隧道自动化变形监测技术的应用研究

隧道自动化变形监测技术的应用研究

张少波

湖南核工业岩土工程勘察设计研究院 湖南省 长沙市 410000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，在引水隧洞施工过程中，变形监测技术发挥着十分重要的作用，对于引水隧洞施工不仅仅应该重视其过程运行期间的检测，也应该重视对于其变形情况的检测，加强监测的频率及科学性。隧洞施工中进行变形监测的主要目的就是监测永久性建筑以及临时性建筑的施工安全。隧洞施工中进行临时性检测的主要目的就是为突发变形的状况提出相应的对策，进行具体的施工中岩石结构围岩完整性太差，在初期支护后可能会受到放炮的震动而出现变形的状况，或在初期支护后，渗水量大局部支护出现变形等问题，想要保证整个工程的安全性，就应该注意为隧洞的变化情况提供更加准确的信息。与此同时，应该加强对于施工过程中的监督工作，保证各个施工环节的整体工作质量以及水平，这样才能够提升整体工程的水平，避免在施工之后的一段时间内再出现返工的现象[1]。

关键词：隧洞施工；变形监测技术；科学性

引言

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。引出监测的必要性，然后通过将隧道自动化监测系统与传统监测技术相比较，突出自动化变形监测的优点，并介绍几种自动化监测仪器的变形监测原理。同时还对自动化监测系统数据的获取、处理和客户对接端的程序过程进行简要阐述，为后续隧道自动化监测项目的仪器选择和平台搭建提供可行性依据[2]。

1隧道变形的主要影响因素

1.1 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。

1.2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。

2自动化监测系统的构成

2.1观测要求及监测精度

1)采用徕卡TM50智能型全站仪，该全站仪具有自动目标识别和精确瞄准的功能，而且具有小视场模式，尤其适用于地铁隧道狭长工程。全站仪外接数据传输模块(DTU)，接受DTU的指令调度进行数据采集，通过4G/5G网络将数据实时发送到服务器。2)每次测量应采集控制点和监测点的数据，以控制点坐标为基准对全站仪进行后方交会，计算出全站仪的三维坐标值，以此来推算各监测点的三维坐标。3)变形分析前应首先设置初值，全站仪在经过一段时间观测后，选择前面几期较为稳定的数值取平均后作为初值，后续测量以该初值为基准进行变形分析。平面控制点要定期与附近的控制基标进行连测，当控制点发生位移时，在进行位移监测时应把控制点的位移累加进去，作为最终的位移值。

2.2量测内容

为了准确掌握隧道围岩和支护结构的变形情况，在施工过程中布置测点开展监控量测工作，根据变形情况对设计参数进行修正。结合隧道变形和现场监测条件，本项目施工中只对必测项目进行量测，包括洞内外观察、周边位移、拱顶下沉和洞口地表沉降观测。施工过程中按照要求布置测点，并按照相应的监测频率开展监控量测工作。施工过程中如发现围岩或支护结构变形速度加快，应适当增加量测次数。

2.3隧洞工程施工过程中的变形监测

想要进行有效地监测相关的施工人员应注意有效地使用控制点，以便于确定拱顶的下沉监测点以及收敛的监测点，但是在实际的工作中由于隧洞自身的条件限制，进行隧洞的挖掘工作时一般是采取波浪式的逐渐推进，并且向前延伸导线。相关技术人员应该注意在隧洞完工之前，导线一般是不能闭合或者是附合，因此在现实中往往会导致了导线控制网布设主要使用的是复测支导线的形式。依据相应的标准应该做到周周都对支导线进行复测以及延伸，以便于根据监测断面附近分布的监测点选择工作的基点和水准基点。施工期间应该注意在一些岩石稳定以及有利于测量的地方设置洞里的相关监测点，并且注意将爆破的影响区尽可能地避开，这时应该使用特质的设施作为洞内的检测以及基准点，细心者不难发现，隧洞的建设一般其上部都是采用较高的拱顶，所以对于棱镜的放置进行测量的过程十分不方便，所以监测点应该提前在岩石上打进相应的锚杆翻，将钢板与锚杆的一段进行连接，这样一来将会很大程度上方便整体的检测效果。为了方便水准仪的作业以及钢尺的悬挂，可以提前在锚杆的端部设计吊钩，并且分别设置成不同的标志以便于进行区分。在这个过程中想要使得横纵向的不同位置更好地反映，就应该尽可能地将多个监测断面布置在隧洞的横向。

2.4做好对变形数据的处理工作

在检测的过程中，施工人员应该注意在进行拱顶下沉的检测点以及收敛监测点的基准点布设时应该尽量地利用控制点，但是实际的施工中由于隧道所处环境比较恶劣，所以进行具体的开挖时候应该是一步步向前，导线也是这样逐步地延伸。变形监测的工作结束时应该注意尽快地对相关的数据进行处理，在这个过程中注意使用最新的变形监测软件，其整体的变形值一般是在隧道进行来挖的初期，整体的变化曲线比较明显，曲线随着时间的推移会逐渐地区域缓和最后直至稳定。这个过程中施工人员应该注意在观测的初期，对于整体的数据处理越及时其整体的效果就会越好，在变形观测的结束之后应该编写变形观测工作的报告，其内容可以是：（1）使用的方法以及进行具体测量的时间等；（2）基准点以及监测点的示意；（3）竖井的竖向以及位移量的图表；（4）对于变形监测的分析建议。最后就是得出其最终的结果以及提出相应的建议。

结语

随着城市建设的快速发展，城市土地资源日渐紧张，在已运营的地铁隧道上方进行新建工程施工的情况已难以避免，如果处理不当则可能造成下卧地铁盾构隧道管片开裂、渗漏或局部被破坏，甚至会造成地铁轨道纵向扭曲变形，影响邻近隧道的结构安全与地铁列车的正常运行。因此，如何预判和控制基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的影响已成为工程中的重要问题。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[3-4]。

参考文献:

［1］张玉．地铁隧道施工过程中施工风险与控制分析［J］．湖南城市学院报，2016，25(2):53-54．

［2］张笑星．地铁隧道结构变形和地铁运营安全自动监测的研究和应用［A］．中国土木工程学会第十三届年会暨隧道及地下工程分会第十五届年会会议论文集［C］．2018:198-204．

［3］刘哲强．测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用［D］．西安:西安科技大学，2020:1-91．

［4］党永超．西安地铁隧道自动化监测技术与变形数据的分析研究［D］．西安:长安大学，2018:1-71．