红外对射监控系统在隧道监测中的应用

范庆

（中国铁路昆明局集团有限公司滇西铁路建设指挥部，云南大理 671000）

1 概况

纵观历年来隧道施工中发生的安全事故，坍塌事故占多数，而这些坍塌事故中，尤以仰拱施工中发生的坍塌事故最多，由于仰拱施工中的坍塌，往往造成我们所说的“关门”情况，其危害尤其大。所以，在隧道的仰拱施工中，我们往往要求监测人员持续观测仰拱开挖段的沉降及收敛，发现问题以便及时撤离作业人员，保证施工安全。但是，使用监测人员持续观测：①难以做到连续不间断；②人都会有惰性等突发情况；③对隧道的施工也会造成相互的干扰，占用作业人员且在其次，取得的效果往往偏离预期甚远。而在隧道仰拱施工中采用红外对射监控系统，将其安装在仰拱开挖段两端，调整完成后就可以实现连续的监测，当边墙收敛或拱部下沉时，红外对射监控系统能够自动报警，以便现场作业人员做出反应。

2 工法特点

（1）红外对射监控系统使用普遍，价格低廉，易于购买使用。

（2）操作简单，一次安装持续观测。

（3）不需要专人监控，自动报警，节省人工，避免出错。

（4）灵敏度高，监测连续。

3 适用范围

本工艺适用于隧道仰拱施工时，初支位移连续监测，以及隧道施工中初支变形侵限预警等需要及时反映位移变化的工作。

4 监控原理

4.1 监控设备

激光接收器+12V报警器+12V直流电源各一台+点状发射器一台。

激光接收器尺寸：60×35×25.5mm，12V。

报警器尺寸：122.5×73×43.5mm，12V。

直流电源尺寸：90×53×35mm。

4.2 监控原理

发射器：激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。利用激光的定向性好和高亮度，可用作远距离发射。

接收器：无激光照射时接收器闭合报警器持续报警，接收激光信号后接收器断开报警器不工作；接收器相当于一个开关作用；接受范围为直径为1cm的白色圆圈。

报警器：报警器工作电压为12V直流。

激光接收器可接收全系列波段的激光，接收距离跟激光发射部分有关，可接收范围：0～200m。

5 施工操作要点

5.1 施工准备

（1）在使用前将报警器与接收进行连接。

（2）准备好连接电源插头及洞内使用的防潮插座。

（3）洞外试拼装并进行调试看是否正常工作。

（4）在洞外采用φ12钢筋加工红外线穿过环，钢筋的一端焊接4×4cm钢板，钢板厚5mm，钢板上钻一个直径1cm的红外线穿过环，钢筋长30cm。

5.2 洞内安装

5.2.1 接收器安装

将接收器安装在仰拱开挖段靠近掌子面一端的边墙上，高度距矮边墙顶约1.3m（不破坏防水板为宜），安装时确保接收器牢固不松动。

5.2.2 发生器安装

发射器安装在已施工好的仰拱一侧的边墙上，高度距矮边墙顶约1.3m（不破坏防水板为宜），安装时确保发射器牢固不松动。

接收器和发射器最好距离在5～10m左右。

5.2.3 φ12钢筋红外线穿过环安装

在洞外加工好φ12钢筋红外线穿过环，沿红外线从接收器开始每间隔2榀钢架设置一个红外线穿过环，红外线穿过环焊接于钢架上，并调整穿过环使红外线从穿过环中心穿过。

5.3 调试对中

安装好后接通电源，发射器发出的镭射红外线要与接收器的中心点对中，同时要穿过红外线穿过环的圆孔中心，不要出现偏移现象。对中的目的是无论出现任何角度的位移变化，都能准确地进行报警。对中后中断红外线，测试报警器是否正常报警。

6 监测方法

6.1 监测仪器安装位置（见图1～图2）

图1 红外线连续监测纵断面布置

图2 φ12钢筋红外线穿过环加工

如图3～图5所示：红外线发射器安装在仰拱已施作段中部位置，接收器安装在仰拱开挖段距掌子面一侧的位置。

图3 现场安装实物

图4 φ12钢筋红外线穿过环安装实物

图5 红外对射监控系统现场安装

6.2 监控仪器安装时间

在本次仰拱开挖前安装完成，在仰拱混凝土浇筑后拆除。

6.3 量测原理

在仰拱开挖过程中，如果存在围岩变形到一定的范围，红外线光束脱离φ12钢筋穿过环1cm穿孔及接收器1cm的白色圆圈内，报警器将持续报警。

6.4 使用方法

在仰拱开挖过程中，当第一次报警器报警，现场监控人员将调整发射器的角度，重置正确位置（报警器停止报警）；当第二次报警器报警，现场测量人员将量测其围岩面，及时掌握围岩收敛数据，反馈并指导仰拱开挖长度和跟进距离。以便有针对性地改进施工工艺和施工参数，减小岩体变形，保证工程安全，如图6所示。

图6 现场连续监测实物

7 工艺优点

7.1 节约人员

使用镭射线红外线系统对仰拱开挖进行连续的监测，从准备到安装调试到过程的监测只需要一名技术人员即可完成。传统仰拱连续观测从准备开挖仰拱到仰拱浇筑完成，最少需要2组测量人员，每组人员3人。所以镭射红外线有效的减少了人员使用数量。

7.2 预报及时

此套系统接收器中线触发区域是直径10mm的圆，红外线束光直径是4mm的圆，也就是说红外线光束的边到触发区的边只有3mm，束光一旦偏移出触发区就会立即报警。

7.3 成本低廉

红外对射监测系统在市场上很容易买到，每套价格在100元左右，循环使用。

7.4 反应灵敏

红外对射系统执行自动报警，当红外射线光斑脱离出接收器范围就会进行报警，反应灵敏。

8 效果评价

此套系统投入使用以来，大大减轻了技术人员在仰拱施工中的工作量，提高了仰拱开挖过程中的实时监控能力，确保了仰拱施工过程中的安全。

9 结语

确保隧道仰拱的施工安全，关键在于能够及时发现隧道开挖仰拱过程中初支变形，提前发现提前处理。而红外对射监控系统的运用，可及时、准确、灵敏地预报仰拱施工中初支变形情况，对隧道仰拱正常施工安全起到有效地保障作用。