隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測2013.05.23韓宗彪學(xué)號(hào):201221080220寧鵬學(xué)號(hào):20122108022112021一，研究的目的二，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢三，隧道監(jiān)測的項(xiàng)目及所選儀器介紹四，超聲波測距技術(shù)22021一研究目的隧道在運(yùn)營過程中，由于受到材料退化、地震、人為因素等影響會(huì)發(fā)生隧道主體結(jié)構(gòu)的損壞和劣化。若不及時(shí)檢測和維修，將會(huì)導(dǎo)致很大的破壞和坍塌，帶來的損失也是非常巨大的。所以對(duì)運(yùn)營期隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)高效地保證隧道主體結(jié)構(gòu)的安全是必要的。32021二國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外主要隧道變形監(jiān)測方法隧道監(jiān)測的發(fā)展趨勢42021

國內(nèi)外的一些專家在隧道的監(jiān)測方面做了大量的工作,為隧道的監(jiān)測提供了很好的借鑒和參考。

在國外,荷蘭于2000年對(duì)Botlek鐵路隧道施工過程進(jìn)行了土木襯砌結(jié)構(gòu)特性以及隧道動(dòng)力現(xiàn)狀等方面的監(jiān)測,并將隧道施工過程大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)用于指導(dǎo)施工。

韓國在高速鐵路(HSR)隧道安裝了健康監(jiān)測系統(tǒng),對(duì)內(nèi)部襯砌形變、噴射混凝土應(yīng)力、地下水水位以及其它問題進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測或周期性監(jiān)測國內(nèi)外研究現(xiàn)狀52021

瑞士AembeMeasuringTechnique公司研制了一套全自動(dòng)隧道斷面收斂及投射系統(tǒng)TMS。它是由LeicaTPS激光全測站儀加上伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)定位裝置,再配合即時(shí)收斂及投射軟件組成.

在國內(nèi),王秀美、曾卓喬于2001年開發(fā)了一種用于監(jiān)測運(yùn)營期間對(duì)周邊位移進(jìn)行監(jiān)測的新技術(shù)。LeeJ.S.于2004年利用健康監(jiān)測系統(tǒng)采集的隧道變形數(shù)據(jù),通過一種新的系統(tǒng)識(shí)別方法來判斷隧道的損傷和損傷部位。62021

黃騰、張書豐于2004年結(jié)合南京地鐵一號(hào)線隧道下穿公路隧道的具體工程實(shí)踐,探討了兩種不同類型隧道的監(jiān)測技術(shù),分析了隧道穿越公路隧道過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律,用于工程實(shí)踐,保證了隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全。72021國內(nèi)外主要隧道變形監(jiān)測方法接觸測量非接觸測量82021變形監(jiān)測，就是利用測量與專用儀器和方法監(jiān)測變形體的形狀、大小及位置變化的空間狀態(tài)和時(shí)間特征。測量方法主要可分為接觸式測量和非接觸式測量兩種。接觸測量接觸式測量需人工安裝傾斜儀在隧道內(nèi)壁的不同位置來獲得傾斜角和變化，如收斂尺、巴賽特收斂系統(tǒng)等監(jiān)測方法。92021特點(diǎn)：此類方法能夠直接量測隧道特定位置、區(qū)段的形變，但人力、財(cái)力成本極高，監(jiān)測周期較長，在效率和資源利用等方面都不再符合當(dāng)今地鐵隧道監(jiān)測的實(shí)際應(yīng)用要求和發(fā)展需求，因此對(duì)此類方法的研究在近幾年已經(jīng)趨于停滯。102021非接觸測量基于激光測距技術(shù)的監(jiān)測基于圖像傳感技術(shù)的監(jiān)測基于光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測112021應(yīng)用：目前所采用的非接觸測量的方法多數(shù)基于激光測距技術(shù)。其中三維激光掃描儀無需設(shè)置反射棱鏡、無接觸測量，能高密度、高分辨率獲取掃描物體的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)環(huán)境光線、溫度都要求較低，因此三維激光掃描作為隧道變形監(jiān)測的新方法是比較理想的。局限：但是由于價(jià)格特別昂貴，只能用于特定重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測，無法普遍用于所以隧道。基于激光測距技術(shù)的監(jiān)測122021基于圖像傳感技術(shù)的監(jiān)測原理：數(shù)字圖像處理技術(shù)也在地鐵隧道變形監(jiān)測中有所應(yīng)用，即通過對(duì)隧道內(nèi)定點(diǎn)放置的目標(biāo)光源進(jìn)行拍攝所得圖像進(jìn)行預(yù)處理，再對(duì)目標(biāo)光源輪廓進(jìn)行提取，然后通過圖像二值化提取邊界，最后通過計(jì)算目標(biāo)光源圓心的位置變化得出地鐵隧道縱向的變形量。132021應(yīng)用：周奇才等人在2009年提出利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)地鐵隧道變形進(jìn)行監(jiān)測的方案，通過對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行平滑、銳化、腐蝕、膨脹、去噪等預(yù)處理，進(jìn)而計(jì)算光源位置變化并得出地鐵隧道縱向的變形量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在地鐵隧道變形檢測系統(tǒng)中得到的隧道變形量比較精確、可靠。局限：由于運(yùn)營地鐵隧道內(nèi)環(huán)境惡劣,情況復(fù)雜,因此對(duì)目標(biāo)光源的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的分析、識(shí)別以及目標(biāo)光源圓心位置的計(jì)算是十分困難的。142021系統(tǒng)示意圖圖像傳感器位移測量152021基于光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測應(yīng)用：近年來，一些新式傳感技術(shù)在隧道監(jiān)測領(lǐng)域得到發(fā)展，尤其是光纖傳感技術(shù)引起人們關(guān)注。美國、德國、英國等都在致力于該技術(shù)的研究，國內(nèi)對(duì)其研究相對(duì)較晚。局限：由于光纖非常脆弱,巖土工程變形復(fù)雜，因此傳感光纖的合理布設(shè)是檢測成功與否的關(guān)鍵；另外，光纖目前的分辨率只能達(dá)到1m，這對(duì)實(shí)際工程來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.鑒于以上種種原因，采用光纖技術(shù)進(jìn)行健康監(jiān)測尚未在實(shí)際大型土木工程中得到推廣應(yīng)用。162021FBG應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)圖172021隧道監(jiān)測的發(fā)展趨勢針對(duì)目前隧道監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)采用高精度、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、可操作性強(qiáng)的測量儀器和自動(dòng)化的隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)；(2)研究出實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高的數(shù)據(jù)處理方法，以提高預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度；(3)充分利用信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)．開發(fā)出功能完備、安全性高、實(shí)用性強(qiáng)、可視化程度高、可維護(hù)性好、可移植性強(qiáng)等的隧道監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，包括3維可視化平臺(tái)和虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái).182021三，隧道監(jiān)測的項(xiàng)目及所選儀器介紹監(jiān)測項(xiàng)目介紹監(jiān)測所用儀器介紹192021監(jiān)測項(xiàng)目圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測裂紋監(jiān)測初襯鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測錨桿軸力監(jiān)測202021一、圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測

圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測，是通過位移計(jì)量測圍巖不同深度的軸向位移，據(jù)此分析判斷隧道圍巖位移的變化范圍和松弛范圍，預(yù)測圍巖穩(wěn)定性，為修改錨桿支護(hù)參數(shù)提供依據(jù)。該檢測項(xiàng)目所用傳感器為位移傳感器。根據(jù)地質(zhì)條件，量測斷而應(yīng)選在典型構(gòu)造地段及埋深較大或較淺地段，一般每隔100m設(shè)置一個(gè)斷而，斷層帶每隔50m設(shè)置一個(gè)斷而，其余地段斷而間距可適當(dāng)加大，但須保證沿每類圍巖至少有一個(gè)斷而，測點(diǎn)布設(shè)情況見圖1。212021圖1圍巖內(nèi)部位移測點(diǎn)分布示意圖222021二、裂紋監(jiān)測裂紋監(jiān)測，是對(duì)裂紋監(jiān)測，是對(duì)隧道裂紋的發(fā)展變化進(jìn)行觀測。根據(jù)隧道裂紋調(diào)查資料，結(jié)合隧道實(shí)際情況，在隧道布置合適數(shù)量的裂紋計(jì)對(duì)有發(fā)展跡象的裂紋進(jìn)行監(jiān)測。232021三、初襯鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測初襯鋼拱架作為隧道主要的承重結(jié)構(gòu)，測量其應(yīng)變，可以掌握隧道圍巖的穩(wěn)定性。一般每10榀鋼拱架設(shè)一斷而，每根鋼拱架沿水平中性軸位置左右對(duì)稱安裝2個(gè)鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)，如圖2所示。圖2初襯鋼拱架應(yīng)變測點(diǎn)布設(shè)示意圖242021四、二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測二襯鋼筋鋪設(shè)完畢未澆注混凝土前截?cái)啻郎y位置的鋼筋，將傳感器串聯(lián)在鋼筋上，作相關(guān)防護(hù)并將線路引出即可。或者也可以選用壓力盒。將壓力盒埋設(shè)在一次襯砌和二次襯砌之間，對(duì)其結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行檢測。結(jié)合地質(zhì)條件，在代表性地段設(shè)斷面，測點(diǎn)布設(shè)如圖3所示。圖3二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)示意圖252021五、錨桿軸力監(jiān)測根據(jù)隧道設(shè)計(jì)和地質(zhì)情況，一般每10m布置1個(gè)斷面，每個(gè)斷面至少布設(shè)3根錨桿，如圖4所示。在安設(shè)錨桿前將錨桿截?cái)啵瑢⑤S力計(jì)串聯(lián)焊接在距離錨桿孔口0.5~1.0m處，用砂漿錨固裝有軸力計(jì)的錨桿。圖4錨桿軸力測點(diǎn)布設(shè)示意圖262021監(jiān)測所用所用儀器位移計(jì)裂縫計(jì)振弦式表面應(yīng)變計(jì)鋼弦式壓力盒錨桿軸力計(jì)272021目前隧道運(yùn)營監(jiān)測中采用的傳感器系統(tǒng)有：差動(dòng)電阻式傳感器系統(tǒng)、振弦式傳感器系統(tǒng)及光纖光柵傳感器系統(tǒng)。其中振弦式傳感器屬于非電量測量，基本不受接引線長度影響，信號(hào)傳輸距離可達(dá)一公里，經(jīng)特殊處理，信號(hào)可傳輸數(shù)公里。并且其結(jié)構(gòu)簡單，長期穩(wěn)定性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。擬采用振弦式傳感器系統(tǒng)作為隧道運(yùn)營期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要使用傳感器。監(jiān)測所用所用儀器2820213.1位移計(jì)在圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測中使用的傳感器是位移計(jì)。位移計(jì)適用于長期埋設(shè)在水工結(jié)構(gòu)物或土壩、土堤、邊坡、隧道等結(jié)構(gòu)物內(nèi)，測量結(jié)構(gòu)物深層多部位的位移、沉降、應(yīng)變、滑移等，并可同步測量埋設(shè)點(diǎn)的溫度。292021振弦式位移計(jì)工作原理：當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生位移變形時(shí)將會(huì)通過多點(diǎn)位移計(jì)的錨頭帶動(dòng)測桿，測桿再拉動(dòng)位移計(jì)的拉桿產(chǎn)生位移變形。位移計(jì)拉桿的位移變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物的變形量。振弦式多點(diǎn)位移計(jì)可同步測量埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。302021

序號(hào)公司功能儀器型號(hào)單位單價(jià)1南京葛南實(shí)業(yè)有限公司位移計(jì)（智能）VWD-20支15002南京葛南實(shí)業(yè)有限公司位移計(jì)（智能）VWD-50支18003南京葛南實(shí)業(yè)有限公司位移計(jì)（智能）VWD-100支21004南京葛南實(shí)業(yè)有限公司2向位移計(jì)VWD-50組36005南京葛南實(shí)業(yè)有限公司3向位移計(jì)VWD-50組54006金壇市華城凱盛土木工程材料廠位移計(jì)DCE0530支800表1振弦式位移計(jì)型號(hào)及價(jià)格3120213.2裂縫計(jì)裂縫監(jiān)測中使用到裂縫計(jì)。裂縫計(jì)適用于長期布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)物或者其他材料內(nèi)及表面上，測量結(jié)構(gòu)伸縮或周邊縫的開合度（或變形）。裂縫計(jì)可以選用振弦式裂縫計(jì)。以某型號(hào)振弦式裂縫計(jì)為例介紹其組成及工作原理。322021裂縫計(jì)工作原理：當(dāng)結(jié)構(gòu)物伸縮縫或裂縫的開合度（變形）發(fā)生變化時(shí)，會(huì)使位移計(jì)左、右安裝座產(chǎn)生相對(duì)位移，該位移傳遞給振弦，使振弦受到應(yīng)力變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激撥振弦并測量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，再經(jīng)換算即可得到被測結(jié)構(gòu)物伸縮縫或裂縫相對(duì)位移的變化量。

332021序號(hào)公司功能型號(hào)單位單價(jià)1南京葛南實(shí)業(yè)有限公司裂縫計(jì)VWD-20J支15002南京葛南實(shí)業(yè)有限公司測縫針VWD-20J支15003南京葛南實(shí)業(yè)有限公司2向測縫針VWD-50J組36004南京葛南實(shí)業(yè)有限公司3向測縫針VWD-50J組54005北京卓川電子科技有限公司表面裂縫計(jì)GK-4420臺(tái)1000表2振弦式位移計(jì)型號(hào)及價(jià)格3420213.3振弦式表面應(yīng)變計(jì)初襯鋼拱架應(yīng)變監(jiān)測中用到鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)。表面應(yīng)變計(jì)適用于長期安裝在水工建筑物或其他混凝土結(jié)構(gòu)物（如梁、柱、襯砌）表面，測量埋設(shè)點(diǎn)的線性變形（應(yīng)變）與應(yīng)力，同時(shí)可兼測埋設(shè)點(diǎn)的溫度。352021鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)工作原理：當(dāng)結(jié)構(gòu)物受力或因溫度變化發(fā)生線性伸縮變形時(shí)，與結(jié)構(gòu)物剛性固連的應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生同步變形，通過前、后端座傳遞給振弦使其產(chǎn)生應(yīng)力變化，從而改變振弦的固有振動(dòng)頻率。激勵(lì)與信號(hào)拾取裝置激勵(lì)振弦使其發(fā)生諧振，同時(shí)拾取其振動(dòng)頻率信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物的線性改變量，此改變量與儀器標(biāo)稱長度的比值即為應(yīng)變量。

362021序號(hào)公司功能型號(hào)單位單價(jià)1南京葛南實(shí)業(yè)有限公司應(yīng)變計(jì)（智能）VWS-10支5502南京葛南實(shí)業(yè)有限公司鋼板應(yīng)變計(jì)VWS-10B套6303南京葛南實(shí)業(yè)有限公司表面應(yīng)變計(jì)VWS-10F套6304北京卓川電子科技有限公司表面應(yīng)變計(jì)SS.49-4000/GK-4000支1000表3鋼弦式表面應(yīng)變計(jì)型號(hào)及價(jià)格3720213.4鋼弦式壓力盒二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測中使用的傳感器是鋼弦式壓力盒。壓力盒應(yīng)用于巖土工程中進(jìn)行介質(zhì)內(nèi)應(yīng)力測量，如圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間、噴射混凝土于現(xiàn)澆混凝土之間的接觸應(yīng)力監(jiān)測。壓力盒種類有鋼弦式壓力盒、油腔壓力盒等類型，常用鋼弦式壓力盒。382021鋼弦式壓力盒工作原理當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物土應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，土壓力計(jì)感應(yīng)板同步感受應(yīng)力的變化，感應(yīng)板將會(huì)產(chǎn)生變形，變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物的壓應(yīng)力值。

392021序號(hào)公司功能型號(hào)單位單價(jià)1南京葛南實(shí)業(yè)有限公司土壓力計(jì)VWE系列支7002北京卓川電子科技有限公司土壓力計(jì)SS.55-BF-E支1000表4鋼弦式土壓力計(jì)型號(hào)及價(jià)格4020213.5錨桿軸力計(jì)

振弦式軸力計(jì)，又稱反力計(jì)，是一種振弦式載重傳感器，具有分辨力高、抗干擾性能強(qiáng)，對(duì)集中載荷反應(yīng)靈敏、測值可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，能長期測量基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)的反力，對(duì)鋼支撐軸力及靜壓樁實(shí)驗(yàn)時(shí)的載荷。若加裝溫度傳感器可同步測量安裝點(diǎn)的溫度。412021錨桿軸力計(jì)工作原理當(dāng)被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的鋼筋發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，鋼筋計(jì)將受到拉伸或壓縮，鋼套同步產(chǎn)生變形，變形使鋼筋計(jì)感受拉伸或壓縮的變形，變形傳遞給振弦轉(zhuǎn)變成振弦應(yīng)力的變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率。電磁線圈激振振弦并測量其振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置，即可測出被測結(jié)構(gòu)物內(nèi)鋼筋所受的應(yīng)力。錨桿軸力計(jì)型號(hào)及價(jià)格如表5所示。422021序號(hào)公司功能型號(hào)單位單價(jià)1南京葛南實(shí)業(yè)有限公司錨桿應(yīng)力計(jì)VWR系列支6502南京葛南實(shí)業(yè)有限公司錨索測力計(jì)VWA系列臺(tái)32003北京卓川電子科技有限公司鋼筋計(jì)SS.49-BGK.4911支850表5錨桿軸力計(jì)型號(hào)及價(jià)格432021隧道的圍巖收斂和拱頂下沉是隧道期運(yùn)營健康監(jiān)測的重要項(xiàng)目。目前實(shí)際隧道監(jiān)測中針對(duì)該項(xiàng)主要使用的儀器是全站儀。全站儀具有測距自動(dòng)化及數(shù)據(jù)將處理快速化的優(yōu)點(diǎn)，并且測量結(jié)果精度高。但是，全站儀屬于光學(xué)儀器，不適合在惡劣環(huán)境（如光照不足，大霧天氣）下工作，并且全站儀成本很高，市場價(jià)格多在幾萬到幾十萬之間。針對(duì)全站儀監(jiān)測隧道位移變形的缺點(diǎn)和高成本，結(jié)合導(dǎo)師的專業(yè)優(yōu)勢，我們提出應(yīng)用超聲波測距技術(shù)對(duì)隧道的圍巖收斂和拱頂下沉進(jìn)行監(jiān)測，這種方法具有受環(huán)境影響小并且低沉本的優(yōu)點(diǎn)。超聲波測距技術(shù)442021超聲波測距優(yōu)點(diǎn)：超聲波的指向性比較好，其頻率越高，指向性越好。超聲波傳播能量大，對(duì)各種材料的穿透力較強(qiáng)。超聲波的聲速、衰減、阻抗和散射等特性，為超聲波的應(yīng)用提供了豐富的信息。超聲檢測具有適應(yīng)性強(qiáng)、檢測靈敏度高、對(duì)人體無害、設(shè)備輕巧、成本低廉，可即時(shí)得到探傷結(jié)果，適合在實(shí)驗(yàn)室及野外等各種環(huán)境下工作，并能對(duì)正在運(yùn)行的裝置和設(shè)備實(shí)行在線檢查。452021超聲波測距原理：超聲波測距的工作原理：發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物后反射，產(chǎn)生回波，接收換能器接收回波。渡越時(shí)間法就是通過檢測發(fā)射超聲波與接收回波之間的時(shí)間差t,求出目標(biāo)障礙物距信號(hào)發(fā)射源的距離d，計(jì)算公式為：其中，v為超聲波波速(m/s)。空氣中：

462021超聲波測距缺點(diǎn)：目前超聲波測距技術(shù)存在測量范圍小，精度低，分辨率低的缺點(diǎn)。隧道變形監(jiān)測要求精度高，需要針對(duì)影響超聲波測距精度的因素對(duì)超聲波測距電路進(jìn)行優(yōu)化，提高其測距精度。