隧道位移实时监测系统开发及其数据应用技术研究硕士论文.pdf

摘要 公路隧道施工监控量测是新奥法施工的重要内容 对保障施工安全 优化设 计 为隧道结构分析提供实测数据有重要作用 但是 由于种种原因 现有施工 监控量测仪器设备 数据应用技术难以满足隧道与地下工程建设的需要 本文从 最重要的位移量测入手 进行隧道位移实时监测系统的开发及其数据应用技术研 究 本文分析了位移监测在隧道施工监控量测中的重要地位 根据现代测量系统 理论 提出了隧道位移实时监测系统的合理构成和性能要求 在此基础上 应用 激光技术 单片机技术和通信技术开发了隧道位移实时监测系统 实现了隧道位 移的高精度 自动 实时和远程量测 隧道位移实时监测系统应用软件界面友好 操作简便 集实时采集 数据管理和数据应用等功能于一体 不仅能实时采集 显示和存储数据 按要求浏览 查询数据 进行数据报表 还插入了灰色预测工 具 具有较高的应用价值 另外 针对监控量测数据应用技术十分落后的情况 本文对应用灰色系统理 论进行隧道位移发展的短期预测 最终下沉预测进行了系统地研究 结果表明 g m 1 1 模型及其残差模型通用性较强 而v e r h u l s t 模型在位移发展的中后期具 有较高的预测精度 并能够进行最终下沉量预测 在实时监测系统基础上 应用 灰色预测工具 能够避免数据插值 实现快速 准确预测隧道位移发展的目的 关键词 公路隧道围岩位移 实时监测灰色模型变形预测 a b s t r a c t w h e nc o n s t r u c t i n gah i g h w a yt u n n e lw i t ht h en e wa u s t f i a nt u n n e l i n gm e t h o d n a t m m o n i t o r i n gi se s s e n t i a lt oe n s u r es a f e t y t oo p t i m i z ed e s i g na n dt og a i nt h e f u n d a m e n t a ld a t af o rs t r u c t u r ea n a l y s i s h o w e v e r t h ea v a i l a b l ei n s t r u m e n t sa n d t e c h n o l o g yo fd a t aa p p l i c a t i o n sc a n tm e e tt h en e e do fc o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n to fa ni n s t a n td i s p l a c e m e n t m o n i t o r i n gs y s t e ma n di t sd a t aa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n t p a r to f c o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g f i r s t l y r o l e so fd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n gi nt u n n e l i n ga r ed i s c u s s e do fa n da n e x p e c t a n ts y s t e mi sp u tf o r w a r dw i t hr e a s o n a b l ef r a m ea n dc a p a c i t i e sb a s e do nt h e o r y o fm o d e r nm e a s l l r es y s t e m a c c o r d i n gt ot h o s e t h ei n s t a n td i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g s y s t e mi sd e v e l o p e dw i ml a s e rt e c h n o l o g y s c mt e c h n o l o g y s o f t w a r et e c h n o l o g ya n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i ss y s t e mc a nb er e m o t e l yc o n t r o l l e dt og a i nd a t ao f d i s p l a c e m e n tp r e c i s e l y a u t o m a t i c a l l ya n di n s t a n t l y a p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h e s y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db yi t sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n w i t ht h e c a p a b i l i t i e so fi n s t a n tm o n i t o r i n g d a t am a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o n s i tc a ni n s t a n t l y g a i na n ds t o r ed a t a b r o w s ea n dq u e r yd a t a p u tf o r w a r dd a t ar e p o r t f u r t h e r m o m a t o o lf o rf o r e c a s tw i t hg r e y m o d e lm a k e st h es y s t e mm o r ef a v o r a b l e i n a d d i t i o n t o a c c e l e r a t et h ea p p l i c a t i o no fm o n i t o r i n gd a t a as t u d yi s a c c o m p l i s h e d o ns h o r t t e r ma n du l t i m a t e d i s p l a c e m e n t f o r e c a s t s i nt u n n e l c o n s t r u c t i o n w h i c ha r eb a s e do ng r e y m o d e lt h e o r y t h i ss t u d yi n d i c a t e s g m 1 1 a n di t so p t i m i z e dm o d e la r em o r eg e n e r a lm o d e l si nd i s p l a c e m e n tf o r e c a s t w h i l e v e r h u l s t m o d e lc a ng a i na h i g h e rp r e c i s i o ni nm i d d l ea n dl a s tp a r to fc o n s t r u c t i o n c a nf o r e c a s tt h eu l t i m a t ed i s p l a c e m e n ta l s o w i t ht h ei n s t a n td i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g s y s t e ma n dg r e y m o d e lt h e o r y t h ed e v e l o p m e n to fd i s p l a c 锄e i l to ft u n n e lc a nb e f o r e c a s t e dq u i c k l ya n dp r e c i s e l y w i t h o u ta n yd a t ai n s e r t e da r t i f i c i a l l y k e y w o r d s h i g h w a yt u n n e ls u r r o u n d i n gr o c kd i s p l a c e m e n t i n s t a n tm o n i t o r i n g g r e y m o d e ld i s p l a c e m e n tf o r e c a s t 第一章绪论 1 1 问题的提出 我国是一个多山的国家 山地 丘陵和高原面积约占国土面积的6 9 1 山 区公路建设对隧道建设技术既是机遇又是挑战 在过去 由于公路建设资金严重 短缺 多以盘山公路为主 这种公路不仅等级低 里程长 占地多 而且能耗大 生态环境破坏严重 运营成本和运营质量都不能满足社会发展需要 随着我国经 济的迅速发展 公路交通建设规模日益扩大 我国公路隧道进入一个快速发展时 期 目前 公路隧道不仅在山区和丘陵地区得到重视 在城市交通 跨河跨海交 通中 公路隧道方案也越来越受到重视 截至2 0 0 0 年底 我国公路隧道通车里程已达6 2 8 k m 1 6 8 4 座 隧道平均长度己 达3 4 3 m 其中特长隧道5 4 k m 1 4 座 长隧道2 0 7 k m 1 3 5 座 中隧道2 5 5 k m 5 1 4 座 短隧道1 1 2 k m 1 1 2 0 座 公路隧道通车里程比1 9 7 9 年增长了1 2 倍多 比1 9 9 3 年增长 了4 倍多 至0 2 0 0 1 年底 我国建成的千米以上隧道已经超过1 4 0 座 1 与此同时 一批城市隧道 跨河越江隧道也相继建成 大量公路隧道的修建 大大促进了我国公路隧道建设技术的进步 一批工程 难题得到突破 新奥法旋工技术的推广 使我国山岭隧道施工水平上了一个新台 阶 大跨度隧道 双联拱隧道开挖施工都不再是难题 成渝高速公路中梁山隧道 的建成 使我国长大隧道通风技术得到突破 1 8 k m 的秦岭终南山公路隧道通风难 题也得到解决 同时 作为公路隧道通病的运营期间渗漏水问题研究也取得了较 大的进展 一批新材料 新工艺投入使用 然而 在看到巨大成就的同时 我们 也应该清醒地认识到 隧道建设技术中还有许多关键问题没有得到解决 尽管新奥法施工技术在我国得到广泛应用 但是 作为新奥法主要组成部分 之一的监控量测工作一直都难以得到很好的实施 在隧道施工过程中 不做 少 做监控量测成为一个普遍的问题 即使保质保量地完成监控量测 量测数据也难 以发挥真正的作用 监控量测工作陷入困境的主要原因在于 1 现有的量测 仪器 工艺不能很好适应隧道施工的需要 2 缺乏科学 实用的量测数据分 析 处理和利用技术 隧道施工监控量测仪器设备 工艺上的不足直接影响了隧道结构分析技术的 进步 尽管在近半个世纪 随着计算机的普及和大量地下工程的开工建设 岩体 力学计算理论取得了令人瞩目的成绩 但是 至今 隧道结构计算的成果仍不具 备强大说服力 作为隧道结构计算的一个重要分支 反分析法在近些年得到了相 当的重视 成为学术界的热点 被认为是隧道结构计算的突破口 但是 由于量 测数据难以获得 绝大部分反分析程序都停留在科研和理论计算阶段 如何提高隧道监控量测技术 为保障施工安全 指导施工 优化设计和结构 计算分析服务 成为当前隧道技术发展的一个重要问题 1 2 隧道施工监控量测技术及其数据应用技术现状 在隧道施工过程中 对隧道围岩 支护衬砌结构所处的力场及其稳定状态进 行监控量测 被认为是保障施工安全 优化隧道设计 指导施工的主要方法 在 隧道施工中具有十分重要的作用 是新奥法施工的重要内容之一 1 2 1 国内外施工监控量测技术现状 1 施工监控量测的主要内容 隧道施工监控量测的内容涵盖了隧道围岩 支护结构力学体系的各个方 面 包括位移 应力 应变 压力等 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 目前进行得最多的 最有效的有隧道工作面地质观察 拱 顶下沉 洞周收敛等 其它项目主要在一些科研课题中开展 国外也曾有对其它 物理量进行监测的例子 如日本曾试图对掌子面沿隧道轴线的位移进行观测 以 判断隧道掌子面的稳定情况 但是这些量测项目的实施价值尚未得到证实 2 监控量测手段 隧道施工监控量测仪器设备精度高低 自动化程度 环境适应能力 可操作 性等性能决定了监控量测在施工过程中的受欢迎程度 然而 尽管科学技术正在 发生翻天覆地的变化 国内外隧道施工监控量测仪器的开发却裹足不前 目前 国内外普遍采用的量测仪器有 位移量测方面 经纬仪 水准仪 塔尺 钢尺 收敛计 百分表等仍然是主 要的量测设备 塔尺和水准仪仍然是国内外进行隧道拱顶下沉量测的主要仪器 这些传统的测量仪器 无论其精度还是操作性 自动化程度都远远落后于其它领 域 全站仪 隧道断面仪等自动化程度稍高的仪器在隧道工程中的应用范围也相 当有限 压力 应力量测方面 各种压力 应力量测设备根据其传感器的种类可以分 为电测式和机械式 其中电测式可以分为电阻式 电感式 电容式以及新型的压 电式和压磁式 机械式主要是钢弦式 虽然压力 应力量测的数字化程度正在不 断提高 数显仪表不断推出 但是 压力 应力量测同样面临两大困难 一是仪 表工作环境 安放埋设条件的要求较高 容易受地下水 电磁场干扰破坏 二是 量测自动化程度没有根本性提高 数显不能从根本上提高其自动化程度 锚杆轴力 抗拔力量测方面 锚杆轴力量测主要采用量测锚杆进行 其量测 原理与压力 应力量测无本质区别 同样存在相同的弱点 抗拔力量测不仅在测 试手段上落后 甚至其量测意义都受到挑战 总之 操作不方便 精度不高 难以适应恶劣工作环境 自动化程度不高是 目前隧道施工监控量测仪器的主要缺点 量测仪器的落后已经成为制约隧道施工 技术进步 难以深入开展隧道结构分析的主要瓶颈 虽然信息化施工监控量测在 学术界出现的频率很高 但大部分都是针对量测数据的存储 管理 鲜有针对量 测设备硬件 软件进行改进的研究 提高量测设备自动化程度和环境适应性成为 当前的主要任务 1 2 2 隧道量测数据应用技术现状 量测数据处理和应用 是发挥隧道监控量测作用的关键一步 也是技术含量 较高的一步 不进行数据处理或者不具备数据处理 利用能力 是当前隧道施工 量测存在的主要问题 这也是打消承包商进行施工监控量测的积极性的主要原 因 由于隧道结构计算分析的复杂性 对隧道应力 压力量测数据的分析大部分 都停留在感性 经验的层面上 只有在少数科研项目 重点工程中才深入开展量 测数据分析 其分析结果的合理性也有待于在实践中检验 位移量测数据是利用 率较高的量测项目 目前 在 般隧道施工中 位移量测数据的应用有 1 通过经验的 感性的认识 判断隧道围岩和支护结构的稳定性 经济性 经验是人类的宝贵财富 对于隧道工程而言尤其如此 由于深入进行隧道结构分 析十分困难 经验法和工程类比法成为隧道设计施工的主要方法 在旋工过程中 技术人员将位移量测数据绘制成位移 时间曲线 或者单纯根据位移值的大 小 比照以往的工程经验 判断围岩支护结构是否安全 经济 这种方法需要丰 富的工程经验 没有牢固的理论依据 可靠度不高 2 通过回归分析 函数拟合的方法获得位移发展曲线 从而判断位移发展 的趋势 这种方法操作起来也比较简单 但是使用这种方法的前提是获取大量的 量测数据 数据越多 拟合精度越高 同时计算量越大 大量的量测数据只有到 了位移发展的中后期才能获得 这使得数据分析 处理错过了指导施工的最佳时 机 从而变得毫无意义 另外 函数形式的选择也对分析结果有很大影响 只有 正确的函数才能得出正确的结果 而要寻求真正符合隧道围岩位移发展规律 形 式简单的函数十分困难 复杂函数又将带来计算上的困难 如何合理 快速 简捷地处理和应用位移量测数据 对指导施工 优化设计 和促进隧道结构理论分析具有重大意义 也是促进隧道施工监控量测工作开展的 重要力量 1 3 本文的主要内容 诚然 迅速提高我国施工监控量测技术及其数据处理 应用技术迫在眉睫 但是 施工监控量测是一个庞大的科学范畴 涉及到测量 应用数学 计算机 光电技术 通信技术等许多领域 其技术的提高需要依靠全国乃至全球各个领域 的专家学者共同努力 本文只针对隧道施工位移量测技术及其数据应用技术作局 部的研究 其主要内容包括 1 从位移量测理论 硬件组成和软件开发角度论述隧道位移实时监测系统 的研制 通过采用光电技术 单片机技术 计算机软件技术和通信技术 实现隧 道位移的实时 自动化监控量测 2 介绍激光隧道位移实时监测系统在工程实际中的首次应用情况 并采用 传统的数据处理和应用方法对量测数据进行分析 3 通过对灰色系统理论不同模型的对比研究 从中选出比较适合隧道位移 发展预测的灰色模型 并编制程序进行隧道位移发展的短期预测和最终位移值的 预测 加速隧道位移量测数据的处理和应用 虽然位移量测只是隧道施工监控量测中的一小部分 但是位移量测却具有举 足轻重的作用 在此基础上进行隧道施工实时监控量测系统的开发 充分掌握隧 道围岩 支护体系的力学行为 对分析隧道结构受力及其稳定性 经济性评价 将是一个巨大的促进 第二章隧道位移实时监测系统开发 2 1 隧道施工监控量测及其必要性 2 1 1 隧道施工监控量测 在隧道施工过程中 通过采用光学 机械或电子等手段 获得围岩 支护 系统的变化信息 并根据工程需要采取相应工程措施的过程称为隧道施工监控量 测 隧道围岩 支护系统力学参数及其变形过程的复杂性 使得我们越来越清 楚地认识到 要准确认识隧道支护 衬砌结构的受力特点是相当困难的 因而 自上世纪5 0 年代开始 国际上就已经提出了通过对地下工程进行现场量测来监 视围岩 支护和衬砌结构的稳定性情况 并应用现场量测结果来修正设计和指导 施工 随着新奥法施工技术的逐步完善 施工监控量测成为隧道与地下工程施工 的重要内容之一 由于隧道围岩 支护系统是一个复杂的巨系统 其受力变形过程十分复 杂 因而需要量测的内容也十分繁杂 包括隧道围岩支护系统的位移 应力 压 力等各个方面 对于公路隧道施工监控量测的内容 我国交通部颁发的 公路隧 道施工技术规范 j t j 0 4 2 9 4 n 1 作了较为明确的规定 隧道施工监控量测项目 按其重要性可分为应测项目和选测项目 应测项目包括地质和支护状况观察 周 边位移 拱顶下沉 锚杆或锚索内力及抗拔力量测 选测项目包括 地表下沉 围岩体内位移 围岩及支护压力 钢支撑内力及压力 支护及衬砌结构应力和裂 缝量测 弹性波测试等 2 1 2 隧道施工监控量测的必要性 虽然应用矿山法进行隧道施工时也经常开展量测工作 但这种量测的目的主 要体现在保障施工安全 新奥法施工技术的不断完善 信息化设计施工理论的提 出和现代监控量测理论的发展才是使监控量测工作重要性不断增强的主要原因 如今 监控量测成为隧道施工的重要内容之一 其必要性主要体现在 第一 监控量测是保障施工安全的主要方法 在隧道施工中 洞口边仰坡滑坡 围岩落石掉块和塌方都威胁着隧道施工人 员和机械的安全 我国隧道施工中发生安全事故的案例并不鲜见 为了保障施工 安全 加强隧道监控量测是重要途径之一 理论研究和工程实践都表明 大部分 隧道围岩塌方 失稳都是有征兆的逐步发展的过程 其征兆主要表现为隧道位移 持续发展或加速 围岩和支护结构出现裂缝和掉块 地下水渗出量增大等 通过 对隧道施工过程的监控量测 可以尽早发现 预测和预防塌方等灾害性事故的发 生 减少由此带来的人员和财产损失 第二 监控量测是应对隧道施工不确定性的重要方法 在岩体中存在大量的断层 节理和裂隙等不连续构造 在软弱围岩隧道施工 过程中 还经常遇到各种无法预测的复杂的工程地质问题 如涌水 膨胀性围岩 等 因此 隧道施工存在很大的不确定性 表现在 地面勘察获得的地质资料仅 为地下揭露的百分之几 地面勘察的结果准确性不高 隧道围岩的岩体结构是难 以精确描述的 无论是其物理 力学参数 还是其本构关系 结构模型都是难以 确定的 隧道施工参数随地质因素变化而变化 隧道施工还受气候 地下水状况 等自然因素和施工步骤 时机等人为因素的影响 隧道施工的这些不确定性决定 了在旌工中应当通过监控量测来保障安全 获取围岩 支护结构的变化信息和 稳定性情况 第三 监控量测是新奥法施工的需要 在隧道结构分析理论的发展过程中 先后形成了两大主要理论体系 一种是 上世纪2 0 年代提出的 松弛荷载理论 该理论认为 稳定的岩体有自稳能力 不产生荷载 不稳定的岩体则可能产生坍塌 需要用支护结构予以支承 4 1 q 另一 种理论是上世纪5 0 年代提出的现代支护理论 即 岩承理论 根据这一理论 围岩稳定是因为岩体自身有一定的承载自稳能力 不稳定的围岩丧失稳定有一个 过程 如果在这个过程中给围岩提供必要的支护 则围岩仍然能够进入稳定状态 t 4 3 前一种理论较注意结果和对结果的处理 而后一种理论则更注重过程和对过 程的控制 通过上个世纪近5 0 年的实践检验 岩承理论 逐渐被工程界和理论 界接受 该理论被认为更能有效地控制施工进程 达到安全 经济 高效之目的 根据两种不同的理论 人们提出了山岭隧道施工的两种不同施工方法 传统 矿山法和新奥法 传统矿山法以木或钢构件作为临时支撑 待隧道开挖成形后 逐步将临时支撑撤换 代之以整体式厚衬砌 砌石或混凝土结构 作为永久性支 撑 新奥法则是在 岩承理论 基础上提出来的以喷射混凝土和锚杆作为主要支 护手段 通过监控围岩变形 充分发挥围岩自承能力的施工方法 由于新奥法施 工初期支护能够适时有效地发挥作用 并能成为隧道衬砌结构的一部分 同时 根据监控量测的结果 可以在必要的时候变更支护形式和支护强度 能充分发挥 围岩自稳能力 新奥法在世界范围内得到了广泛的应用 在隧道和地下工程施工 中占据了主导地位 新奥法施工的程序如图2 1 所示 引自文献 4 图2 i 新奥法施工程序框图 为了减少对围岩的扰动 充分发挥岩体本身的自稳能力 并保证围岩能够适 当变形且不因过大变形而引发失稳 新奥法施工要求遵循 少扰动 早喷锚 勤 量测 紧封闭 的原则 在这四个原则中 勤量测 具有非常重要的作用 首 先 监控量测可以检验隧道实际所处的地质条件是否与设计时采用的地质条件相 符 检验隧道的受力变形过程与理论分析是否一致 其次 量测结果是判断隧道 开挖支护方法是否得当 支护强度是否安全 经济的重要依据 是修改和变更设 计的依据 另外 准确的量测结果是进行下一步理论分析必需的数据 第四 监控量测是信息化设计施工的需要 隧道工程信息化施工监测和设计理论的提出 也是促进隧道监控量测工作加 强的一个重要因素 随着人类进入信息时代 人们对过程的控制能力越来越强 人们对隧道施工过程中的监控量测 优化设计也提出了更高的要求 在长期的理 论研究和工程实践中 科技工作者们提出了隧道工程信息化施工监测和设计理 论 这一理论综合了隧道设计的经验法 工程类比法 数值分析法和围岩变形 反分析法等几种方法的优点 这种方法的具体操作如下 在初步地质调查的基础 上 根据经验法或者通过力学计算进行隧道预设计 初步选定支护参数 然后在 施工过程中根据监测所获得的围岩稳定性和支护系统的力学和工作状态等信息 对施工过程和支护参数进行调整 通过勘察 设计 施工等环节的反复交叉 修 正和优化 从而达到隧道工程设计和旌工的经济 安全之目的 信息化设计施工 的实现过程如图2 2 所示 引自文献 8 1 理论方法经验方法 图2 2 信息化设计施工的实现过程 信息化设计施工是一个反复交叉的过程 施工监控量测是其中最重要的环 节 量测结果一方面可以检验理论分析的正确性 判断原设计是否合理 另一方 面 量测结果是进一步进行反馈分析的重要依据 量测数据准确与否 直接影响 到理论分析 优化设计的正确性 2 2 隧道位移量测的主要内容及其地位 在隧道施工监控量测的众多项目中 最受工程技术人员和科研人员重视的是 隧道位移量测 隧道位移量测主要包括周边位移 拱顶下沉 地表下沉以及围岩 体内位移的量测 其中周边位移和拱项下沉的发展情况是隧道围岩和支护结构稳 定性的最主要表现 也是最容易获得 数据最直观 可靠的部分 本文所讨论的 隧道位移量测主要为周边位移和拱顶下沉量测 地表下沉及岩体内部位移的量测 方法与周边位移 拱顶下沉相同或相似 相对于监控量测的其它项目 如围岩压力 支护结构内力 锚杆抗拔力等 隧道位移量测具有容易获得的特点 在施工过程中 无需特殊的量测器械 只需 要采用水准仪 收敛计等就可以进行位移量测 不需要钻孔预埋测点 只需对测 点位置稍作处理 做上标记即可 位移量测没有很高的技术含量 普通测工即可 完成 因此 位移量测在隧道施工过程中受到工程技术人员的欢迎 当然 隧道位移量测受到重视并不完全是因为其操作简便 最主要的是位移 发展过程直观地反映了围岩 支护系统的受力变形情况 根据位移发展情况可 以准确地判断隧道围岩 支护系统的稳定性 分析围岩初始地应力的释放情 况 图2 3 是隧道位移发展的几种典型情况 其中曲线i 是位移收敛曲线 随着 围岩应力的释放和初期支护结构强度的发挥 围岩位移量在经历了一段时间的明 显增加以后 逐步趋于稳定 不再发展 这种情况有比较宽裕的时间进行二次衬 砌施作 曲线i i 属于围岩蠕变曲线 在经历了围岩应力释放以后 围岩位移并不 收敛 而是继续缓慢增长 这种情况需要在位移发展到一定量时及时施作二次衬 砌 以免因过大变形侵入建筑限界或者引发塌方事故 曲线i i i 是典型的失稳曲线 在围岩应力释放过程中 引起了周边岩体的进一步松动 位移继续大幅度增加 此时应当加强支护 以免发生塌方事故 由此可见 隧道位移的发展 直观地反 映了隧道围岩 支护体系的稳定情况 据此可以判断设计 施工的合理性 针 对不同的稳定情况 采取相应的工程措施 m 位 移 量 图2 3 隧道位移发展的几种典型情况 相对于其它量测项目 位移量测还具有数据准确的特点 由于位移量测操作 简单 测量仪器成熟可靠 受地下水 电磁场干扰影响小 因此 只要认真测量 其结果具有较高的准确性 正是由于位移量测具有容易实现 直观 数据可靠等特点 隧道位移量测成 为隧道施工监控量测的首选量测项目 在监控量测中具有很高的地位 此外 隧道位移量测的重要性不仅随着隧道设计和施工技术的发展而逐步提 高 也随着人们对隧道与地下工程受力特点的认识加深而不断提高 现在 隧道 o 位移量测不仅是保障施工安全的手段 还是隧道结构理论分析所必需的实测数据 的重要来源 如通过采用灰色理论等不确定性系统分析手段 可以预测位移发展 的趋势 尽早判断围岩 支护体系的稳定性 及时采取措施 实现安全 经济 高效之目的 通过结构数值计算 反分析等手段 对隧道结构受力开展进一步的 研究 促进隧道结构分析理论的发展 正是基于上述原因 隧道施工中的位移量测受到工程界的广泛重视 但是由 于隧道内施工环境所限 隧道位移监测工作长期以来都未得到很好的实施 在施 工中 不做位移监测或者擅自降低量测频率的现象非常普遍 这对隧道施工安全 和进度构成很大的威胁 同时也影响了承包商的经济效益 随着计算机的普及 单片机控制技术的成熟和广泛应用 人们有望实现隧道内位移的自动量测和实时 监控 真正实现隧道工程信息化施工和优化设计 在这种背景下 研究一套隧道 位移实时监测系统变得非常必要 2 3 隧道位移量测理论 随着地下工程的增多 工程界越来越重视对监控理论的研究和对监测系统的 开发 完整的测量系统一般包括以下几部分 待测量系统 测量系统和记录分析 系统 具体到隧道位移监测 比较完整 合理的监测系统应该包括 待测量体系 测量系统 显示记录与分析系统 各部分的内容如图2 4 所示 图2 1 位移监测系统的基本组成 d 待测量体系是由待测位移量构成的 包括隧道拱顶下沉 隧道周边收敛 等 这个部分还应该包括对待测量的标示 如测点的布设等 测量系统是将待测物理量转化为人们可读取或者可辨识物理量的一个 系统 如用水准仪测量拱顶下沉时的塔尺 水准仪等 在传统的隧道位移测量方 法中 这一部分主要由水准仪 经纬仪等一套光学系统组成 对于自动化的量测 圆一霉e 系统 这一部分主要由传感器和放大电路 滤波电路 调制解调电路等各种不同 功能的电路组成 d 显示 记录与分析系统包括对数据的显示 记录 整理 分析和处理 在传统的量测方法中 这一部分主要由人工完成 包括资料整理 表格填写以及 根据经验对测量数据进行判断处理 而在计算机辅助监测系统中 主要采用数据 库技术存储数据 并通过一些相应的软件 专家系统对数据做及时的分析处理 对工程现状进行评价并提出应采取的措施 性能指标是评价监测系统的主要性能参数 对于隧道位移监测系统 其主要 性能指标有精度 稳定性 测量范围 量程 分辨率和采样频率等 一套优良 的监测系统在理论上要求有较高的精度 比较好的稳定性 合适的测量范围和分 辨率 但是实际上要同时达到上述几个要求是很困难的 因此往往要综合考虑各 种因素 有所侧重地控制这些指标 对于实时监测系统 除了上述一些指标以外 还包括通信能力 响应灵敏度等 2 4 隧道位移量测技术概况 2 4 1 国外隧道位移监测概况 跟其它技术领域一样 我国隧道建养水平与发达国家和地区相比有不小的差 距 一方面 西欧 日本等发达国家高速公路建设起步很早 具有较长的隧道 地下工程建设历史 深入开展了隧道与地下工程各方面的科研 积累了比较丰富 的设计 施工经验 另一方面 在发达国家 以人为本 的指导思想贯彻到社 会发展的各个领域 在地下工程施工中 十分重视施工作业的安全状况 对施工 环境具有严格要求 重视改善施工人员的工作环境 另外 发达国家经济投入大 有利于从经济上保障隧道旌工安全措施的实施 也有利于开展各项科研活动 从 而取得一系列的技术进步和建设成果 西欧的隧道施工技术在全球处于领先地位 也是 以人为本 思想和 可持 续发展 思想的主要倡导者 在西欧 对隧道施工监控有严格的管理措施 一方 面 从保护劳动者的角度出发 注重改善施工环境 侧重于机械化施工 另一方 面 注重对隧道围岩 衬砌结构的受力 变形监测 保证人员机械安全 以达到 经济 安全之目的 然而 隧道位移监测是一项十分复杂的工作 不同于地面工 2 程变形监测 地下工程的特殊性使之变得十分困难 通过国际技术查新 与隧道位移监测技术关系紧密的领先技术包括 在西欧 曾有使用红外测距技术 激光技术及数码成像技术 对隧道内多点 进行观测 然后进行坐标计算 得到测点位移信息的报道 红外测距技术由于测 距精度的限制 其监测精度一直得不到提高 误差一般在2 m m 以上 主要应用 于大型结构 如边坡 大坝等的长期变形观测 同时 通过多测点反算引起的误 差传递 积累也是制约量测精度的一个重要原因 多测点观测反算需要布设较多 测点 也不适合于隧道内狭长空间 在西欧 虽然量测技术t e 较先进 对位移 应力等全面监测系统也曾做过尝试 但是未见具有实用价值的产品 更谈不上具 备高采样频率的监测系统 日本是一个隧道技术发达的国家 我国很多隧道技术都是从日本引进的 有 文献称 日本曾尝试过采用红外测距技术对隧道掌子面进行观测 同样 这种技 术受到测距精度的限制 位移监测对施工干扰大 采集的数据可靠性值得商榷 对于一般隧道的拱顶下沉和周边收敛 日本采用的量测技术和我国相差不大 总之 即使在隧道技术较先进的国家 隧道位移监测也是一件很困难的事情 量测方法和量测精度都有待于进一步提高 要想实现位移的实时监测仍需要做大 量的工作 2 4 2 国内隧道位移监测概况 近年来 我国公路隧道建设取得了骄人的成绩 截至2 0 0 0 年底 全国已经 修建公路隧道1 6 0 0 多处 单洞里程6 0 0 多公里 伴随隧道建设规模的不断扩大 广大隧道建设者 科研工作人员积极开展科研攻关 使我国隧道设计 施工技术 不断进步 一批长大隧道 特长隧道陆续建成 如中梁山隧道 二郎山隧道 铁 路秦岭隧道等 特殊地质如软岩 黄土及其它恶劣地质条件下隧道建设技术也取 得了长足的进步 与隧道设计 施工技术的显著进步形成鲜明对比的是 我国隧道施工监测技 术仍停留在数十年前的技术水平 与国外尤其是与西欧 日本等隧道技术先进的 国家之间仍有较大差距 一方面 我国经济技术水平较低 施工机械化程度普遍 很低 在施工过程中 不重视施工环境的改善 对隧道施工监测器材 方法研究 投入较少 对隧道施工监测量测管理不严 另一方面 由于我国隧道建设起步较 晚 在早期的发展过程中 科研攻关的焦点主要集中在隧道结构设计 受力分析 和施工方法上 而忽视了监控量测技术的研究 目前 虽然我国公路隧道施工规范规定了包括隧道内地质围岩观察 隧道拱 顶下沉量测 隧道仰拱隆起量量测 钢支撑内力和喷射混凝土内力量测 地表沉 降量测和锚杆抗拔力量测等项目 但在施工过程中 往往得不到很好的实施 主 要只进行隧道位移的量测 其它的量测主要在一些科研项目中才开展 而即使是 位移量测 由于操作不便 干扰施工 数据利用率低 在实际工程中也常常违规 降低量测频率 编造量测数据 隧道位移量测主要包括隧道拱顶下沉和周边收敛量测 国内进行隧道位移量 测 普遍采用传统的测量仪器进行 主要包括 1 以经纬仪 水准仪 塔尺等传统测量仪器为主 用于隧道拱顶下沉量 测 2 以带孔普通钢尺作为位移传递介质的隧道净空变化测定仪器 如铁道 部科学研究院西南研究所研制的s w 卜 8 1 型隧道净空变化测定计 洛阳8 9 0 0 3 部队研制生产的q j 一8 l 型球铰式隧道净空变化测定计 美国s i n c o 公司生产的 球状测点隧道净空变化测定计等 这些仪器的精度大多在0 1 m m 左右 受温度变 化影响 自动化程度低 3 以隧道断面仪为代表的隧道断面收敛量测仪器 数码相机及其图像识 别系统 总体来说 我国目前广泛使用的位移量测仪器仍停滞在数十年前的水平 具 有自动化程度低 使用不方便 数据处理麻烦 测量环境恶劣和测量劳动强度大 等特点 一些改进的仪器虽然具有数字化的特点 但是仍属于半自动化仪器 每 次都需要人工架设仪器 或者需要人工对采集数据进行加工处理 在位移量测测点和测线布置方面 一般根据隧道几何尺寸 结构形式 地质 条件 开挖方法和位移速度等进行设计 按照实际需要选择合理的测点和测线数 量及其布置方式 进行拱顶下沉监测时 可以布置一个或三个测点 用倒挂塔尺 的方法进行测量 洞周收敛有1 条 2 条 3 条 6 条测线等多种方案 如图2 5 所示 根据需要设计的测点 测线一般能够满足工程需要 即使遇到特殊情况 也可以及时根据现场情况进行量测方案调整 在位移数据处理方面 许多学者都提出了自己的观点 1 在以往的隧道施工过程中 经常积累较多的量测数据后 对数据进行 回归分析 有学者 0 1 认为对隧道收敛量测进行回归分析 观测数据不宣少于2 5 个 并认为采用对数函数u a b l g 1 f 用于隧道收敛初期 指数函数 u a o e 用于围岩基本稳定后 双曲函数u t a b t 用于最终收敛值预测 可以取得较为满意的结果 2 石家庄铁道学院 北方交大的学者 尝试过用时间序列分析的更一 般的组合模型描述隧道施工监测数据的变化规律 可以提高拟合模型的精度和预 报的可靠性 其中 数据序列随时间变化的均值可用多项式或指数函数描述 而 零均值的平稳过程可用a r n 或a r m a n m 模型拟合 3 简文彬等 3 以福州大腹山隧洞为例 在分析其工程地质条件的基础 上 对隧洞围岩位移监控量测数据建立了非线性时间序列分析模型 并用于预测 隧洞围岩位移的未来变化 评价围岩的稳定性 4 张忠亭 钉用g m i 1 模型分析洞室围岩的收敛变形时 对非等时 距量测数据进行插值后再进行灰色模型分析并进行预测 取得了一定的效果 a 拱顶下沉测点 布置 3 个测点 b 拱顶下沉捌点 布置 1 个测点 台台 c 洞周收敛涌线d 洞周收敛器线 布置 1 条铡线 布置 2 条铡线 台窜 e 润周收敛舅线f 洞周收敛测线 布臂 3 条测纯 布置 6 枭测线 图2 5 拱顶下沉与洞内收敛测点溯线布置 回归分析法存在数据需求量大 计算量大 函数选择困难 外推预测精度低 等缺点 更为重要的是 用回归分析法进行数据分析 往往只能在隧道开挖后期 数据采集量较大时进行 分析结果对施工的指导意义不大 时间序列分析法原理 复杂 计算步骤多 难以实现自动计算分析 同时 现有的时间序列分析法 灰 色系统简单模型都存在需要将非等时距量测数据等时距处理的缺点 用特定的函 数形式进行插值 进而进行数据分析 给系统模型增加了额外约束 必然改变系 统真实的发展过程 导致结果误差增大甚至发生错误 灰色理论分析在隧道位移 量测数据分析中的应用还存在模型单一 程序化水平低 不能进行最终下沉量预 测等缺点 需要进一步发展和完善 总之 目前我国隧道位移监测工作存在监测仪器落后 自动化程度低 操作 不够简便 干扰施工 数据分析手段不能满足工程需要等不足之处 还需要花大 力气进行隧道位移监测技术的科研创新 2 5 隧道位移实时监测系统研究 计算机 单片机和软件技术的广泛普及使得过程控制技术不再局限于航天 军事等高科技行业 在工业 建筑等民用领域 过程控制技术具有广阔的应用空 间 隧道位移实时监测系统就是综合应用激光技术 计算机技术 单片机技术和 现代通信技术而开发的应用于实时监视隧道位移发展情况的系统 2 5 1 隧道位移实时监测系统的组成 从硬件角度看 隧道位移实时监测系统由以下几部分组成 基准激光器 位 移监测仪 调制解调器 信号线路和监控计算机等五个部分 如图2 6 所示 崔接锚杆连接锚杆 图2 6 隧道位移实时监测系统组成 其中激光器和位移监测仪通过连接锚杆安装在隧道内 其电源可以与信号线一起 引入或就近接入 位移监测仪可以随时响应计算机指令 并根据指令向计算机发 送测量数据 应用专用的监测软件 技术人员可以远程获取隧道位移实时信息 查看历史数据 进行数据报表和位移发展预测等 根据系统各部分的不同功能 可以将系统分为 激光定位部分 读数电路 部分 信号传输部分 软件处理部分和辅助设施部分等五个部分 激光定位部分 读数电路部分 信号传输部分 软件处理部分 辅助设施部分 f 激光器 i 位移监测仪感光靶 模拟信号接收部分 i 一 d 转换部分 f 调制解调器 l 传输电缆 f 数据读取程序 数据存储 1 数据分析处理 f 固定锚杆 电源设施 1 其它办公设备 2 5 2 隧道位移实时监测系统工作原理 隧道位移实时监测系统工作原理是 将激光器和位移监测仪安装在待测相对 位移的两点上 激光器向监测仪感光靶发射激光束 感光靶通过传感器将光信号 转换为电信号 然后由读数电路进行分析处理 将激光器和监测仪中的一者安装 在固定位置 另一者安装在隧道围岩或支护结构上 则可以通过激光器和位移监 测仪的相对位移获取隧道围岩或支护结构的位移 系统各部分的原理如下 激光定位原理 利用激光良好的准直性以及激光束散射少的特点 可以精确的测出激光斑在 感光靶上发生的位移 如果将激光器和监测仪之一固定于不动点上 或其中之 的位移已知 则可以计算出另外一点的位移值 如图2 7 所示 当感光靶随着围 岩下沉 由初始位置a b c 到第二位置a b c 通过激光斑对应感光靶上的不同位 置 可以得到激光靶的位移量6 同样 如果感光靶固定在不动点上 而基准激 光器固定点发生位移 也能够通过激光斑对应感光靶的不同位置得到位移量 蓐光靶感光靶正面 图2 7 激光定位示意图 撖光斑 d 位移监测仪设计 位移监测仪是监测系统的关键部件 具有与计算机通信 接收激光信号 进 行模数转换 控制激光器开关等功能 位移监测仪的结构如图2 8 所示 图2 8 位移监测仪构造图 感光靶是一个精确定位的光纤阵列 阵列由1 9 2 根光纤的终端开口排列而 成 与感光靶光纤阵列一一对应的是感光元件阵列 在工作时 被激光照射的光 纤终端将接收到的激光通过导光系统传输到对应的感光元件上 激光强度达到程 序设定的灵敏度阀值时 感光元件被导通 当电子电路对感光元件阵列扫描时 被导通的感光元件将被识别出来 由此可以确定激光斑在感光靶上的位置 电子电路的核心是单片机 单片机具有良好的自动化能力和适当的中断处理 能力 具有很高的时钟频率和很强的运算能力 因此能够快速准确地对感光元件 阵列进行扫描 系统采用a t m e l 公司的8 9 c 2 0 5 1 单片机作为位移数据采集的 控制器 8 9 c 2 0 5 1 是内含2 k b f l a s h 存储器的c m o s 单片机产品 它采用了8 0 3 l 单片机核心 指令代码完全与8 0 3 1 兼容 具有编程方便 保密性强 体积小 功耗低等特点 同时该单片机具有较强的硬件管理能力和全双工串行通信能力 通过引脚接线改造后 该单片机可以满足m o d e m 和4 8 5 半双工工作模式的要求 实现单片机与量测计算机之间通信 数据交换 8 9 c 2 0 5 1 内含2 k bf l a s h 存储器 便于芯片程序修改 增加系统与外部存储器接口 避免计算机长期连续工作 电子电路的第一个功能是与计算机通信 在一个通信系统中 必须要有统一 的通信协议 包括数据传输速率 数据帧格式 校验方式等 本系统由于数据传 输距离远 线路上会引入干扰 为防止数据传输错误 在能满足要求的前提下 串行通信采用串口方式1 8 位异步收发 传送一帧信息为1 0 位 即8 位数据 位 1 位起始位及1 位停止位 计算机每次发送给单片机的数据由这样五个字节 组成 其格式为 其中 前两个字节为前导码 标志 帧数据的起始 保证数据传输的准确性 第 三个字节是监测仪的地址号 第四个字节是所选择的监测仪对应的激光器的地址 号 第五个字节是灵敏度阀值 单片机每次返回给p c 机的数据由七个字节组成 其格式为 其中 第一个字节为前导码 第二个字节为逐行扫描的总点数 第三个字节为所 有亮点数之和的低8 位 第四个字节为亮点数之和的高8 位 第五个字节为所有 亮点中的最低点 第六个字节为所有亮点中的最高点 第七个字节为亮点的总数 电子电路的第二个功能是进行位置识别 电子电路根据计算机的指令 对感 光元件进行扫描识别 达到灵敏度阀值的感光元件将被识别出来 并将模拟电信 号转换为数字信