（机械电子工程专业论文）基于delphi的复杂地质隧道结构安全监测管理系统设计.pdf

摘要 近些年随着我国对公路隧道建设的大力发展，公路隧道的健康问题已经成为了我国 公路交通建设的重大问题，公路隧道的健康监测也日益受到了大家的重视。在进行健康 监测的过程中，大量的监测数据难以及时和有效的处理是阻碍这一领域发展的重要问题 之一。本文就解决这一问题设计开发了基于d e l p h i 的复杂地质隧道结构安全监测管理系 统。 本文依托实际工程从传感器的选择，布设等基本问题入手，提出了一种适应于复杂 地质条件下的隧道结构安全监测系统方案，其中结合数据库技术和d e l p h i 语言设计开发 了一套专用的隧道结构安全监测数据管理系统。此系统主要包含五个模块，分别从数据 的录入、修改、删除；数据的查询；数据的计算处理；监测结果的可视化和限值预警几 个方面进行研究，极大地改善了隧道后期数据分析处理的环境，实际运用后其结果不但 省时省力，还十分准确可靠。另外本文以结构损伤理论为依据，运用数据融合方法中的 卡尔曼滤波法针对采集到的数据进行分析处理，解决了在数据采集过程中对数据的拓扑 和优化的问题，并对隧道结构安全监测预警技术做了相关的研究。 本文通过以上方面的研究，为隧道的安全施工、治理措施评估、结构安全性评估等 的管理提供了可靠的依据。项目研究成果不但为施工单位和设计单位提供设计施工指 导、也可以及时预见事故和险情，使得事故防患于未然，还提高了项目管理水平、另外 也积累了宝贵的资料，也为此类监测软件的开发提供了依据。 关键词：d e l p h i ，隧道健康监测，数据管理系统，卡尔曼滤波，预警 a b s t r a c t a st h eg r e a td e v e l o p m e n to fh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，t h eh e a l t ho ft h eh i g h w a y t u n n e lh a sa l r e a d yb e c o m ea ni m p o r t a n ti s s u eo fh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni no u rc o u n t r y h e a l t h m o n i t o r i n go fh i g h w a yt u n n e l sa r ea l s oi n c r e a s i n g l ya t t e n t i o nb ye v e r y o n e o n eo ft h e i m p o r t a n tp r o b l e m so ft h i sf i e l di st h ed i f f i c u l t yi np r o c e s s i n gl a r g en u m b e ro fd a t at i m e l ya n d e f f i c i e n t l yd u r i n gt h ep r o c e s so fm e a s u r i n gt h eh e a l t ho ft h et u n n e l i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，t h i st h e s i sd e s i g n sad e l p h i b a s e dm o n i t o rm a n a g e m e n ts y s t e mf o rs t r u c t u r es a f e t y o ft u n n e l si nc o m p l i c a t e dg e o l o g i cr e g i o n s s t a r t i n g 谢t hs o m eb a s i cp r o b l e m sb ys e n s o rs e l e c t i n ga n dl a y i n gi na c t u a lp r o j e c te t c ， p r o p o s e da ns c h e m et h a ta d a p t s o ft h et u n n e ls t r u c t u r e s a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mi n c o m p l i c a t e dg e o l o g i c a lr e g i o n s ，t h i ss c h e m ed e s i g nc o m b i n i n gd a t a b a s et e c h n o l o g ya n d d e l p h il a n g u a g eh a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e das p e c i a l p u r p o s et u n n e ls t r u c t u r es a f et o m o n i t o rt h ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m t h i ss y s t e mm a i n l yi n c l u d e sf i v em a j o rm o d u l e ，i n p u t f r o md a t as e p a r a t e l y ，m o d i f i c a t i o n ，d e l e t i o n ， i n q u i r y ，c o m p u t i n go fd a t ao fd a t a , m o n i t o r r e s u l tv i s u a lt oc a r r yo nr e s e a r c hw i t hl i m i tw a r n i n g 、i m p r o v eg r e a t l yt u n n e ll a t e r s t a g e e n v i r o n m e n tt h a td a t aa n a l y z ea n dp r o c e s s ，t h er e s u l ti sn o t o n l ys a v et i m e 、s a v ee f f o r tb u ta l s o v e r ya c c u r a t ea n dr e l i a b l eb yu s i n ga c t u a l l y s t i l lt a k i n gt h es t r u c t u r ed a m a g e st h et h e o r ya sa b a s i su s i n gt h ek a l m a nf i l t e r i n gm e t h o dt oa n a l y z ea n dp r o c e s st h i sd a t at h a ta r eg a t h e r e d ，h a v e s o l v e dt h ep r o b l e mo ft o p o l o g i c a la n do p t i m i z a t i o no ft h ed a t aw h i l et h ed a t aa r eg a t h e r e d ， r e g a r dt h i s a st h et u n n e ls t r u c t u r es a f eo fb a s i cr e s e a r c ha n dm o n i t o re a r l y w a r n i n g t e c h n o l o g y t h r o u g ht h ea b o v e m e n t i o n e dr e s e a r c h ，t h i st h e s i so f f e r sar e l i a b l eb a s i sf o rt u n n e l m a n a g e m e n ti nc o n s t r u c t i o ns a f e t y , m e a s u r ee v a l u a t i o n ，a n ds t r u c t u r a ls e c u r i t ye v a l u a t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ep r o j e c tn o to n l yo f f e rs o m ea d v i c e sf o rc o n s t r u c t i o na n dd e s i g n i n g i n s t i t u t i o n s ，b u ta l s oc a np r e d i c tt h ea c c i d e n ta n dd a n g e r o u ss i t u a t i o ni nt i m e t h er e s e a r c h c a ni m p r o v et h ep r o j e c tm a n a g e m e n tl e v e l ，a c c u m u l a t ev a l u a b l em a t e r i a l s ，a n do f f e rab a s i s f o rs u c hm o n i t o r i n gs o t l 7 w a r ed e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：d e l p h i ，t u n n e lh e a l t hm o n i t o r i n g ，t u n n e ld a t em a n a g e m e n t , k a l m a nf i l t e r , w a r n i n g 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 该项目提出的背景及研究意义 近几年来，国家加强了对基础设施建设的投入力度，我国的交通建设事业也取得了 迅猛的发展，我国公路隧道特别是一些跨越长度很大的隧道在其建设与科研上也都取得 了很大的进步与发展。目前，我国在隧道领域已经成为世界上隧道工程的三最( 数量最 多、最复杂、发展最快) 的国家。尤其随着西部大开发的这一发展潮流的驱动，中国的 公路网正在快速的向西部延伸，这势必将使西部地区成为世界公路界关注的焦点，然而 中国西部地势、地域的条件特殊，在这一区域发展公路隧道将面临着巨大的挑战，但是 正是这种挑战也决定了公路隧道建设将进入一个新的发展时期，我国修建公路隧道的技 术水平也将被推向一个新的高度。 我国地域辽阔，地域自然条件也有很大的不同，隧道也必将穿越这些差异很大的山 脉，当工程地质及水文地质等条件复杂多变时或隧道穿越软岩、膨胀岩、断层破碎带等 不良地质区段时，就会导致隧道发生围岩大变形甚至整个隧道坍塌等现象出现。一旦隧 道发生上述情况时，如何快速开展有效的施工监控将是保障整个隧道的施工安全评价和 优化处治及保障后续施工与结构安全的重要手段。因此，开展复杂地质隧道施工安全监 测及预警技术研究，对保证隧道安全施工及安全运营有着非常重要的意义。而此项目研 究就是基于复杂地质隧道施工安全监控及灾害预警的新理念上进行的其中一部分。 本项目“复杂地质隧道结构安全监测管理系统的研究 是陕西省交通厅2 0 0 7 年科 研计划项目( 项目编号为0 8 0 4 k ) ，由陕西省交通建设集团柞小建设管理处和长安大学 共同承担，该项目依托柞水至小河段高速公路是我省“米”字型公路主骨架网中贯通陕西 省南北中轴线的重要路段。柞小高速全长7 1 7 公里，桥隧比例占路线总长的6 1 ，该 地段多为桥隧相连，地质情况复杂，多为强风化板岩层，节理、裂隙、褶曲发育，岩体 破碎，围岩自身稳定性差。施工中因不良地质条件，加之陕南地区夏季多雨，存在开挖 及初期支护后裂缝，有些恶劣地质条件甚至出现坍塌等，对隧道的正常安全施工极为不 利。此论文的提出就是针对柞小高速公路建设中出现的几处典型复杂地质灾害情况： l 、右线梅花店2 号隧道为偏压明洞设计结构，进口r k 8 7 + 2 6 0 r k 8 7 + 31 0 ，上半断 面处于强风化板岩与表层土体覆盖层的分界线上，表层覆盖层约占上半断面的4 0 左 右。雨季初期支护左右拱腰均出现裂缝长达4 5 m ，且山体地表也有多条3 m - - - 1 0 m 裂缝。 2 、柏树坪1 号隧道为分离式小净距隧道，顺利出洞且边仰坡加固及防护后，洞口 l 第一章绪论 两次出现突然塌方事故，整个山体发生滑移，洞口已加固过的初期支护也因山体挤压严 重变形( 如图1 1 ) 。 3 、镇安隧道部分段地质为断层角砾石，黑色一深灰色泥炭质结构，围岩的呈粉末 及泥糊状，难以直立，导致初期支护拱顶严重失稳下沉，多处开裂钢拱架变形( 如图1 2 ) 。 图1 1图1 2 通常我们所见的隧道施工监测都是按照规范规定的流程展开工作的，监测者往往会 花费大量的时间在监测场地进行测点布设选择、监测数据测试和对数据的最终分析这些 检测方面，通常这种监测的频率较低，而对于特殊地质隧道这些就不是十分的适用。这 是由于在复杂地质下隧道发生变形的危险性高、整个施工时间又很紧，这就导致用传统 的监测方法进行治理措施评价、结构安全评估十分困难，因此，开展隧道安全监测与预 警技术来确保施工安全，通过实时动态监测数据快速评价治理措施的效果并进行优化， 以评价结构的安全性显得尤为重要。而本课题的出现就是基于解决节省监测数据处理时 间，给监测者和隧道间提供一个便捷的沟通渠道，并通过动态链接处理数据、构建数据 管理平台、隧道结构损伤理论和预警理论来共同作用，对保证隧道安全施工及安全运营 有着非常重要的意义也对隧道结构安全的监测起着决定性的作用。 1 2 隧道结构安全监测的研究现状 目前随着国家对隧道工程的大力发展，隧道工程的特殊性和重要性也就突出体现出 来了。如何让隧道在施工过程中能被合理的监测，迅速、准确的获取现场实际量测的数 据，并在这些数据的支撑下使监测者可以准确的、清楚的了解到隧道所处的状态及其发 展变化趋势就成近几年国内外研究者的关键问题。 随着施工技术的不断发展，人们已经从最基础的常规目测逐步走到了用仪器对此进 行监测的过程，这就使得新奥法【l 】应运而生。新奥法是从岩体力学的角度出发，以维护 2 长安大学硕士学位论文 和利用围岩在受到开挖力的作用下能够利用自身运动达到受力的平衡状态而达到自稳 的能力为基点，运用外部材料对其进行支护，来控制围岩变形与松弛，并使围岩也成为 支护的一部分。现在，几乎所有的公路、铁路隧道都是采用新奥法为主要方法。新奥法 最主要的特点就是能够实时的对工程进行现场的监控量测。 自从上世纪6 0 年代以来，新奥法便产生了，并在国外得到了广泛的应用和大力发 展。我国也在8 0 年代引入了新奥法来指导隧道的施i 2 3 1 【4 】经过了近2 0 年发展，我 国在隧道监测方面上取得了很大的进步。目前国内外隧道施工监测的内容主要包括位移 监测、应力监测、应变监测、压力监测等，具体的量测项目有：工作面地质观察、隧道拱 顶下沉、洞周收敛、地表下沉、围岩内部位移、围岩应力、支护结构压力、锚杆轴力和 抗拔力等。而进行得最多的、最有效的有隧道工作面地质观察、拱顶下沉、洞周收敛等。 国内外采用的隧道监测仪器有：位移量测主要采用经纬仪、水准仪、塔尺、刚尺、收敛 计、百分表等。应力监测、应变监测、压力监测采用压力盒和应变计等。 公路隧道的高速发展也使得隧道的安全问题变得日益突出，除了隧道本身的施工量 n 多 i - ，隧道监测信息的管理也成为了决定隧道安全的重要课题。众所周知，隧道是一狭 长呈带状的建筑物，穿越整个山体，这也就说明隧道的顶端和两侧都会受到山体对它产 生的力的作用，但一侧受力较大时隧道就会产生变形状态，而当山体对它的压力超越其 支护对其围岩的支撑力时就会产生塌方现象。为了避免这种现象的出现就需要我们布置 多个测点来观察隧道受力变形情况，一旦某处出现的压力太大，我们就能及时增加支护， 防止危害的发生。而在整个隧道的安全监测过程中，监测者需要根据实际隧道围岩受力 情况布置多个监测区域，并且还要根据隧道围岩的变化状态制定相应的测量时间，有时 甚至需要实时监测，这就造成了监测点数量多，数据量庞大，如果不能有效地管理和及 时处理数据，就会使隧道结构的安全监测在时间上产生延误，造成监测的滞后性，不能 及时指出施工的错误，甚至会造成巨大的损失。为此，如何解决这一问题成为了一个不 容忽视的问题，为了解决这个问题从上世纪6 0 年代开始，国内外就相继开始了隧道信 息管理方面的研究，欧洲、美国、日本等发达国家先后开始了隧道信息管理系统的研发。 随着计算机技术、图像处理技术、通信技术的飞速发展，隧道监测的信息化成为了 一种可能。如何处理隧道监测所得到的大量冗长的数据，开始得到人们的重视。人们从 最初的人工手动处理这些数据，到运用一些数据处理软件来帮助人们使得数据处理半自 动化，最终到现在将信息技术和隧道施工相结合，通过计算机编程来实现对隧道监测信 息的管理。这种管理平台的产生能够对监测数据进行有效的管理，并能够充分利用监测 3 第一章绪论 数据了解并掌握围岩及其支护结构的变化状态，及将这些信息及时的进行反馈，以指导 施工决策。目前国内外的大部分隧道数据管理系统都是基于v c + + 及v b 这两个软件开 发平台上设计实现的，同济大学就曾用v b 来进行这方面的开发研究，安徽省公路勘察 设计院也曾在龙山隧道的监测上运用过隧道数据管理系统，但是由于大部分隧道实际状 态的不同导致每一管理软件的内容也有所不同，并且在其功能实现上也均是满足简要需 求，故监测数据管理系统的开发还仍然是监测技术未来发展的一种新的发展趋向【6 】【7 】f 8 】 【9 】【1 0 l 。 但是仅做数据管理平台的研究是远远不够的，在实际运用中除了需要一套专用的数 据管理系统平台外，我们还需要解决隧道中布置的传感器由于外界原因或者是接收器自 身的原因，导致收到的数据中出现了一些数据偏差和不足的现象，怎样去修改和补全数 据并保证所得出的数据能够准确反映隧道变形的状态，这也是隧道结构监测中十分关键 的问题。针对这一问题人们开始关注隧道的结构评估和预警技术研究。在隧道的结构评 估与预警方面，人们也做过大量的研究，比如北京研究院的研究人员就对隧道施工的多 元信息化预警作了研究，还有在岭南高速公路隧道上研究者也做了预警技术的相关研 究。这也说明了人们对隧道的安全方面已经越来越重视，但是这方面的理论还是很薄弱， 尤其是国内对这方面的研究还有待于进一步深化。 1 3 本文的研究内容 本文依托复杂地质隧道结构安全监测系统自身所测得的大量数据基础上，主要运用 数据库和d e l p h i 语言开发一套针对于隧道数据管理的平台，即隧道结构安全监测数据管 理系统，这套系统的开发研究能让监测者及时的管理和分析各监测点产生的数据，使监 测者快速、准确、及时的解决隧道突发的各种问题，也能使监测者脱离e x c e l 的半手 工化的数据处理方式。另外本文结合结构损伤评估的相关理论和预警技术对采集的数据 进行数据融合方面的研究，以便提高数据的可靠性，使用户对隧道结构的分析结果更加 全面准确。 为了实现上述需求，本文主要从以下几个方面进行了研究： 首先从研究隧道结构安全监测的内容和研究方法入手，我们对监测传感器采集 到的数据有一个详细全面的认识，为我们对后期数据处理方式的研究奠定基础； 结合实际项目对用户的实际需求进行分析，我们制定了合理的隧道结构安全监 测数据管理系统的开发内容； 4 长安大学硕士学位论文 进行隧道结构安全监测数据管理系统的设计研究； 针对实际采集出的数据可能出现问题的几个方面，结合结构疲劳损伤理论进行 研究，并运用卡尔曼滤波法对数据进行分析处理。 通过上述这几个内容的实现，我们提高了传统监控量测数据处理的效率和准确性， 确保了工程施工的安全与高效，也使得隧道结构安全的方面数据处理的研究更加快捷、 智能，为公路隧道的安全运营提供了可靠的保证。 5 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 对于复杂地质隧道结构安全监测数据管理系统来说，最为主要的问题就是了解系统 所要处理的数据的相关内容，比如采集到的数据是什么结构、有什么特征、采集它们是 为了反映什么问题等等，只有了解了这些内容，才能有针对性的对系统建立合理的分析 模块。为了解决这些问题，我们就需要全面的了解复杂地质隧道结构安全监测系统的方 案，本章就是从复杂地质隧道结构安全监测系统的基本方面进行了论述。 2 1 隧道结构安全监测的量测内容和方法 对于整个公路隧道而言需要检测的内容非常的多，主要包括：材料检测、施工监测 和环境监测这三类。其中材料检测是指防排水材料的检测、支护材料的检测和初砌材料 的检测；施工监测主要包括两个方面：施工质量检测和施工监控量测。环境检测主要是 指施工环境检测和运营环境检测。而在这些所有的检测内容里，隧道结构安全健康监测 主要检测的内容是隧道施工监控量测【1 2 1 。 隧道施工监控量测是依据新奥法所提出来的一项重要内容，它主要包括围岩变形量 测、支护受力量测、初砌受力量测等三方面，它是保证施工安全的重要手段。根据隧道 施工规范，监控量测主要内容如下表所示【1 2 】： 表2 1 监控内容表 铡试项目类别殍号量测项目溅试目的 及时了解围岩岩性的变化情况、节理裂陵的发商情况、隧 1澜内观察 道内淋水情况及支护裂缝等 2 褥边位移判断嗣岩豹稳定性。确定：次衬渤的施傲时阈。 必 灞 3 拱项下沉及时掌握隧道整潍的稳定情况 4 锚杆拉拔力抽捡锚轩的拉拔力，判断锅杆的旄，1 = 质量。 5锚杆戍力 抽检锱杆内部受力状况，判断锚杆的 作状况。 与拱项下沉对比，间接反映隧道的稳定及隧道拱部以f ：围 6 浅埋段地袭沉陷 岩的运动状况。 7 露者延力 判断复合式衬砌中围岩簸衍大小，判断扔期支护与二次衬 选测 砌各自分担围岩联力的愤况。 量测型钢支撵内应力。推断作用在型钢交撑上的压力大小。 8 钢支撑应力 判断型钢支撵尺寸、间鼯及设置型钢支撵的必要性。 量测二：次衬砌内应力、喷混凝土层内轴翔疲力。了解支护 9 混凝土应变 衬砌内的受力状态 6 长安大学硕士学位论文 正如我们一直强调的那样隧道监测成为了日前大家最为关心的问题，但是如何使得 隧道监测不但能够满足我们的监测要求，还能够给予我们准确的测量数据，这就要求我 们在测量方法和对象的选择上注意合理的运用。通常对于一个隧道而言根据其实际状 态，我们需要监测的内容范围非常的广泛，比如光位移方面的监测就可以包括周边位移 的测量、拱项下沉、地表下沉、围岩体内位移等等。通常对于不同部位的测量我们选取 的工具也各不相同，比如周边位移的测量就需要采用收敛计，而地表下沉的测量则需要 选择水平仪或水准尺。那么怎样才能合理选择选择测量项目和测量方法，这就要求我们 要根据实际工程需要在必测和选测项目上合理结合，只有这样才能更好的指导施工保证 监测的合理性。 表2 2 隧道监测项目及设备 监测项目及类别仪器设备 拱项下沉高精度全站仪 周边收敛收敛计 围岩内部位移量测多点位移计 围岩和衬砌接触压力 压力盒、频率计 钢拱架应力钢筋应力计、频率计 2 2 本项目监测传感器的选择 松动圈理论最早由采矿工程专家提出，在八、九十年代发展完善，最近在隧道等其 它地下工程领域也开始采用该理论。地下洞室开挖后，围岩受力状态由三向变成近似二 向，岩石强度下降许多，如果集中应力值小于下降后的岩石强度，围岩将处于弹塑性状 态，围岩可以自稳。相反地，如果集中应力值大于下降后的岩石强度，围岩将发生破裂， 这种破裂将从周边开始逐渐向深部扩展，直至达到另一新的三向应力平衡状态为止，此 时围岩中出现一个破裂带，这个破裂带称为围岩松动圈。它有一个发生、发展到稳定的 过程，稳定后的松动圈厚度是地应力、岩体强度、断面跨度、形状等因素共同作用的结 果。松动圈的确定，不仅对分析峒室开挖后围岩的稳定性至关重要，还可以以此为依据 确定支护参数，所以对于围岩压力的测量在这里是非常重要的。根据柞小隧道的工程实 际状况，我们发现监测地段的隧道易出现塌方和拱架变形等情况( 这是由于围岩的压力 较大，钢拱的支护不能满足应力要求而出现的) ，所以我们监测的重心就放在监测围岩 和隧道支护之间的压力和应变为主【1 3 】。 7 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 确定了主要研究的测量项目，我们就需要明确在实际运用时传感器如何选择了。对 于整个隧道结构安全监测系统而言，传感器的选择也将直接影响所监测隧道数据的准确 性。目前可用于隧道结构安全监测的仪器元件，从原理上而言，主要有3 种形式：振 弦式、电阻式、光纤光栅式。这些仪器元件在性能、效果、经济等各方面均有所不同， 因此需要根据实际工程需要具体选择。 一般用于隧道传感仪器的选择应遵循以下原则【1 4 】： 7 ( 1 ) 首先我们要求仪器要防水、防潮，这就是指仪器要适宜在含水或潮湿环境下工 作，而且工作状态要稳定。电阻应变片式传感器在这方面相对较差。 ( 2 ) 其次是要求防腐蚀性强。此时我们不仅要考虑传感器元件的防腐蚀性，而且也 应当考虑传感器接头与传输线路的防腐蚀能力，这样才能使仪器准确工作。 ( 3 ) 耐用性。从理论上而言，各类监测技术都具有足够长时间的耐用性，但考虑厂 家工艺水平以及实际应用效果的不同大家的选择也有所差别，光纤传感技术和振弦式传 感技术相对这方面较好。 ( 4 ) 抗干扰能力强。 ( 5 ) 能实现长距离自动监测。 ( 6 ) 埋设方便。实际应用表明，传感器埋设水平与最终监测效果有很大关系，因此 在保证监测效果的前提下，尽可能选择埋设方法简便的技术。如从此角度出发，光纤传 感技术就不如振弦式、电阻式等技术应用方便。 所以根据上述条件我们选择振弦式的传感器来对我们的隧道进行监测，这是由于振 弦式传感器输出信号为频率信号，这种信号衰变小，受温度影响低，长期综合零漂小。 依据隧道监测的实际情况我们采用以围岩土压力盒和钢筋应力计的组合来进行隧道结 构安全的监测。表2 3 给出了项目中使用的传感器类型。 表2 3 主要传感器选型 监测内容传感器类型 压力振弦式高精度双膜土压力计 应力应变钢筋应力计 8 长安大学硕士学位论文 2 2 1 压力传感器的介绍 一、概述 图2 - 4 双模土压力计 二、结构 y t - 2 0 0 a 型振弦式高精度双膜土压力计广泛适用隧 道结构等建筑基础所受土体的压应力，是了解土体对土 中构筑物压应力变化量的有效监测设备。该产品具有测 值准确，分辨率高，长期稳定性好。改变了测量结构， 完全消除了传统土压力计埋设在土体中所产生的拱效 应，也避免了油囊土压力计因漏油和囊中有空气所造成 的测值不准确的问题，具有双密封性能、较高 的耐渗水压力，可带热敏电阻测温。 y t - 2 0 0 a 型振弦式高精度双膜土压力计由受压传递板、感应板、高灵敏传递机构、 电缆密封接座、信号传输电缆、振弦及激振电磁线圈等组成，土压力计外圈包有消除拱 效应的橡胶圈。 三、工作原理 当被测结构物内土压应力发生变化时，土压力计受压传递板将结构物内部来自各个 方向的土压应力均匀的传递给传感器的感应板，感应板将会产生变形，变形传递给振弦 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，即可测出被测结构的压应力值。 四、主要技术指标 表2 5y t - 2 0 0 a 压力盒主要技术指标 型号 2 0 0 a 规格 l24681 01 62 54 06 0 测量范围 0 o 0 0 0 0 0 1 6o 0 0 6 0 m p ao 10 2o 40 6o 8 1 o 2 54 0 分辨力 0 0 4 5 外直径m i l l 1 5 3 型 高度m i n 6 0 工作温度范围 2 5 + 6 0 苫 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 五、埋设与安装 1 、埋设前应首先检查土压力计确保仪器完好，埋设时应注意土压力计的受力感应 板对着土体，受压传递板应紧靠在结构物上。埋设方法分为两种：一种是在混凝土建筑 物浇筑施工过程中同时进行埋设；另一种是在混凝土建筑物浇筑完成后再进行埋设。后 一种方法又分为预埋模盒( 模盒尺寸应为土压力计直径尺寸的1 1 倍) 和开凿坑槽的埋 设方法。 2 、混凝土建筑物浇筑施工过程中的埋设，应在混凝土浇筑到埋设高程处，将土压 力计放置在混凝土中，土压力计的受压传递板应与结构物表面平齐，注意混凝土一定不 能包裹住土压力计的受压传递板。在建筑物基底上埋设土压力计时，可将土压力计先埋 设在预制的混凝土块内，在基底表面平整好后，将埋入土压力计的混凝土块放入埋设部 位。 3 、混凝土建筑物浇筑施工完成后的埋设，先移去预埋模盒，或按土压力计直径尺 寸的1 1 倍开凿坑槽。埋设时，应先在埋设坑槽内均匀放入少量高标号的水泥沙浆，然 后将土压力计放入坑槽内，注意土压力计的受压传递板应对着土体，并与结构物表面平 齐，四周缝隙用水泥沙浆填充捣实。 4 、埋设边界式土压力计时应特别注意：水泥沙浆不能包裹住土压力计的受压传递 板；土压力计的受压传递板与结构物应用水泥沙浆填充捣实，不能留有缝隙；土压力计 的受压传递板与土体之间用细沙土填充捣实，同样不能留有缝隙。安装就位后的土压力 计初测值应大于埋设前自由状态读数，即就位后的土压力计应在受压状态。 六、测量及计算 测量及计算 1 、y t - 2 0 0 a 振弦式高精度双膜土压力计的测量用振弦频率读数仪完成。测量方法 请参照相应读数仪的使用说明书，测量完成后，记录传感器的频率值( 或频率模数值) 、 仪器编号、设计编号和测量时间。 2 、土压力的计算公式： p = k a f + b a t + b 式中：p 一被测土压力( m p a ) ；k - 仪器标定系数( m p a f ) ； a f 土压力计实时测量频率模数值相对于基准值的变化量( f ) ； 1 0 长安大学硕士学位论文 b 土压力计的温度修正系数( a ) ； t 土压力计的温度实时测量值相对于基准值的变化量( ) ； b 土压力计的计算修正值( m p a ) ；频率模数f = f 2 x 1 0 3 2 2 2 应力应变传感器的介绍 一、概述 j x g 1 型钢筋应力计用于基础、地下、水工等各种工程建筑物的混凝土结构中钢筋 承载的应力、锚杆锚固力、基岩应力的测量，具有稳定性好，不受导线长度影响，适合 长期观测等优点。 二、使用方法： 振弦钢筋应力计为竖式结构，使用c t y 一2 0 2 系列振弦测试仪能测量频率f ( h z ) ， 压力p ( 叼或应力6 ( m p a ) ，还能同步测量温度t ( ) 。安装前要进行零点测试，如有零 漂应将其清零，也可在初装后( 未浇筑混凝土之前) 或计算增量时去皮归零。当测读数据 是压力( 町或应力( m p a ) 时，用户无须再进行频率f 到压力p 的转换计算。当测读数据 是频率f ( h z ) 时，应依据标定数据计算压力或应力。 三、计算公式： 增量( 相对量或工程量) 计算公式：w - - - - ( f 2 - f 0 2 ) k 总量( 绝对量或标定量) 计算公式：w b = - ( f 2 - f b 2 ) k + b 式中：w 一表示物理增量；卅表示物理总量； 卜测量频率；f 0 一零点频率；k _ 标定系数( 近似线性斜率) ； f b 一截距频率；b 一截距常数 黉爹篆| i 图2 6 钢筋应力计 l l 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 2 3 本项目传感器的布设 在隧道的结构安全监测中，测点的布置情况将直接影响所测数据的准确性、有效性， 所以测点的布置状况在整个监测环节中也尤为重要。想要布置出能及时准确反应隧道变 形受力状态的测点位置，就需要我们对隧道围岩的地质状态非常的了解，这样才能在整 个隧道断面中找出有效的测点。一般我们从三个方面来进行选择【1 5 1 ： ( 1 ) 优化施工顺序从这方面入手，就要求我们在断面上布置拱顶下沉和周边收敛 等量测项目，以检验围岩变形的状况，对施工方的二次衬砌提供参考依据。这就要求我 们在围岩的两侧拱腰、正中的拱顶及拱底布置测点。 ( 2 ) 施工安全通常施工安全的测点布置要根据围岩地质情况而定，而洞口附近就 是监测的重点位置，这是由于洞口附近的围岩较差易发生滑坡等现象。一般我们也将测 点加在拱顶和拱腰位置，这是因为拱腰通常是应力较为集中的地方。如果围岩特差，可 适当增加测点数量。 ( 3 ) 科学研究与分析如果测出的数据需要进行进一步科学研究，就需要在断面布 置测点时尽量完整，便于我们分析。 图2 7 隧道断面数学模型图 在柞小高速镇安隧道段隧道结构安全监测系统中，为了能够更加准确的找出合适的 测点位置使得监测更为准确，我们不但结合已有的隧道测点布置原理，还运用a n s y s 1 2 长安大学硕士学位论文 有限元分析软件对隧道围岩进行受力分析，找出受力最大最易变形的点布置测点位置， 来保证我们实际的监测项目更加准确、合理。传感器监测点的布设情况如下： 梅花店2 号右线隧道，选择两个危险断面进行布设，每个断面均采用7 个压力盒、 5 个应力计。 柏树坪l 撑隧道左线，选择两个危险断面进行布设，每个断面均采用7 个压力盒、5 个应力计。 镇安隧道左线及右线，每个隧道各选择两个危险断面进行布设，在塌方较严重的桩 号处，采取增加测量点节点，每个断面采用7 个压力盒、5 个应力计 3 图2 8 隧道断面压力传感器和应变传感器布置图 我们依据测点布置原理结合a n s y s 有限元受力分析在每一断面上，沿隧道周边拱 顶、拱腰及边墙埋设7 个压力传感器，将y t - 2 0 0 a 振弦式压力传感器分别埋设在围岩 与喷射混凝土之间及喷射混凝土与二次衬砌之间。围岩与喷射混凝土之间的压力盒是在 喷射混凝土之前埋设，喷射混凝土与二次衬砌之间的压力盒是在挂防水板之前进行安 设，分别测取围岩对喷射混凝土的压力及围岩对二次模注混凝土衬砌的压力。混凝土达 到初凝强度后开始测取读数。每个断面选7 个量测位置，围岩压力和层问压力各7 个测 点，、v 类围岩只n - - 次衬砌承受的围岩压力。 1 3 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 图2 9 围岩压力的测点布置图 图2 1 0 传感器现场安装图 我们还在每一断面上埋5 个钢筋应变计，并将钢筋应变计焊接在钢拱架外侧( 围岩 一侧) 或内侧( 隧道一侧) ，有条件时，在同一位置点，内、外侧各焊接一个钢筋计；若是 格栅拱架，则最好将格栅拱架上某一根主钢筋相应位置截断，将钢筋计焊接上。钢支撑 安装完以后即可测取读数，量测断面测点布置位置与喷射混凝土轴向应力测点布置位置 相同。如图2 1 l 所示。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 n 钢支撑受力测点布置示意图 2 4 隧道结构安全监测系统方案 隧道结构安全健康监测能够指导隧道工程的修建、改善其运营状态、提高隧道的安 全系数，它已成为国内外隧道工程界关注的焦点。而现代的隧道已经不是单纯的钢筋混 凝土结构，因此围岩在隧道结构健康监测中扮演了极为重要的角色，致使隧道结构健康 监测也区别于其它如桥梁结构健康监测等方面。 隧道是围岩和支护结构共同组成的，他们相辅相成的，支护结构的出现是为了防止 围岩变形的进一步恶化。因此，在进行隧道结构健康监测时围岩与支护结构的关系就成为 了隧道安全检测的致命问题，而它们之间的变形情况及其相互作用关系就是隧道结构健 康监测的主要对象，隧道结构健康的标准便是隧道的稳定性。“隧道稳定性”是指：人 工支护结构与其周围一定范围内的地层( 围岩) 形成的“支护系统 的稳定程度。我们根 据隧道支护系统的特点以及隧道结构健康的标准，隧道结构健康监澳t ( t u n n e ls t r u c t u r a l h e a l t hm o n i t o r i n g ，简称t s h m ) 的定义为“用现场的无损传感技术，通过隧道系统的特征分 析检测隧道支护系统损伤( 或退化) ，分析发生损伤( 退化) 的地点、程度和原因，并对隧道整 体的健康态做出评价 。依据这个定义隧道结构健康监测系统( t u n n e ls t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n gs y s t e m ，简称t s h m s ) 主要是由隧道结构监测、隧道结构诊断和隧道结构状态 评价3 个部分组成，见图2 1 2 t 1 6 1 【1 7 1 。 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 图2 1 2 隧道结构监测系统的基本组成 一般隧道的健康监测评估系统包括健康监测的硬件和软件两方面的工作：硬件主要 是用来测试构件关键截面的应力、挠度或位移、索力、裂缝、动力加速度、频谱和模态 分析等物理参数的仪器设备；软件方面主要包括建立隧道数据库与数据管理系统及隧道 工作状态综合评估系统两部分。而在此项目中复杂地质隧道结构安全监测系统构成如图 2 1 3 所示。 应变传蘑器组 ；圈岩压力感器组土位移传感器组 ； 图2 1 3 隧道结构监测系统图 1 6 长安大学硕士学位论文 此项目中整个系统分为三个部分，依次为隧道监测部分、隧道诊断和状态评价部分。 隧道监测部分主要包括：传感器单元、数据采集传输单元。隧道诊断和状态评价部分包 括：数据库管理单元、a n s y s 变形趋势分析单元。 a n s y s 变形趋势分析单元：根据具体隧道结构及复杂地质情况，建立相应a n s y s 有限元分析的模型，此模型不但可以指导测点布置的位置还可以分析隧道变形发展状 态，对隧道进行现行状态的诊断及对于未来变形状态趋势评价。 传感器单元：采用的传感器包括应变计，钢筋计，压力盒等，这些仪器具有良好的 可靠性，长期稳定性和对环境的适应性，能保证长时间观测精度要求。作为施工监控工 作的延续，传感器已经在施工阶段布设完毕。 数据采集传输：该部分包括采集存储器、解码器、传输转换器( 根据传输方式而定) 。 数据采集模块，可完全独立工作，内部时钟电路可依据设置好的状态参数定时测量，并 将定时巡检的数据存贮在采集单元内部的电子硬盘中，可以用手提电脑到各采集模块点 下载定时测量的资料，从而完成长期无人值守的监测。 数据库管理单元：数据库管理单元的主要功能包括数据存储管理与查询，历史数据 传输，报表，实时监控基础数据维护、特征数据查询、数据显示、危险数据预警、数据 报表生成。其中数据传输主要用于采集现场数据采集终端所传过来的设备信息，并解析 到服务器数据库。另外，还能通过该系统，达到对数据管理的功能。 2 5 隧道结构安全监测系统的特点 我们采用的隧道结构安全监测系统具有以下几个特点： 它是国内公路桥涵监测的新技术； 针对实际测量和施工的环境选用精度高、稳定性好、抗干扰能力强的专用监测 传感器，这种专用的传感器不但可以在施工期埋入进行施工的监控量测，还可 以保证完成隧道建成后运营期的安全监测； 它可以进行长期、全天候的实时监测； 使用了先进的无线网络技术，实现了对于监测点的远程监控和管理； 整个系统运行下来费用低廉； 针对不同的隧道条件，所设计的系统还可以进行扩展，能够实现多隧道、断面、 多点监测。还能实现对测点数据的自动采集、存储和发送； 1 7 第二章复杂地质隧道结构安全监测系统方案 整个监测系统投入后不会干扰施工期内隧道的正常施工及运营期的正常交通运 营。 由于隧道结构安全监测系统具有的上述的几个特点，使得隧道结构安全监测更加便 利、安全、可靠，也更加适用于现代社会的发展的需要。 2 6 监测数据采集频率 数据采集要求每处测点埋好后2 4 小时内测取原始数据，以后测取数据的频率不少 于规范要求，同时满足数据分析和工程需要。断面测点布置好后即可通过各种量测仪表 进行数据的采集工作。 为了满足分析数据的需要，参考规范中的要求，采集数据的频率如下表2 1 4 所示。 表2 1 4 常规测量项目量测频率 观测频率 序号量测项目 1 1 5 天1 6 天1 个月1 个月- 3 个月3 个月以后 1 洞内观察爆破后进行 浅埋段地 2 1 小时次八小时次八小时次八小时次 表沉陷 围岩收敛 3 1 小时次四小时次四小时次四小时次 变形 混凝土 4 1 小时次四小时次四小时次四小时次 应变 2 7 本章小结 本章主要是对复杂地质隧道结构安全监测系统的方案进行介绍。首先从隧道安全监 测的整体监测选择项目入手进行分析，然后根据实际的监测要求对所需的监测项目进行 选择，还以此为依据选择相应合适的传感器并制定传感器布设的方案，同时还对所采用 的监测系统进行了总结。总之，通过本章对隧道结构安全监测系统的总体方案及其关键 技术的简要介绍，对整个系统有了一个完整的规划，对后期隧道结构安全监测数据管理 系统的设计奠定了基础。 1 8 长安大学硕士学位论文 第三章隧道结构安全监测信息管理系统分析 3 1 项目需求分析 为了保证隧道的施工安全，及时掌握隧道的受力变形以及围岩的变化情况，需要对 整个隧道选择多个断面、每个断面上选找多个测点并布置相应的传感器进行定时监测。 虽然这种方式可以全面、准确的对隧道变形进行分析，但是由于数据采集频率高、监测 点多就造成了大量数据难以批量及时进行处理分析，从而使得隧道的结构安全监测在时 间上产生了延误，这就会造成整个监测系统的滞后性，不能很好的发挥安全监测的意义、 不能及时指正施工中的错误，甚至会造成巨大的损失。所以能否及时处理大量的数据得 出分析结果，也是隧道结构安全监测中一个不可忽视的问题。隧道结构安全监测数据管 理系统就是为了在解决数据处理滞后性的前提下进行设计的7 】【8 】。 隧道结构安全监测信息管理系统要求可以管理各断面的数据信息、可以进行数据查 询管理、可以进行数据处理、同时也可以提供其它的辅助管理功能，如限值预警等。本 系统将在保证实现上述功能的基础上，实现如下目标： 操作简单、方便，使管理者可以迅速掌握并熟练运用。 支持多人操作，要求有较好的权限分配功能。 为了方便用户查询，要求支持多条件查询。 为了方便用户对图像数据的运用，提供图像打印设置，以方便用户使用。 为了方便该系统和相应数据库的使用，用户可以随意转移该系统