地铁隧道监控量测

1、地铁隧道监控量测方案 本文重点介绍四种地铁隧道自动化实时监控方案。地铁隧道监控量测方案分类： 按传统的监控量测方法，分为人工监控量测、自动化实时监控两类。 上海地铁，自地铁1号线1995年正式投入运营，已近20年的历史。以往，地铁隧道的运营期监控，都是采用夜间地铁停运后，派人下入隧道，利用传统的测量方法，进行测点的坐标定位。因人工监控中的人为疏忽，上海地铁曾经发生可以避免的事故、以及为避免人员频繁下入隧道，上海地铁，在自动化实时监控方面，做了大量的研究尝试、以及投入，探求自动监控的各种方案，目前，由于技术限制，上海地铁，采用了传统的自动化监控量测方案，详后述。地铁隧道的自动化实时监控，是必然趋

2、势，因此，本文将重点介绍四种地铁隧道自动化实时监控方案。按地铁隧道的阶段，分为隧道施工阶段、运营阶段的监控量测。隧道施工阶段，虽然周期短，但其监控是最重要的。隧道的变形、沉降等，大都在施工阶段基本完成，也是隧道事故多发阶段。近几年，隧道施工阶段事故不断，2008年杭州风情大道地铁一号线出口附近，发生大面积地面塌陷事故，造成重大损失及人员伤亡。本阶段的隧道事故，部分可以通过累计变形趋势预测，许多事故，则具突然性，只在几天内完成变形倒塌，无法通过人工监控量测来进行预警。自动化实时监控方案分类：传统自动化监控量测：以全站仪为技术核心，对隧道测点实现三维坐标实时监控，分为有线、及无线数据采集两种，已经

3、达到实用程度。但该方案，投资大，测量精度低，适用于施工阶段的实时监控，可以达到预警的目的，对于运营阶段，精度不够。一般，施工阶段，还没有建立无线传输网络，施工条件限制，设备保护也存在问题，为该方案的推广，增加了种种难度。目前，上海的地铁运营监控，主要采用该技术。倾角仪自动化监控：以倾角仪为技术核心，同济大学已经在上海地铁某隧道施工中做了试验段，目前在专利申报中，不过多介绍该方案。该方案的优点是，采用无线数据采集技术，设备小，易于施工阶段的设备保护，可以对施工阶段、及运营阶段进行预警。存在的问题，投资大，施工阶段需要建立无线传输网络，可以肯定的预警隧道事故，但不能准确计算各测点的三位坐标，特别是

4、隧道的纵向测点位移。摄像自动监控：以摄像、图像识别为技术核心，是最可能经济的监控方案之一，为贯彻连续不间断监控，将设备装在运用列车的机头上即可。适用于隧道的运营监控，目前，尚无实用系统推出。分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统项目价值： 1 估算，全国地铁建设规模，不久将达到5000公里，上海已经达到500公里，该系统市场投资额在系统设计施工150亿200亿，长期服务费在每年1050亿，取决于是否甲方投资、或双方投资。每公里造价50万（产品直接费）400万（按70%利润报价），取决于监测标的、光纤保护要求等。该系统，具有绝对竞争优势。2 系统研发及实验段设计施工（包括软件开发），6个

5、月内可以完成。先期投入启动费用50200万元。3 实验段，如果是自费，可做100200米，估算材料、施工费用1020万元；100万的光纤光栅调制解调仪，由设备合作方提供；其它投入，软件设计：初期简易10万（基本完成），后期完善10万。4 开发方向，可以通过自投资系统开发：自投资系统设计、地面测试，产品完善后，首先进行公路隧道的施工、运营监测项目投标或寻求推广系统使用。系统经验证、完善后，再参与地铁隧道的施工监测、运营监测投标。 1）光纤确定、标定；光纤力学物理参数实验测定。 2）方案的工艺设计：封装盒、夹具、零件、专用施工工具等设计。 3）地面模拟系统测试、完善。总投资，50万元可完成系统的地

6、面、或公路隧道的系统开发、测试、完善、及验证。但，较短的隧道，不适合于本系统，一台调解仪，价值超过100万。先进性 与人工测量相比：可实现24小时不间断自动化测量、监控、预警。高于人工测量精度，避免人为误差及疏忽。测量、监控内容全面（沿隧道纵向设置测量回路，或称作测量带）可以测量、监控测量带上、沿纵向的所有管片。 精确计算各测点的三维坐标，从而计算测量所需的每个管片段的水平、竖向位移、轴向（纵向）位移，并推算出隧道的收敛、开度等。 该系统，是根据宋启宽等发明专利：分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，用于地铁隧道的实用技术和方法，进行的实例化方案。解决了单纤的裸纤脆弱问题；解决了传感

7、器定位误差问题；提供了测点三维绝对坐标定位的技术方案及计算方法等，为分布式光纤光栅传感器系统的应用开创新的一页。 先进性 与现有系统相比：现有分布式光纤光栅传感器系统，由于没有研究透和充分发掘系统的作用只能测量传感器两端点间的应力、应变、温度。不能给出各端点的三维坐标，因此不能取代人工测量。目前，应用较多的，除了广泛用于温度的监控，大都利用光纤光栅可以精确测定传感器的应变，用于计算感器两端点的，沿传感器方向的一维坐标相对位移，并且不能计算出端点的一维绝对或相对坐标值。现有系统，一般采用裸纤作为传感器，极容易断裂，使得系统达不到实用程度。在申通的某段地铁隧道的试验中，改用了将裸纤贴于钢管上，其缺

8、陷：制作工艺复杂，提高造价，过多的光纤断头及材质差异，降低测量精度（温度补偿等因素）。自动化监控预警，代替人工测量，杜绝人为疏忽，是必然趋势，即使不具经济性。经济性及系统简介该系统，是最可能经济的对全部沿纵向管片进行监控、测量的系统。该系统，由一台主机（激光发生解调接收器）少于150万元人民币，可服务20公里以内的范围；以及沿隧道纵向全程布置的条状测量带组成。测量带，由多条毛细钢管封装单纤组成，每间隔约1.2米（每段管片）设测点23个，全部光纤采用C型不锈钢管套保护（这是最主要成本）。总投资，估算每公里不超过200万元人民币。该系统是做到精确测量，测点最多（覆盖全部纵向管片，每公里超过5000

9、测点），投资最省，测量内容最齐全的自动化测量监控系统。随着先进技术的开发使用，避免人工频繁进入隧道，上海地铁运营监测，已经逐步过度到自动化检测。目前的其它自动监测系统，投资大，或测量内容不全面，往往需要人工辅助测量。如果希望达到较齐全的测量（水平、竖向、纵向位移）数据，估计每公里超过12001500万元人民币。目前，应用较多的是智能型全站仪，一般精度为±（5mm+5ppm），这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、

10、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息的多功能测量仪器。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常称之为全站型电子速测仪或简称全站仪。其经典代表为徕卡公司的TC系列全站仪。其计算模型，建立在两测点间，已知某测量项，根据三角关系，推算其它测量项。但实际上，隧道的所有不同管片上的测点，都是有相对变位的，存在测不准原理。虽然可以使用校准方法补偿，但由于精度不够，系统误差过大。全站仪的最大问题是通过光学瞄准识别精度不高，误差大，不能准确测距，存在测不准原理。 最近，倾角仪的性价比已经达到实用程度，非常实用于隧道施

11、工的自动化实时监控。但不实用于隧道的运营监控，除其投资成本极高之外，关键在于测点太少，需要对隧道的各种变形计算，进行刚性假设及曲线拟合等粗算，不能对测点进行精确三维坐标定位。可靠性该系统，采用多路光纤测量回路，超冗余度测量。即使多根光纤出现故障，也不影响正常使用，便于集中定期维护，提高系统测量精度及降低累计误差。所有螺栓，为特制螺栓，采用结构胶封闭，并且，大多螺栓封闭于封装盒内，可保障无异物脱落。该系统，采用毛细钢管封装光纤，解决了光纤自身的脆弱缺陷，全程采用不锈钢套管保护，大为降低维护次数。地铁隧道原设计，没有考虑加装该系统的位置，这是最大的困难。但，加装自动化监控系统，是必然趋势，该方案，

12、找到了合适位置，但需专家论证：加装该系统，并不影响隧道的正常使用功能。系统方案及工艺简述DTS分布式光纤自动测量、监测系统，由一台主机（光纤光栅调制解调器）及多条单纤回路组成。下面，仅仅就光纤回路系统的布置，具体介绍布置方案。该系统，由两部分组成，第一部分，为测量回路，为主要系统；第二部分，为可选回路系统，可做多组，一般，只需要最两组，就可满足全部隧道每个管片段的收敛、开度等的计算。系统布置，详见图-1。根据管片环向两端简支、半刚性假定，为简化施工及降低造价，最佳实施方案，见图-2。从略。专利摘要：本发明分布式光纤光栅传感器长距离自动测量监控预警系统，包括由一个或多个测量回路组成；其中每个测量回路是由传感器组成空间结构体所形成的空间体测量回路，或由传感器按平