无线振弦采集仪在特长隧道监控量测的应用与实践

周水、罗毅、叶保权、张文勰、李玖琨

（1.云南凤云高速公路有限公司，云南 临沧677000；2.云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明650000；3.云南交投集团投资有限公司，云南 昆明650000）

0 引言

随着隧道工程的不断建设，“多、长、大、深”已经成为隧道发展的总趋势，深埋长大公路隧道工程发展前景被看好。深埋长大隧道埋深大、距离长，施工周期长、成本高，多经过地形复杂区域、施工困难，在修建过程中将会遇到一系列地质灾害问题。

由于云南省所处的地质环境非常复杂，许多隧道面临着“三高”（即高地热、高地应力、高地震烈度）和“四活跃”（即活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程）等一系列工程地质问题，其修建过程具有极大的挑战性，发生突发性地质灾害的风险极大，且这些灾害很难被预测，这对施工安全造成巨大威胁。为此，要采取实时动态监控测量的方式，确保能够第一时间发现异常情况，采取针对性的控制措施，避免发生质量安全事故。

1 监控量测技术在隧道施工过程中的应用价值

隧道施工过程中，为了避免软岩大变形造成的塌方等灾害，根据国家规范设计要求，应使用仪器实时监测围岩的位移、应力等变化，目前常规的监测手段包括：使用水准仪及全站仪对隧道拱顶进行沉降量测；使用收敛计对隧道周边进行收敛量测；使用压力计对围岩压力进行量测以及使用钢筋应力计进行钢筋应力量测等。以上技术统称为监控量测技术，是隧道工程“动态设计”的重要依据，已经被列入隧道工程施工规范内，用于洞室稳定性监测与反馈指导施工。

虽然常规的监测手段在理论状况下操作简单并且实用，然而隧道施工掘进时无法避免超挖或者欠挖的现象，导致这些监测手段就很难发挥预警作用，并且隧道常规监测的方法通常需人工介入，会发生监测不及时、数据不准确和数据量匮乏等问题，由此造成隧道施工过程中塌方灾害频发。

2 工程概况

云县至凤庆高速公路的安石隧道，位于凤庆县凤山镇安石村～勐佑镇中河村，为分离式特长隧道，在建隧道呈曲线形展布，隧道总体轴线方向约278；左线隧道起讫桩号ZK38+265～ZK43+603，全长5338m，设计高程1861.745m～1812.24m，隧道最大埋深约453.11m，位于ZK40+520 处；右线隧道起讫桩号K38+330～K43+593，全长5263m，设计高程1863.147m～181.244m，隧道最大埋深约449.81m，位于K40+540处。云凤高速公路安石隧道围岩岩性为第四系覆盖层，为全新统坡积成因（Q4dl）粉质黏土及全新统残积成因（Q4el）砂质黏性土，下伏基岩为前半段为燕山期（γ52）侵入花岗岩，后半段为前奥陶系大田丫口组（AnOd）石英片岩。围岩岩石有板状构造、片理状构造，说明构造应力使地层岩性发生了动力变质作用，隧道围岩中残存的构造应力，在隧道开挖中，易使坚硬岩石产生岩爆、极软岩产生塑性变形。

3 隧道施工监控量测传统模式

隧道施工监控量测是指在隧道施工过程中使用仪表和工具，对围岩和支护衬砌的变形、受力状态进行监测。目前，隧道施工监控量测项目包括必测项和选测项两部分：必测项包括周边位移量测、拱顶下沉、地表位移监测；选测项包括土压力、应力、围岩内部位移、锚杆轴力、孔隙水压隧道土压力、应力、岩体位移、渗流等。

选测项主要针对变形较大的断面，安装土压力盒、应力计、渗流计等传感器，检测人员定期通过振弦式采集仪对传感器进行采集。现场采集数据后，导入计算公式进行计算，并提供检测报告。

传统的隧道监控量测方法操作烦琐，监控量测工作须在隧道施工过程中实时跟进，测点布置对施工进度有较大的影响，同时由于隧道施工中存在较多大型机械施工，混凝土中的预埋件可能被破坏，造成测量数据错误。本文将重点对自动监控量测选测项进行讨论。

4 基于无线振弦采集仪和隧道施工安全预警系统的隧道自动监控量测选测项实时预警解决方案

航天检测振弦采集仪可全天候周期24 小时自动采集数据（采集频率可远程配置），并上报隧道施工安全预警系统，支持隧道监控量测选测项的数据监测。监测参数包括土压力、应力、围岩内部位移、锚杆轴力、孔隙水压等，通过无线振弦采集仪对监测设备进行采集，通过自组网络传输到隧道施工安全预警系统，全面覆盖监测隧道断面完整变化周期。

监测数据实时上报隧道施工安全预警系统，系统根据不同类型传感器类型自动将采集的频率值转换为监测物理量，如果上报的设备协议数据包含温度数据可进行温度补偿。数据可通过Web 端或微信小程序图形化直观展示变化规律，也可快速查找历史数据，总览较长时间范围内数据变化。隧道施工安全预警系统对监测数据进行实时分析，通过系统算法进行数据分析和综合研判，分等级输出预警信息，对被监测隧道断面变化趋势进行预判，如出现数据变化过快或超出设定阈值，可通过邮件或短信推送预警信息。

4.1 监控量测选测项目监测内容

第一，围岩压力监测；

第二，钢支撑内力监测；

第三，围岩内部位移监测；

第四，锚杆轴力监测；

第五，二次衬砌混凝土应力监测。

4.2 监控量测振弦设备安装布设图

如图1 所示，隧道中通过无线振弦自动采集仪连接现场监测设备（压力计、钢筋计、锚杆轴力计等），然后通过无线中继自组网络连接到洞外的无线网关，进行数据上报，图2 为安石特长隧道监控量测选测项现场安装效果图。

图1 监控量测振弦设备安装布设图

图2 安石隧道现场安装效果图

4.3 设备测点布设

此次监控量测选测项在安石隧道不良地质段中选取了30 个监测断面，每个断面布设8～13 个监测传感器，基本上覆盖了隧道所有不良地质段的不稳定衬砌断面监控。安石隧道左幅不良地质段集中在K39+856～K42+996 里程段，右幅不良地质段集中在K39+808～K43+000 里程段，左右幅分别布设15 个监测断面，断面位于Ⅴ级围岩地质段附近，断面布点情况见表1。

表1 断面布点情况

4.4 监控量测振弦设备与隧道洞内自组网设备

安石隧道属于特长隧道，全程超5km，洞内数据传输通过自组网形式完成，无线振弦采集仪与洞内多个无线中继器的Wi-Fi 相连接，无线中继器最后与洞外的4G 无线网关相连，最终通过4G 无线网关将无线振弦采集仪采集的传感器数据上传到云服务器的系统中。特长隧道洞内自组网方式传输设备安装方便，且可拆卸复用，为特长复杂隧道施工洞内的网络通信提供了可靠服务。此次安石隧道监控量测选测项监测中，通过无线振弦采集仪采集设备包含：长沙金码的土压力盒、锚杆轴力计、钢筋计，基康的表面式应变计、钢弦式单点位移计。所有设备通过无线振弦采集仪按10 分钟每次的采样评率自动采集，数据24 小时自动采集上传到云端服务器。

4.5 隧道施工安全预警系统

如图3 所示，通过洞内自组网将监控量测选测项数据上报到隧道施工安全预警系统，系统会对数据进行预警分析，超出阈值会通知业主和施工方。

图3 数据与软件集成流程图

隧道施工安全预警系统中,可以查询监控量测选测项的布设断面、断面监测布点图等，结合隧道围岩级别，综合进行数据预警，如图4 所示。

图4 安石隧道施工安全预警系统

在隧道不良地质段中选取稳定性较差断面，安装土压力盒、钢筋计、混凝土应变计，将测量数据换算成相应的接触压力，应力大小在隧道施工安全云系统进行展示，观测压力、应力及应变随时间变化情况。应变应力可以利用插值算法展现受力热力场图，位移变化趋势可以通过多项式拟合进行趋势分析。

4.6 移动端查询监控量测数据

依托微信平台，用户可通过微信一键登录，通过图文方式、表格、手机地图、进度状态多种方式跟踪隧道施工进程，发生预警时第一时间推送到移动端。通过隧道施工安全监测APP，可以实时查询隧道的监控量测选测项数据，随时掌握隧道衬砌监测变形和受力情 况，如图5 所 示。

图5 安石隧道施工安全预警APP 系统监控量测选测项展示

5 结语

综上所述，经过实践得出，云南航天工程物探检测股份有限公司“基于无线振弦采集仪和隧道施工安全预警系统的隧道自动监控量测选测项实时预警解决方案”被成功应用于云南云凤高速安石特长隧道工程施工监测预警过程中，保障了隧道施工过程的安全，在未来发展中，将继续改进优化，切实发挥监控量测技术的潜在价值，以期在未来隧道施工安全预警中得到越来越广泛的应用。