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运营公路隧道结构安全无损自动化监测方法浅析

发表时间：2020/8/6 来源：《基层建设》2020年第10期作者：张一安

[导读] 摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，公路隧道工程建设越来越多。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，公路隧道工程建设越来越多。本文结合了近年来国内部分运营公路隧道的现状，对运营公路隧道结构安全风险进行了辨识；针对存在风险源，确定了运营公路隧道结构安全监测内容；提出了多种运营公路隧道结构安全无损自动化监测的方法；并对相应的监测传感器技术参数提出了建议值。本文弥补了国内现阶段对于运营公路隧道结构安全无损自动化监测方面认识的不足，对隧道自动化监测技术的应用发展十分有意义，成果可为开展现阶段国内运营公路隧道结构安全无损自动化监测提供参考。
        关键词：结构安全；无损；自动化；风险辨识
        引言
        随着我国交通事业的持续高速发展，近距离交叉隧道建设项目越来越多。近接隧道施工时，由于其特殊的空间关系，地质条件复杂，给施工带来一定的难度，新建隧道亦会对既有隧道的围岩和支护结构受力产生很大地影响。如何保证新建隧道顺利穿越既有隧道是工程技术人员面临的重要课题。尤其是在跨越既有供水隧洞时，工作人员无法在供水期进入隧洞进行检查，为保证工期和施工安全，必须采取一定的监测手段进行控制。
        1自动化监测目的
        （1）及时发现不稳定因素。拟建隧道区域工程地质的复杂性，以及自然环境因素的不可控影响，需借助自动化监测手段了解掌握施工过程中隧道的安全状态。（2）指导现场安全施工。施工现场可根据监测数据所反映的周边岩土体的安全稳定状态而做出适当调整。（3）分析区域性施工特征。通过对监测数据的采集与分析，直接反映出监测对象的实际变形与稳定状态以及现场施工对周边环境状况的影响程度，以此分析该区域的施工特征，为本地区类似的工程积累宝贵的经验。
        2系统功能模块
        （1）数据采集模块：实现对隧道内环境包括风速、风压、温度以及湿度等相关数据进行采集；（2）数据传输模块：将传感器采集的数据传输至数据库以及控制指令等信息的有效发送；（3）数据管理模块：实现对采集数据的存储、调用等；（4）数据处理模块：系统可以根据操作者的需求对数据库的数据进行筛选，显示所需数据，系统可以用折线图的方式显示历史数据与数据变化的历史规律，方便用户分析；（5）可视化模块：系统通过主界面可以显示隧道内的环境参数，例如风速、风向、温度等，此外，系统在显示界面也可以实现传感器在隧道内放置位置的显示，方便用户根据传感器的位置对数据进行筛选；（6）智能控制模块：系统可以实现远程控制以及对数据采集传感器状态的控制等。
        3运营公路隧道结构安全监测内容
        （1）隧道整体失稳。通过对隧道纵向沉降的实时监测，防止出现由于隧道纵向不均匀沉降而导致的隧道整体失稳情况发生。（2）隧道结构局部失效。①局部衬砌脱落监测。实时监测受力裂缝宽度和长度变化评估结构状况，同时利用监控视频和隧道巡检进行辅助监测，防止发生隧道衬砌局部脱落而影响行车安全。②拱部变形监测。实时监测隧道断面的位移变化，防止因隧道拱部变形从而导致结构失效风险的发生。③渗漏水监测。实时监测隧道渗漏水的位置及程度，防止因渗漏水而影响二次衬砌的性能，进而影响隧道运营的安全性以及耐久性，出现结构失效的风险，也防止渗漏水损坏隧道内的机电设备；利用监控视频，实时监测隧道内路面积水情况。
        4监测项目及仪器
        为减少监控量测对隧洞的损坏，同时考虑监测实施的可行性，在水平面以上的拱顶部位布置传感器，供水隧洞内的主要监测项目有混凝土表面应变、断面收敛、地震动响应、衬砌裂缝。混凝土表面应变计和收敛计用于监测供水隧洞衬砌的应力状态和变形状态，对其稳定性进行评估。

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地震动加速度计用于监测上穿公路隧道钻爆法施工期间及工程运行期偶然荷载冲击下供水隧洞衬砌的震动响应，对供水隧洞的稳定性进行评估。
        5运营公路隧道结构安全无损自动化监测方法
        在监测项目及测点位置的选取上，遵循“目标-功能分析”、“灾害-风险分析”、“效能-成本分析”原则，在降低运营期间的安全风险，提高养护维修管理水平的总体目标基础上，尽量选择直接可靠、效用成本比最佳的监测项目，优化测点布置，控制成本造价。在监测传感器的选取上，对于运营隧道纵向不均匀沉降及衬砌变形，采用不损坏衬砌自身结构体系的外置或者表贴传感器。隧道衬砌变形监测的手段，国内外还有巴塞特收敛系统、测量机器人、三维激光扫描仪、近景摄影仪等，但因其都需要人工辅助，不能实现完全自动化监测，所以没有考虑采用；采用振弦式裂缝计对运营隧道裂缝的代表性裂缝进行实时监测；另外，将高清摄像机加入到衬砌裂缝监测、渗漏水监测及路面积水的监测。
        6自动化实时监测技术应用效果
        （1）自动化监测预警系统对各监测区域的位移、变形和降雨量等实时监测数据进行采集、分析并辨识异常数据。从监测预警结果可知，可准确地识别异常数据并及时发出安全预警，充分证明其在施工过程中的监测预警的可靠性。（2）自动化实时监测预警技术实现对隧道及其周边边坡、建筑物等监测区域的实时监测。通过调整监测频率，监测数据可覆盖整个施工过程，保证了监测数据在暴雨期等特殊环境条件下的及时有效。（3）在自动化监测预警系统发出安全预警之后，根据安全预警所反馈的信息，工程现场应调整施工进度和及时提出合理地处理措施并快速处置，可以减少或避免工程灾害带来的损失。
        7系统运行
        监测装置放置部位显示了各种数据采集传感器监测点在隧道主洞以及附属设施上的布置位置。显示了各监测点上的数据采集情况，包括风速、风向、温度、湿度以及气压。数据筛选功能和图形展示功能可以相互引用，主要区别是进行数据筛选时参数条件选择的不同。数据筛选功能主要根据监测点进行数据筛选，图形展示功能主要根据时间进行数据筛选，既可以先筛选数据再进行图形展示，也可以在图形展示功能中根据时间参数进行数据筛选。
        结语
        综上所述，本文结合了近年来国内部分运营公路隧道的现状，对运营公路隧道结构安全风险进行了辨识；针对存在风险源，确定了运营公路隧道结构安全监测内容；提出了多种运营公路隧道结构安全无损自动化监测的方法；并对相应的监测传感器技术参数提出了建议值。本文弥补了国内现阶段对于运营公路隧道结构安全无损自动化监测方面认识的不足，对隧道自动化监测技术的应用发展十分有意义，成果可为现阶段开展国内运营公路隧道结构安全无损自动化监测提供参考。本文对运营公路隧道结构安全无损自动化监测方法做了一些归纳总结，很多方面还需进一步研究：（1）本文基于实际工程提出了多种适用于运营公路隧道结构安全无损自动化监测的方法，随着监测项目的增多，可积累更丰富的监测数据，完善和改进本文提出的方法。（2）除了本文所提到的几种适用于运营公路隧道结构安全无损自动化监测的监测传感器之外，随着科学技术的不断进步，可能还会出现更多的监测传感器，监测方法也应该不断的更新和提高。（3）本文所采用的监测方法是针对普通隧道而言，有一定的局限性，不适用于某些特殊的隧道。针对不同的隧道类型，监测方法可再进一步调整和优化。
        参考文献：
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