隧道运营期结构健康监测

1、Hfa!HV电4粘虽丈尊研究0的隧道在运肯过程中,由1：受到材料退化、地霍“人为因索等彫响僉发半隧道主体结构的损坏和豹化。若不及时检测和维修,将会导致很大的破坏和坍塌.带来的损失也是非常巨大的口所以对运营期隧道进行实时监测，及时髙效地保证隧道I】体结构的安全圧必要的0杠牡电子工叢手枕UJJhLz国内外的研究现状及发展越势杠軋电子工银手就国内外研究现状国内外的r些专家在隧道的监测方面做了大最的工作为隧道的监测捉供了很好的借鉴和参考O在国外満兰J2000年对Bot泊k饮略隧道施工过程进行了土木衬砌结构特性以及隧道动力现狀錄方面的监测井将隧道施工过程大量的监测数拥用于指导施工。韩国在岛速铁路(HSR

2、)隧道安装了健康监测系统凶吶部衬砌形变.喷射混凝土应力、地下水水位以及其它问题进行实肘监测或周期性监测机牡电yxnfKLo它JS12004年利川健康监测系统采集的隧道变形数据通过一种新的系统识别方法来判断隧道的损伤和损伤部位瑞上AembeMeasuringTechnique制了負全自动隧道新面收敛及投射系统TMS=它足山3関TP占激光全测站仪加上何服马达驱动定位装置,再配吾即时收敛及投射软件组成.在囤内匸秀美、曾卓乔于203年开发了一种用于曲测运营期间对周边位移进行监测的新技术口机軋电子工银手就UMflII山tfiKTESB.张书忙于3304年结合南京地铁一号线隧道下穿公路隧道的具休丁程实践，

3、探讨了两种不同类型隧道的监测技术，分析了隧道穿越公路隧道过程中监测数据的变化规律，用于工程实践，保证了隧道结构和周边环境的安全。机純电yxnfRIcMItflKwAaitfiWC国内外主要隧道变形监测方法机軋电子工程手杜IcUlUMfas科叮rfiWTP：iMJtiHIta变形监测.就是利用测晟与专用仪器和方法监测变形体的形找农大小及位置变化的空间状态和时间特征口测量方法主要可分为接羸式测量和卡接融式测量蔺种口接触测址接触式测量需人工安装倾斜仪在隧道内確的不同位置來茯得倾斜角和变化,如收敛丿匕巴赛特收敛系统等监测方法.*4盗越韭畧HIta特点：此类方法能够苴接敲测隧道特定位置、区段的形变但人力

4、、财力成本极倚监测周期较长，在效率和资源利川等方面都不再符合幽今地铁隧道监测的实际应用要求和发展需求.因此对此类方法的研究在近几年已经趋丁停滞。aU!IIlLaU!IIlLUUItacfaMriaEb|bb4k|tfiaBCUUItacfaMriaEb|bb4k|tfiaBC非接触测量严战于激光测距技术的监测厂飢碉像传感技术的监测A基于光纤传感技术的监测杠純电yxnfR基澈光测距技术的监测应用:llwij所采川的非接触测量的方法多数基于激光测距技术口其中三维激光扫描仪无需设置反射棱镜、无接触测量.能高密度、高分辨率获取扫描物体的海汗点上数据”同时对环境比线、温度都耍求较低*I対此三维激光扌描作

5、为隧道变形监测的新方法星比较理想的。局限：但是由于价格特别昂贵，只能用于特定重点项L1进彳丁监测.无池普遍用卩所以隧道円w1BbHKHJta!H!Litj-SI像传感技术的监测原理：数字图像处理技术也在地铁隧道变形监测屮肓所应用，即通过刈隧道内定点敢置的口标光源进行拍摄所得图像进行预社理F再对目标光源轮嗨进行提取，然后通过图像二値化提取3界，最后通过计算目标光源圆心的位置变化得川地铁隧道纵向的变形量机牡电子工程手瓮应用：周奇才等人在2009年提川利川数字图像处理技术对地铁隧道变形进彳亍监测的方案.通过对数字圈像进行平滑、锐化、腐蚀、膨胀、去噪芻预处理，进而计算光源位置变化并得出地锲隧道纵向的变

6、形最。实验结果表明该方敢在地抉隧道变形检测系统中得到的隧道变形贾比较精确*可靠。局限：山运营地铁隧道内环境恶劣，惰况复杂,因此对日标光源的数字图像数据的分析、识别以及目标光源鬪心位置的计算是分闲难的口机軋电子工程手瓮IdwlliI【II*I.ormrcr;#M*TWBta!RJL1x_x-aB_IId-V_畫盂俱:匪;:1mtJ-1JHr_證s當谡Lvn一!-.!.i迹-*召團收便IT卓圉嶽锂豐及拟合申心臥1-0-传感技术的临测应用：近年来，一吃新式传感技术在隧道监测领域得到发展，尤其是光纤传感技术引起人们关注口美国.徳国、英国等都在致力于该技术的研处，国内对川研究柑对较晩.局限；由于光纤非常

7、脆弱岩土工程变形复杂，因此他感光纤的介理布设是检测成功与否的关维；力外，光纤丨沏的分祈率只能込釦m,这对实阿上程來说是远远不够的鉴r以上种种原因,采用光纤技术进行他康监测尚未在实际大型土木工稈中得到推广应用。机軋电子工程于就Idwli11ilrUfbiWoriKTCFBG应殳监测系统圏扎黠瓷誉E3；曲Ui尢m甘肝枕llllln円x丽1*护闻朮0BI枣詣比谟机牡电子工叢手瓮dwdlacwwtaiRiEBFiKTC#a*1mjli隧道监测的发展趋势针料!-1前隧道临测系统存在的不足.来來旳发展趋势上要体现在以下儿个方面：采用高精駄环境适应能力强.自动化程淒臥对操柞性强的测臺仪器和白动化的隧道实时监

8、测系统；硏究出实川件强、可靠性拓的数期处理方法以提高预测结果的准确度；充分利用信息技术、计算机技术、数据库技术、网络技术利虛拟现实技术.卄发出功能完备.安全性高.实用性强、可视化程度高、可维护性好s可移植性强等的隧道监测信息管理系统，包括3维可视化平台和虚拟现实平台.机軋电子工叢手瓮IdwlliIIlwnf応bFiIBTC8KfBJta!IM8KfBJta!IM一、围岩内部位移监测围岩内部位移监测，是通过位移计量测围岩不同深度的轴向位移，据此分析判断隧道围岩位移的变化范闌和松弛范围，预测围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供依据。该检测项目所用传感器为位移传感器。根据地质条件，量测断而应选在典型构

9、造地段及埋深较大或较浅地段，一般每隔100m设置个断而断层带每隔50m设置一个断而，英余地段断而间距可适当加大但须保证沿御类围岩至少有-个断而测点布设情况见图S91瞬岩内部位移测点分布示意图二、裂纹监测裂纹监测是对裂纹监测，是对隧道裂纹的笈展变化进行观测。根据隧道裂纹调查资料，结合隧道宾际情况，在隧道布置合适数樂的裂纹计对脊发展迹象的裂纹进行监测。r初衬钢拱架应变监测初衬侧拱架作为隧道主要的承匝结构P测幘K应变可以掌握隧道围岩的稳定性般10钢拱架设-斯而，每根钢拱架沿水平中性轴位置左右对称安装2个啊弦式表面应变论如图2所不、1IIIP12初衬樹拱架应变测点布设示意图机軋电子工程手瓮ata!il

10、k四、二衬结构内应力监测#1M*i-*ata!ilk图3:衬结构内应力腐点布设示意阳机純电子工叢手瓮二衬钢筋铺设完毕未浇注混凝上前截断待测位置的钢筋，将传感器串联在钢筋上作相关防护并将线路引出即可。或者也可以选用压力盒。将压力盒埋设在一次衬砌和二次衬砌之间*对苴结构内应力进行检测口结合地质条件,在代表性地段设断面，测点布设如图合所示。五、锚杆轴力监测根拯隧道设计利地质情况，一般毎10m布置1个断而，每个断而至少桁设3根锚*h如图4所示。在安设锚杆蘭将锚杆截断，将轴力讥串联焊接在距离锚杆孔口亦70m处*用秒浆锚固裝有轴为讦的锚杆。阁4锚*|轴力测点和设恥总图*M*i监测所用所用仪器A锚杆轴力计电

11、鼻討呈韭尊-FWWWBta!H*监测所用所用仪器目前隧道运彗监测中采丿I的传感器系统有：差动电阻式传感器系统*振弦式传感器系统及光纤光概传感器系统口其中振眩式传感器KJ-IB电虽测蜀也本不受接引线枚度影响，信号传输距离可达一公里.经特殊处理借号可传输数公里口并且其结构简单，性期稳定性好T易于实现自动化口拟采用振弦式传感器系统作为隧道运营期结构健康监测的上要便川传感器。ULta1IlL3.1位移计在围岩内部位移监测中使用的传感器是位移计口位移计适用于长期埋被在水工结构物或土城U匕堤、边坡“隧逍等结构物内，测吐结构物深层名部位的位移、沉降奮应变、滑移等,并Iif同步测量埋设点的温度.机純电子工叢手

12、瓮dMtf振弦式位移计工作原理：当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆测杆再拉动位移计的拉杆产牛位移变形.位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振眩应力的变化，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，鼬可測出被测结构物的变形量。振弦式多点位移计可同步测量埋设点的温度值IftadlI加iBTCldBMI“I山W”nFmr*J.M*iar！：Z却乘曲比位移讣和扌段忻格#1M*T-rtswwL_H！：Z仝司功能峻位i內京战南玄业打限公同也毬计询臓VWD-20支L5CXJ曲曲蘭南实虧fif馳司備移计禅能VWD-5f)支18003南泉葛南

13、喫业也移讨彗能）VWD-UX)2tm斗渤城葛南实业百醍舍呵2向也移计VWL)-5f)却1360U5商护南实业弁限佥吨3向證仪计VW51)绍54CX)6金绘市华站R盛木.程捕料J应移计舟IX：1StMJ*2裂缝计裂缝监测中使用到裂缝讥裂缝汁适用于性期布设在混凝上结构物或者真他材料内及表面上*测量结构伸缩或周边缝的开合度（或变形）“裂缝计可以选用振弦式裂缝计。以某型号振弦式裂缝计为例介绍蔑组成及工作原理&裂缝计工作原理：为结构物伸缩缝或裂缝的幵祥度（变形）发生变化时.金使位移计左、右安装座产生和对位移，该位移传递给振弦，使振眩受到应力变化，从而改变振眩的振动频率:电磁线圈激拨振弦并测量其振顒璇率,

14、频率帯号统电缆恨输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到被测结构物伸缩缝或裂缝相对位移的变化量4处掘弦式位移il甲上破价格a功施型対.单.世单价i南象葛南霍业肓限巻讨划缝计VWD-2OJ支15002南宜鮎|创实业秆磁司测册VWD2(U支J?W3南京葛南嚏韭有琨碁司2向测锻针VW5(1J输册4南泉葛南实业有醍赴刮3扁则鮒VWD-5(j54005血京卓陆子科技有韻公司GK-44JI)Zj1000ufa1In33振弦我表面应变计ufa1In初衬钢拱架应变监测中用到钢弦式表面应变计。表面应变计适用于长期安装在水工建筑物或其他混凝上结构物如梁、柱、衬砌）农面，测最連谨点的线性变形（应变）与应力.同时

15、可兼测埋设点的温度口钢弦式表而应变计工作原理：闿结构物受力或因温度变化发生线性伸缩变形时，与结构物刚性固连的应变计产生同步变形通过前.后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的固有振动频率“激励与信号拾取装肯徼励振眩使其发生谐振.同时拾取其振动频率信号,此信号轻电缆传愉至读数装置，即可测出被测结构物的线性改变慣，此改变浪与仪器标称长度的比值即为应变最。i!支7002打冲川电r科技有tm力计3S55-BFE支KNXI机軾电子工程手瓮ni*iC电4神卑Jt乍arbi3.5锚杆轴力计振弦式轴力计,又称反力计，是一种振弦式载遠传感器，真有分辨力龛,抗F扰性能强*对集中载荷反应灵敏.测值可靠性好等

16、优点,能长期测量基铀对上部结构的反力对倒支撐轴力及静压桩实验时的载荷：若加装温度传感器可同步测量安装点的温度口机純电子工輕手就锚杆轴力计工作原理当被测结构物内部的钢筋发牛一应力变化时.钢筋计将受到拉伸或压缩，钢套同步产生变形，变形使钢筋计感受拉伸或压缩的变形，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j卽可剽出被测结构物内钢筋所受的应力n锚杆轴力计型号及悄格如表5所示口机軋电子工趕手配umiiIiiwifBFiBn：*4利址丈孝BUIta!hlj技5锚朴轴力汁片八；鬼信楼序号型号1南成闍甫毬业有阻锚解应力比6502啣

17、京帥实业他删制力计VWA眾列fi32003北嵐总川址了科艮有限会司钳筋计SS49-IJGK49LIB50杠純电yxfrkNIwwsriaE*k*&iEiBTC电川蜀丈尊申Hlta!-超声浪测距技术隧道的围岩收敛和拱顶F沉址隧道期运营他康监测的璽翌顼目。I丨询宝际隧道监测中针对该项主要使用的仪器是全站仪。全站仪具有测距自动化及数据将处理快速化的优虑，并且测量结果精度离。但是，全站仪属于光学仪器,不适合在恶劣环境（如光照不足，大雾天气）下工作，并H全站仪成本很高,市场价格多在儿力倒儿-JJZ间口针对金站仪监测隧道位移变形的缺点和高成木.结合.导师的专业优势，我们提出应用超声波测距技术对隧道的111

18、岩收敛和拱顶下沉进行监测，这种方法具有迓坏境影响小并且低就本的优点杠軋电子工程手瓮fr*wmiiI山11切nriBTC电4利越犬畧BIta!超声波测距优点：超声波的指向性比较好，其频率越窩，指向性越好。超声波传播能量大，対各种材料的穿透力较强。超声波的芦速S哀减阻抗和散射等特也为超声波的应用提供了丰富的信息口超芦捡测具有适应性强、检测灵敏度高.対人体无害、设备轻巧.成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检杳。电M*W1Ita!E超声波测距原理：趙声波测距的工作原埋:发射换能辭向外发射超声波超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收冋波口渡越时间袪就是通过检测发射超声波占接收回波之间的时间差1求出目标障碍物距信号发射源的距离乩计算公式沟：vtd=2其中,v为超声波波速（m/弘空气中：丫=331AXh/TTT/273机軋电yxnfRmbwj血tfim:超声波测距缺点：目前超声旅测距技术存在测量范围小，精度低,分辨率低的缺点。隧道变形监测要求精度高需要针对影响超声波测距精度的因素对超山波测距电路进疔优化,提高其