隧道运营期间结构安全的自动化监测

邹朝

【摘 要】随着自动化控制技术、振弦传感器技术、激光测距技术、水流量实时测量技术以及无线传输技术的普及，现在，很多工程施工期间和使用期间的结构安全的实时测量，可以通过远程自动控制实现。目前，隧道建成后，都没有进行运营期间的结构安全实时监测，都是定期采用人工测量的方法检测隧道是否安全。本文提出一种采用自动化实时监测的办法，获取完整的隧道结构变化数据。

【关键词】隧道安全 激光测距 振弦系统 裂缝传感器 无线传输 摄像头 水流量计

1结构安全监测传感器的工作原理

隧道结构安全的测量需要用到激光传感器，应变传感器，裂缝传感器，摄像头和水流量计。

1.1激光测距传感器

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。在隧道壁一侧，安装4个激光测距仪，分别测量拱顶、拱腰、路面中心、供水管处到激光测距仪安装位置的距离，这些距离代表拱顶沉降、拱腰收敛、路面中心沉降、供水管处路面沉降的变化幅度（见图1）。

1.2 应变传感器

一般隧道周围地质条件复杂、围岩变化频繁、地下水丰富，隧道二衬水泥墙在外界压力作用下会发生变形，当变形达到一定程度时，水泥墙壁会出现裂缝，裂缝变大后甚至会塌方。应变计可以监测到细微的应变变化，根据采集到的长期应变数据，可以提前做出应力分析，提出预警。应变计均匀贴在隧道环形拱壁上（图2中A，B，C，D，E位置，共5个应变计），对整个拱壁所受应力实时监测。应变计一般采用振弦式结构，当被测结构物内部的应力发生变化时，应变计同步感受变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内部的应变量。应变计数据通过无线传输至监控室。

1.3 裂缝传感器

隧道二衬裂缝的类型大致分为干缩裂缝、温度裂缝、荷载变形裂缝和施工缝。本文以隧道衬砌作为受力实体，着重从其所受的水平应力（主要是由于干缩和热胀冷缩引起的温度应力）、衬砌的不均匀沉降、拱部不均匀受力（马鞍形受力）等3 个方面进行分析和监测。 振弦式测缝计用于水利水电、工业与民用建筑等结构上混凝土、岩石等结构的边界缝开合度的长期监测，也可埋设在混凝土内长期监测建筑物的裂缝变化。裂缝计数据实时传输到采集模块，处理好后传输至监控室。

1.4 水流量计

在地下水丰富的隧道，隧道受压很大，危害也较大。隧道内路面两边的排水沟，能及时排出涌入隧道内的地下水，对隧道内排出水量进行监测，可以了解隧道的渗水情况。并及时采取措施。隧道一般都是隧道内路面要高，两端隧道口路面要低，隧道内的渗水能全部排出到洞口。明渠水流量计安装在隧道两端的排水渠出口处，就可以监测隧道内总的出水量。明渠水流量计的工作原理是：

（1）直角三角堰和矩形堰水流量计，安装简单，适用于排水渠已经修好，不便于再次施工的地方。直接用环氧树脂成型做成三角形出水口或矩形出水口挡板，安装在水渠出口处，并形成一定坡度，让水自由流动。（2）巴歇尔槽水流量计，适用于排水渠可以再次施工安装仪器设备的地方，巴歇尔槽属于专业定制槽，采用环氧树脂成型，防水极好，槽型经过计算设计，测量精度较高。安装好挡板或槽后，在挡板后面或槽的上方，安装超声波液位计，测出水位后，根据相应的水位和水流量对应曲线，算出实时水流量。最后通过无线传输至监控室。

2隧道内无线数据传输系统的布设

隧道内各个监测断面采集到的数据，首先传输到每个断面处安装的综合数据采集箱。在采集箱的顶部装有无线路由器，路由器通过有线方式连接传感器数据模块，通过无线方式连接到附近的无线终端。相邻监测断面的无线路由，连接到同一个无线终端，断面范围一般不超过1.5公里，多个监测断面形成多个无线终端，这些无线终端再通过大功率网桥互联，直到连接到洞口的无线终端，洞口的无线终端直接和洞口附近隧道管理处办公大楼顶部的无线终端连接。办公大楼顶部的无线终端通过有线方式连接到隧道监控室的电脑主机，电脑主机安装有自动数据采集软件，定时自动发送命令采集各个断面数据。

3 结语

综上分析，多种数据传感器在隧道运营期间结构安全监测上的应用，使得隧道远程自动实时监测有了很大进步，缩短了测量时间，节约了人力、物力、财力。激光测距的1毫米精度，已能满足工程测量上的需要。在现在的结构安全测量中，基本上都采用人工法测量，此方法费工费时，要封闭隧道，影响交通，且人为误差较大。自动化监测的应用已初现端倪，随着激光测距精度的提高和传感器技术的发展，隧道结构安全远程自主监测必将全面应用。

参考文献：

[1] 焦明星 等编著.激光传感与测量.科学出版社.

[2] 傅鹤林 等著.大跨隧道施工力学行为及村砌裂缝产生机理.科学出版社.

[3] 孙钧.隧道结构设计关键技术研究与应用.人民交通出版社.

[4] 李术才.隧道及地下工程突涌水机理与治理.人民交通出版社.