图3 多节段示意图Fig.3 Working principle of SAA multiple section

为测定各关节点的变形值，采用阵列式矩阵位移计算原理，利用MEMS系统测定SAA各节重力倾角变化，将任意时刻的相对坐标Oni(xni，yni，zni)转为初始坐标系内的坐标，计算变形。即得到SAA任意测点的坐标值Vn－i(Xn－i，Yn－i，Zn－i)，从而在同一笛卡尔坐标系内计算SAA各测点的变形值。

2 成兰线应用情况

成兰铁路位于四川、甘肃两省境内，全长457.6 km，四川省境内长377.8 km，甘肃省境内长79.8 km。全线隧道32座总长332.438 km，占全线正线长度72.65%，其中极高风险隧道9座、共计153.457 km。线路沿线区域地形地质条件特别复杂，具有地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、汶川地震效应极为显著及高地应力、高地震烈度和高地质灾害风险的特点。即:1条铁路、横穿2个地震区(龙门山、西秦岭地震活动构造区)、通过3个大构造体系(龙门山褶皱断裂带、松潘甘孜褶皱构造带、西秦岭褶皱构造带)、跨越4个地形地貌(成都平原区、岷江白龙江高山峡谷区、松潘高原丘陵区、西秦岭黄土边缘区)。

鉴于成兰线工程地质特别复杂、余震频发、隧道工程比例大，隧道工程穿越多处高地应力引起的大变形、活动断裂带等复杂地段(最大地应力达32 MPa，隧道工程穿越活动断裂带50多处、累计长度达33余km)等特点，为强化复杂地段围岩变形监测管理，实时进行围岩变形监测、预警，降低施工安全风险，建设单位经调研后引进了SAA这种能实时监测预警的先进监测技术。针对隧道大变形、断裂破碎带地段，在柿子园、跃龙门、杨家坪、茂县、榴桐寨、平安隧道共配置了7套SAA，用于隧道监控量测。现以茂县隧道1#斜井采用的长度为24 m、每节标准长度为500 mm的SAA为例，将SAA技术用于成兰铁路隧道监控量测情况介绍如下。

2.1 测点布设

茂县隧道斜井采用全断面开挖，隧道开挖初期支护完成后，布设在隧道初期支护表面。SAA每节之间关节位置作为一个测点(即每个测点间相距标准长度500 mm或350 mm)。如图4所示，以长度为24 m、每节标准长度为500 mm的SAA共有测点49个为例，其中编号为22—28设置为拱顶下沉测点，即22—28各测点的垂直变形量即为拱顶下沉量;编号为1—21，29—49设置为周边收敛测点，即1－49、2－48、3－47……21－29相对应的测点变形量为水平收敛值(拱顶下沉、水平收敛对应测点设置可根据实际需要，自行设置)。

图4 测点布设示意图(49个测点)Fig.4 Layout of monitoring points(49 points)

2.2 监测数据表达

2.2.1 监测数据表达方式

启动SAA自动测量系统前，根据需要设置测量间隔时间，测量间隔时间可设置为30 min的整数倍，成兰线目前自动测量间隔时间6 h，即:间隔6 h自动测量系统测量一次，降低人工监测的频率。监测数据以相对坐标数值方式输出。

2.2.2 变形量计算

SAA设备以建立的收敛、拱顶对应测点取得的初次测试值为基准值进行相对变形计算。获取自动监测数据后，系统软件按照预先设置的拱顶下沉测点和周边收敛测点进行数据分析处理，分别计算出相应测点的拱顶下沉和周边收敛本次变形量、累计变形量及变形速率。

以长度为24 m、每节标准长度为500 mm的SAA共有测点49个为例。V表示测点，坐标空间关系如图3所示。即x表示竖直方向、y表示纵向(隧道收敛可不计纵向变形，即设y恒等零)、z表示横向，实际各测点坐标为二维相对坐标。

1)周边收敛本次变形量ΔDN计算公式(以图4所示周边收敛对应测点V1－1与V1－49为例)。

根据三维坐标系中两点间的距离公式即得第1次监测后V1－1与V1－49的水平距离

同理得，第2次监测后V2－1与V2－49的水平距离为

第N次监测后VN－1与VN－49的水平距离

故可得:第N次监测后，测点V1－1与V1－49周边收敛本次变形量ΔDN计算公式为。

同理，得出其他对应收敛测点的本次变形量。若分析计算单侧变形量ΔDN左或ΔDN右，则利用同一测点的前后坐标直接计算即可。

2)拱顶下沉本次变形量ΔHN计算公式。

计算拱顶下沉量时，通用计算公式同收敛测点的本次变形量计算公式。但通常情况下，隧道工程拱顶下沉量主要取决于竖向变形量，可不考虑纵向和横向变形量(即可视纵向y、横向z恒等于0)，故对照收敛测点的本次变形量公式，可得第N次监测后(以图4所示拱顶下沉测点V25为例)，拱顶下沉本次变形量ΔHN=x(N－1)－25－xN－25。x(N－1)－25－xN－25表示V25测点竖向x坐标值前后变化量。

同理，得出其他拱顶下沉测点的本次变形量。

3)相对应点周边收敛累计变形量ΔD计算公式。

同理，得出其他相对应测点的周边收敛累计变形量。

4)拱顶下沉累计变形量ΔH计算公式。

同理，得出其他拱顶下沉测点的累计变形量。

5)拱顶下沉和相对应点周边收敛的变形速率(mm/d)是通过计算连续24 h累计变形量，即:第1个变形速率为SAA连续工作24 h的累计变形量，以后以此类推计算当期变形速率。

2.2.3 数据上传

1)数据采集方式。SAA监测数据有以下3种采集方式:通过SAAUSB直接连接电脑，采集数据。运用无线调制解调器的单通道数据采集，实现远程实时监测。运用无线调制解调器的多通道数据采集(支持移动信号网络传输)。成兰线采用的是无限调制解调器的单通道数据采集方式，传输通道与洞内视频监控传输通道共用。

2)数据上传。将SAA传输电缆接入视频监控传输通道，通过视频监控通道实现与洞口值班室装有相应控制软件的电脑连接，实现自动测量、数据上传，即:按照设定的间隔时间自动通过向监测设备发送指令获取数据，获取数据后进行分析计算，计算完毕后写入数据库，然后通过因特网向相关单位信息化管理平台自动上传数据。

2.2.4 数据误差及变形曲线

SAA在成兰铁路隧道监控量测中通过以建立的对应测点计算的基准值为基础，通过元器件的微小变化计算净空变化相对值，SAA监测间隔时间短，精度高，数据误差小，数据连续性强，取得了较好效果。图5和图6是在茂县斜井大变形地段XJ1K0+485和XJ1K0+345处获取的收敛曲线。

图5 XJ1K0+470周边收敛曲线Fig.5 Ground convergence at XJ1K0+470

图6 XJ1K0+345周边收敛曲线Fig.6 Ground convergence at XJ1K0+345

2.2.5 自动报警与预警

通过应用软件设置变形速率和累计变形量阀值(阀值按照现行铁路隧道围岩监控量测技术规程规定设置)，系统可自动判断。当变形速率或累计变形量超过设定阀值时，系统自动向相关管理单位信息化管理平台上传预警信息，同步将预警信息发送至预先设定的管理人员手机。由于SAA是自动量测隧道位移变化，能够持续对隧道变形起到预警作用。

2.2.6 测点保护与使用

SAA元器件采用外包高强柔性PVC管进行包裹进行保护，防止爆破飞石破坏，严禁机械设备对其进行碰撞。到变形稳定，进行二次衬砌施作前，接触防水板台架或者施工机械进行SAA监测设备拆除回收，可进行重复使用。

3 结论与体会

通过SAA在成兰铁路部分隧道中应用，体现其优点:1)重复性。SAA可轻便拆卸后进行其他断面的监测，进行重复使用。2)实时性。安装完成启动监测后，系统可最小间隔30 min监测一次，实现高频次、实时监测、预警，及时向管理人员反馈现场监测情况;自动化程度高。3)SAA可以进行数据自动采集、传输和预警，适用于地质复杂地段隧道收敛变形的监测预警。4)抗干扰能力强。不受洞内粉尘及噪声影响;无需占用施工道路，对施工影响小;免维护。在量程范围内只要无外力破坏，可长期免于维护。

SAA存在不足:采购途径单一，费用较高。目前应用于工程的SAA技术是成套引进的国外技术，由加拿大厂家生产、组装、成套组装成型的设备不可拆卸，仅适用于预订固定尺寸的断面监测;售后服务体系不完善。因未成规模使用，未建立系统的售后服务体系，致使售后服务成本相对较高，服务不及时现象时有发生。

从目前应用来看，SAA技术可作为隧道工程复杂地质及高风险地段围岩监控量测的重要手段，但在后续的铁路隧道应用中，应进一步在误差、应用场所等方面进行深化研究，为实现隧道工程围岩监控量测自动、实时及预警信息化管理，防范隧道工程施工安全风险起到积极作用。

在进一步深化应用的基础上，实现SAA设备国产化显得尤为紧迫，降低其使用成本，才能使其大范围推广应用成为可能，并优化每个基本单元温度传感器和动态模块之间的关联性，提高现场安装效率，并结合现代信息技术形成一套系统的测量体系，可实现隧道监控量测技术的重大突破。

［1］ TB 10121—2007铁路隧道监控量测技术规程［S］.北京:中国铁道出版社，2007.(TB 10121—2007 Codes for railway tunnel monitoring technologies［S］.Beijing:China Railway Publishing House，2007.(in Chinese))

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