隧道自动化变形监测技术的应用研究

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1 隧道变形的主要影响因素

隧道工程的开挖破坏了岩体内部已达到的相对平衡状态，使应力场发生重分布，岩体重新达到力学平衡状态势必会产生一定量的形变，而隧道属于被动受力结构，其受破坏的很大原因是结构体周边岩体或土质发生较大的相对位移。现在将主要影响因素归类如下。

1.1 下卧土层分布不均匀

类似于地基基础，下卧土层随自然状态变化而造成分布不均匀的问题，最易导致隧道侧偏等不均匀沉降。各土层的力学性质和形变参数不同，会导致土层的分层和过渡不均等现象，直接影响是沉降速率与沉降时间的不同，最终导致隧道整体稳定性的破坏。

1.2 地表荷载与沉降的影响

一般情况下，隧道处于地层的中间或下部位置，上部地表荷载和沉降的变化直接影响了隧道的受力变化。隧道上部地层中建筑的新改扩拆等建筑行为会造成附加应力的变化，又由于附加应力的扩散效果，隧道中上部结构必然也会产生应力应变的重分布等情况。另外，土体整体的沉降，隧道整体标高的不均匀变化也将导致隧道整体纵向形变不均匀，裂缝极易产生并发展。

1.3 隧道内部行车的影响

隧道所受土层的影响主要为静力荷载，而隧道内部行车影响是主要的动荷载来源。行车量或单车重量的不同虽然对隧道整体影响较小，但加上时间的累加效果，在长期周期循环作用下，构件的疲劳破坏影响效果也将逐步增大。综上所述，隧道变形监测的重要性不言而喻。

2 自动化监测系统的特点

隧道监测方法以简易人工观测法为主，也有近些年兴起的近景摄影测量法等其他技术。但以上方法均存在不同程度的缺点，会降低监测数据的真实可靠性。简易人工观测法虽能直接获取一手数据，但因人工投入量大及工作效率的问题，滞后性太强；而近景摄影测量法利用高清摄像机在相同的基准点对同一个监测点拍照，来对比前后两个时间点的监测点的形变，获得相应位移参数，但受制于相机的清晰度和拍摄的周边环境因素，导致精度无法得到保证。通过总结传统监测技术的优缺点，取长补短，自动化监测技术得到了大力推广及应用。相较于传统的隧道监测技术，自动化监测系统最大限度地减少了人工干预，消除了随机误差并降低了劳动力成本。

2.1 自动化程度较高

自动化监测体系仅在设备安装前期需要人工干预，后期数据的采集、处理及分析均可实现系统自动处理。在制订好监测计划并将相应程序编入监测系统后，监测仪器便可按照既定的安排严格执行监测任务，同时可根据周边监测环境的变化及相应测区安全性的高低自动调整监测频率，并将采集到的数据自动传输到后台系统进行整合分析及处理，最大限度地保证了原始数据的真实可靠[1]。

2.2 稳定的数据传输及存储

考虑到隧道的特殊性，传统人工监测无法做到监测的实时性，同时由于隧道内部的信号屏蔽效果严重，即使发现异常也无法保证将信息立即传达到外界。自动化监测系统能实现数据的实时采集，并通过远程传输技术把信息传后台控制中心进行存储和处理分析。监测人员仅需在控制中心就可以对数据进行实时查询和调用，实时掌握一手资料，面对突发险情时有足够的应对时间。

2.3 异常数据的辨别与剔除

考虑到现场可控或不可控的因素，部分监测点可能会被遮挡、发生错位或损坏，势必造成监测数据的缺失或错误。自动化监测体系能够自动对异常数据进行筛分和分析，对异常点进行重复观测，并将错误类数据剔除。非错误类的异常点会被及时发送到监测平台，供监测人员进一步分析处理，在保证监测精度的同时，反映现场的真实情况。

3 自动化监测系统的构成及特点

3.1 数据采集

隧道内自动化监测的数据采集主要分为两大类：沉降类和位移类。其中，沉降类涉及的仪器主要有静力水准仪、倾斜测量仪和光纤测量仪等；位移类涉及的仪器主要有裂缝计、变位计等[2]。静力水准仪利用连通器原理，保证每个测点液面处在同一标高。当发生沉降时，通过安装在监测点的电容传感器内的电容变化换算出液面的相对高程变化，再与基点比较得出各监测点的沉降量。隧道裂缝的大小与多少对隧道整体的稳定性有直接的影响，裂缝计可以用来对隧道侧壁裂缝的发展情况进行监测。对振弦式裂缝计而言，其主要组成结构包括振弦式感应元件、弹簧及传递杆等。将裂缝计的两个螺栓分别固定于裂缝两侧，让裂缝计与裂缝保持同步发展。当裂缝发展时，传递杆随之拉紧，根据不同程度下传递杆频率的变化，找出对应的形变量，换算出裂缝的发展程度。裂缝计工作原理如图1所示。

图1 裂缝计工作原理图

隧道横断面的变化可以判断隧道整体受力变形趋势，在需要监测的断面用膨胀螺栓或强力胶固定安装棱镜，自动全站仪机器人按一定的频率自动找点测读，将数据整合得到每个断面的变形量。通过后台处理程序，将各个断面按照顺序线性连接，得到整个隧道的期间变形量。后期通过可视化表格的处理，直观得到隧道变形趋势图。

3.2 数据通信与处理

监测数据的自动传输与处理是自动化监测系统最大的优势，仪器在收集完监测数据后，通过特定的传输方式，将数据传输回后台系统。系统先对多源监测数据进行分类处理，然后依据规范要求对各类监测数据进行置信度检验，将测量误差大的异常监测数据剔除，保留参与计算处理的具有可靠性的监测数据。其中，数据远程传输方式一般有以下两种情形。

（1）无线传输：将监测区域各监测的数据传递给串口服务器，然后通过无线网桥的方式传递给控制中心，控制中心处有一无线网桥接收点，组成星型无线网桥连接方式，将数据传给服务器。无线网桥建设的优点是建设费用为一次性投入，数据传输稳定，抗干扰能力强。（2）有线传输：监测仪器先通过光缆传输到监测场地周边的接收机，然后通过串口或者转换为网络信号，通过网口传输到中央数据服务器并进行解算，从而达到实时监测的目的。这种方法线路的铺设费用及电力持续性要求较高，数据稳定可靠。

3.3 客户端

中央数据服务器在收集现场仪器传输的数据并筛选分析后，需要通过客户端将信息传递给用户。常见的客户端模式有客户机/服务器模式（Client/Server模式，简称C/S模式）和浏览器/服务器模式（Browser/Server模式，简称B/S模式）[3]。

（1）客户机/服务器模式（C/S模式）是基于内部网络的应用系统，与B/S模式相比，其最大的优点是不依赖外网的环境，无论能否上网，都不影响应用。这种模式能够充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理之后再提交给服务器，对应的优点就是客户端响应速度快。应用程序与服务器的分离，使系统具有稳定性和灵活性，适合局域网，且安全性高。C/S模式的缺点是只适用于局域网。随着互联网的飞速发展，移动办公和分布式办公越来越普及，远程访问需要专门的技术，还要对系统进行专门的设计来处理分布式的数据。同时客户端需要安装专门的客户端软件，类似在手机上安装App，涉及的安装工作量较大。其次，任何一台电脑出现问题，如出现病毒、硬件损坏，都需要进行安转和维护，如果软件需要升级，每台客户机都需要重新安装，维护和升级成本非常高。（2）浏览器/服务器模式（B/S模式）对C/S模式进行了扩展，用户界面是通过浏览器实现的，B/S是基于应用层http协议的web，建立在广域网上。其最大优点是运行维护比较简单，能实现不同人员在不同地点以不同的接入方式访问和操作共同的数据，每次维护或者升级只要对服务器进行操作即可，客户端不需要修改；其次是开放性好（用户可通过通用浏览器访问），可扩展性好（由于web平台的无关性，B/S可以任意扩展）；最后是用户使用方便，用户接触的浏览器界面相似，共通性较好。由于B/S模式与外界网络的连通性较好，势必对安全性的可控度较弱，且服务器的一对多模式造成需要较大的运行内存。当同一时间段内接入的用户数量过多时，网页响应速度急剧下降，甚至会出现系统崩溃的情形，故而用户体验不是特别好。

4 结束语

随着信息行业和建筑行业的持续发展，跨专业的技术融合已成为常态，故而对隧道变形监测的方法也在不断改进完善，传统的仪器监测已不能满足对隧道监测实时高效的要求。通过对隧道自动化监测技术的研究与改进，准确及时地获取变形情况，能够显著提升隧道的安全性，最大程度上降低风险，从而保障人身及财产安全。