城市下穿隧道结构监测技术研究

1、城市下穿隧道结构监测技术研究杜新生王印杰戈福军中建七局安装工程有限公司摘要：近年来，随着我国经济的高速发展，城市下穿隧道越来越多，安全事故频频发 生并造成不可估量的经济损失和恶劣的社会影响，对于长期在役的重要结构， 引起人们对工程结构安全性和耐久性的重视。如果能够定期对其累积损伤的程度 做出正确评估，就可以充分掌握结构的工作状态，确保结构的安全。本文通过对 郑州航空港区滨河西路快速化隧道工程进行研究，采用了常规点式监测方法无 法实现的高精度、分布式大范围的连续自动监测，及时提供隧道性态及其变化信 息，降低隧道工程施工风险，提高隧道及其环境的安全程度，使隧道能够充分 发挥工程效益。关键词：下穿隧

2、道;结构监测;土体位移;裂缝监测;收稿日期：2017-9-19received： 2017-9-191城市下穿隧道结构监测概述滨河西路快速化工程项目位于实验区中部，南水北调中线总干渠从滨河西路东 侧经过，距离200m左右，道路整体呈南北走向，全长26052m,设计时速60km/h, 双向6车道，是郑州航空港区的主要干线。该地区地层主要由第四系全新统流河相及部分河湖相冲积物洪积而构成。上部为 黏性土，主要有黄褐色、灰褐色粉土，下部位砂土（含卵砾石），底部为基岩。 黄土以黏粒的强结合水连结和盐分的胶结连结，在干燥时可以承担一定荷重而 变形不大，但浸湿后，土粒连结显箸减弱，引起土结构破坏产牛湿陷变形

3、。黄土 湿陷性是黄土的一种特殊的工程地质性质，黄土具有在自重或外部荷重下受水 浸湿后结构迅速发生突然下沉的性质。结构监测是指利用现场的无损传感与结构系统特性分析（包括结构反应），探 测结构的性态变化，揭示结构损伤与结构性能劣化。它是集智能传感元件、数据 有线或无线采集和实时处理、结构损伤识别、健康诊断与可靠性预测以及远程通讯与数据管理等硬软件系统于一体，是工程理论发展与综合的象征、高新技术开 发与集成的标志，同吋也是现代结构实验技术的集中体现。2隧道结构监测内容本隧道群受结构应力、整体沉降、局部沉降、裂缝、土体位移及地下水等影响。 在监测方案中对隧道主要以下儿个方面进行监测：(1) 对隧道结构

4、部分进行应力应变监测；(2) 对隧道结构部分进行变形监测；(3) 对隧道整体和局部进行沉降监测；(4) 对隧道周边环境监测。2.1结构应力应变监测应力应变监测主要涉及混凝土应力应变。监测项目及设备为表lo混凝土表面应变计安装在建筑物表面，测量结构的应变。仪器与待测钢结构的温 度膨胀系数相同，与混凝土的温度膨胀系数也非常接近，所以很少需要温度修 正。需要时，内置的温度传感器可同时监测安装位置的温度。表1检测设备表下载原表监测项目设备名称混凝土应力应变表面应变计结构中间部点釆用不锈钢制造的振弦式应变计，具有很高的精度和灵敏度、卓越的防水性能、 耐腐蚀性和长期稳定性。由专用的四芯屏蔽电缆传输频率和温

5、度电阻信号，频率 信号不受电缆长度的影响。适合在恶劣的环境下长期监测建筑物的应变变化。2. 2结构变形监测结构变形监测主要监测隧道结构的空间收敛、沉降缝变化、倾斜、沉降、位移。 主要监测项目及设备表2。监测项冃1设备名称11主体沉降压差式变形测量计沿重要区域段5s间捱测缝仪振弦式表面裂缝计对预留伸缩缝和少压差式变形测量传感器是基丁连通管原理测量沉降的自动化监测系统，是国内 最新的数字处理技术研发的新一代智能数字接口产品，具有高精度、高可靠性、 使用和安装方便等特点。压差式变形测量传感器采用低功耗、宽电压设计。在不进行数字通讯的情况下， 功耗不大于20mao电压范围是直流1024vdc。压差式变

6、形测量传感器的通信采用rs485通信协议，半双工工作方式，最高通 讯速率57600bpso采用简单的ascii码命令格式，方便使用。最高采样速度10 次/s。该传感器可以通过rs485总线组成双绞线网络，特別适用于计算机控制系 统屮。表面裂缝计用于测量表面缝的开合度，例如:建筑、桥梁、管道、大坝等混凝土 的施工缝，配用不同的附件，也可测量土体的张拉缝与岩石和混凝土的裂缝。仪 器常用于表面式安装。仪器包括一个振弦式感应元件，该元件与一个经热处理并消除应力的弹簧相连， 弹簧两端分别与钢弦、传递杆相连。仪器完全密封并可在高达impb （特殊要求 可定制）的压力下操作。当连接杆从仪器主体拉出，弹簧被拉

7、长导致张力增大并 由振弦感应元件测量。钢弦上的张力直接与拉仲成比例，因此，接缝的开合度通 过振弦读数仪测出的读数变化而精确地计算。2. 3环境监测环境监测主要包括温度、气压、地下水压力、雨量统计等，主要设备如下：温湿度传感器，测量隧道内温度和湿度，安装在隧道墙壁，主要监测点以每条 短隧道保证一个温湿度传感器。3隧道结构监测系统运行3. 1系统结构组成整个系统分为数据分为采集/传输/处理/应用部分，传感层对各个监测项进行实 时监测，采集模块将传感层发出的模拟信号转为数字信号，传输层将数据发送 至处理层及服务器（云端），云端对数据进行处理、分析，最终将监测数据、预 警信息发送自客户端（pc、ipa

8、dx手机等终端）。3. 2数据采集单元结构数据采集系统的设备主要包括:各类监测传感器、数据采集设备以及通信、数据 分析平台及软件等，其采集系统原理示意图如图1所示。一般根据隧道的现场环境，在隧道的相应地方设置监测点，然后将传感器安装 在监测点上面，将现场所有安装的传感器连接到外场监测站，在外场监测站安 装一个采集仪防护箱，所有的传感器连接电缆全部引进采集仪防护箱连接采集 仪，系统由远程控制，通过采集仪采集传感器数据后，将数据通过在线数据传 输的方式将传感器数据直接传输到控制中心，保证了数据的可靠性，并可以实 时对采集点进行认证、连接、管理和控制。图1数据采集、信号结构示意图下载原图3.3据的传

9、输结构数据的传输则可利用成熟的2g/3g/4g网络，通过灵活地控制设备的采集制度, 进行远程控制。有线部分为:传感器采用专用线缆连接采集器，采集器可以用rs-485串口或光 纤连接共用无线传输模块，进行实吋在线传输。数据上传:数据汇总并通过运营商2/3/4g无线网络传送至云平台。在zigbee末 端采用dtu无线实时在线传输模块，dtu采用高性能工业级嵌入式处理器，以实 时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的tcp/ip协议栈。 为用户提供高速，稳定可靠，数据终端实时在线，多种协议转换的虚拟专用网 络。把dtu设备链接采集仪上，此吋数据库或采集仪里面采集到的数据通过dtu里面 移动手机卡gprs功能把数据传送到internet网络上。从而用户可以通过登录网 站查看自己测得的信息数据。在应用之前先进行设置数据中心的1p和端口及其 它参数，之后串口和采集器串口对接，可实现双向透明传输数据。4城市下穿隧道结构监测的目的及意义郑州滨河西路快速路短隧的建设采取积极、主动的防御监测系统，对郑州航空港 经济综合实