摘要：中老铁路建设是国家“一带一路”重要项目工程，是中国与老挝连接重要友谊之路，是我国向国际展示中国铁路建设高标准、高质量、高要求、高效率的铁路建设，打造中国制造精品铁路工程。本文主要的目的就是研究目前“隧道风险工序实时监测预警器”（以下称“预警器”）在施工过程中的作用，预警器工作原理，实时监测方法：拱顶沉降实时监测、拱腰收敛实时监测，以及在实时监测中的精度要求做详细说明，通过隧道风险工序施工过程实时监测，揭示施工过程围岩变化情况，给隧道施工人员和设备提供准确预警信息，防止施工时可能发生塌方对现场人员的伤害。
关键词：实时监测；预警信息；围岩变化
1 概述
中老铁路隧道风险工序实时监测预警[1]是隧道施工重要部分，通过实时监测预警器对风险工序进行实施监测预警，隧道风险工序开挖累计变形或变形速率超过预设值时，发出声光报警，提醒现场工作人员采取必要的工程措施[2-5]，调整施工工法、工艺，防止变形继续加大，在发生紧急报警时，能够发出声光信号，给施工人员的紧急撤离提供逃生时间，避免被垮塌围岩困住[6]。实现完成中国制造高标准、高质量、高要求、高效率隧道施工。
2 国内外隧道围岩监测现状
2.1 人工全站仪监测
通过人工架设全站仪，人工测量事先埋设好反光棱镜、标贴的测点位置，测量工程师导出数据经过计算机软件得出观测点的沉降。缺点：（1）需要人工操作，无法做到实时监测和自动预警（2）操作复杂，需要多个测绘工程师互相配合才能操作一台仪器（3）全站仪设备昂贵（4）监测过程与现场施工互相干扰，只能在短时间内测出一个数据后搬离仪器，避免影响施工进度（5）需要在测点安装棱镜标贴，比较麻烦（6）需要专业的测绘团队进行操作。
2.2 激光断面扫描监测
通过在监测断面安装电机驱动的旋转激光测距仪进行扫描测距，通过网络传输到隧道外的电脑上，与隧道设计进行对比，进而判断隧道变形的情况。缺点：（1）需要在正常施工的监测断面上安装设备，容易干扰隧道正常的施工（2）容易被施工机械触碰破坏，隧道爆破施工破坏（3）有电机等机械部件，在高粉尘、潮湿的洞内容易出现故障，可靠性较低（4）需要通过网线连接到洞外的计算机设备进行计算，系统复杂，不易使用和维护。
2.3 机械断面收敛测量仪监测
通过互相连接的机械性的壁杆装置，测量壁杆间的角度变化，通过角度换算为变形值。缺点：（1）需要在正常施工的监测断面上安装设备，容易干扰隧道正常的施工（2）容易被施工机械触碰破坏，隧道爆破施工破坏（3）设备笨拙，安装使用不方便。
3 “预警器”构成及使用
3.1 隧道风险工序变形实时监测预警器具有以下优点
（1）一体化设计：一台设备就能实现一整套监测系统[11-14]的功能。监测原始数据不需要传输到洞外计算机进行处理，设备内嵌数据滤波处理算法，在设备内即可一体化完成数据采集、滤波、参数配置、报警等整个功能。
（2）安装位置灵活：设备不需要安装在监测断面，不需安装反光标，不会对施工产生干扰，也不存在被施工机械破坏的可能。
（3）便携移动：设备重量轻，体积小巧，易于携带。设备固定在常规相机三脚架上，可随三脚架整体搬移到新的监测点，以适应隧道施工面的不停推进。
（4）设备价格低廉：通过一体化的整体设计，降低了设备成本和使用。
3.2 功能构成
1、激光测距模块：通过高精度激光测距模块完成目标直线距离的测量。
2、控制模块：通过测量重力加速度的分量进行积分运算，得到三个变量值。
（1）激光束与水平面的倾角；
（2）激光束当前位置和初始位置在水平面上相对转角。
3、存储模块：存储实时测量数据和数据分析信息。
4、电源模块：给各模块供电。电源部分由二部分组成：（1）直流12V输入后通过电源转换模块输出3.3、5V、12V等电压给设备的不同模块使用；
3.3 确定实现功能的算法、公式及流程图
DSP数据算法[15-16]
1、上电开机
2、校验初始化是否完成
（1）是否初始化，初始位置，用于获取激光相位计算实际沉降。
（2）是否设置零点位置。
3、初始化未完成，持续等待初始化设置，确定初始化完成开始测距。
4、根据用户设置的测量间隔开始测量。
5、不管数据是否有效，测试如果有sd卡插入，将测试结果保存到sd卡。
（1）保存记录到sd卡，默认以开始设置的时间命名。
（2）如果文件过多导致文件过大，测试是否影响效率，是的话，考虑分文件。
（3）没有sd卡不保存测试记录。
6、获得有效数据，判断此有效数据是否为异常数据，如果是，忽略。
（1）数据超过设置的有效值范围，直接忽略，默认为 +/- 1000 mm。
（2）单次变化超过报警阀值，认为变化过快暂时忽略，连续3次依旧超过则当做有效数据。
7、数据变化未超过报警阀值，比较10分钟之内变化，如果超过指定报警阀值，提示沉降过快。
8、正常的有效数据，计算累计形变 判断是否超过累计形变报警阀值，是的话直接报警。
9、清0可解除报警，并且重新确定零点，重新开始统计报警。
10、监测拱顶和拱腰监测方法如下：
（1）监测拱顶垂直沉降位移，建立如图模型，安装本测量设备，设备前方①方向发射出激光，对其进行校准，然后移动设备，将激光投射到变形面监测点A形成光斑，设备自动测量到光斑的激光直线距离，而实际需要监测A沿AS方向的垂直位移，所以需再求出EA方向的激光与水平方向ES的夹角α。
图2 模型俯视图附图
Fig . 2 top plan view of the model
模型俯视图附图，假设隧道拱腰发生了W1的收敛位移，那么变形面上的激光光斑将由位置A移动到位置B，激光的距离减少了△L，显然△L=L1-L2，变形面的平均收敛位移W≈W1=△L*sin（β）。当拱腰初期喷砼表面粗糙程度在可接受范围内时，激光光斑会呈现椭圆形，而激光测距是计算光斑质心到设备的距离，相当于把椭圆形光斑范围内凹凸不平的粗糙变形面到设备的距离做了平均值。当拱腰监测点变形面发生W1的水平收敛位移时，将引起大于W1的激光距离△L 的改变，△L数据变化灵敏度大于直接沉降位移W1的变化，十分有利于实时报警用途的监测。显然测量△L的值比测量W1的值方便得多，不需要在断面位置安装仪器，可以避免对施工的干扰。从前述可看出，只需要再求出激光束与水平面的夹角α和隧道前进方向的夹角β，而角α和角β通过设备内的姿态传感器，经过积分计算后获得。即可轻易得出W1。所以△LES=△LEA*cos（α）->△W=△LAC=△LSD=△LES*sin（β）->△W=△LEA*cos（α）*sin（β）。
4 现场实测成果
2017年12月13日～2018年7月5日共进行实时监测66次。其中3～6m段Ⅳ级围岩开挖拱顶最大沉降为1mm，Ⅴ级围岩开挖拱顶最大沉降值为16mm，6～12m段Ⅳ级围岩开挖拱顶最大沉降值为30mm，Ⅴ级围岩开挖拱顶最大沉降值为13mm；2.4～6m段Ⅳ级围岩开挖拱腰最大外扩值为11mm，Ⅴ级围岩开挖拱腰最大收敛值为8mm，最大外扩值为26mm，6～12m段Ⅳ级围岩开挖拱腰最大收敛值为5mm，最大外扩值为20mm，Ⅴ级围岩开挖拱腰最大收敛值为23mm，最大外扩值为11mm。
监测设备初始设置位移报警值为±5mm，速度报警值为+3mm/10min，随着对使用过程中监测数据的分析，为保证施工安全，同时避免因为预设报警值过小，频繁报警使工人对报警提示产生麻痹感，目前认为位移报警值±20mm，速度报警值±5mm/10min比较合适。
5 主要结论
结合隧道具体地质和环境条件，分析隧道开挖对测量监测可能产生的各种影响因素，进行实测，主要得到以下结论：
1）、自动实现拱顶和边墙的累计位移及变形速率的实时监测和预警。
2）、全自动测量设备与隧道方向的夹角与水平面的倾角，自动进行数据结算，得到变形面的法线变形数据。
3）、无需在监测点设置反光标，自动计算喷射混凝土粗糙表面的位移值。
4）、自动过滤施工机械频繁运行，遮挡仪器读识标目标引起的“数据异常”。
5）、自带触摸屏、对设备进行配置和实时显示监测数据曲线。
6）、过滤施工中的人员和车辆对测量的干扰，车辆大灯对激光接收器的干扰等。
7）、设备内嵌卡尔曼预测滤波算法，对离散性数据进行规律统计和数据平滑处理，降低设备的误报率。
8）、设备自带高音报警蜂鸣器器，蜂鸣器报警间隔和频率与现场的累计变形和变形速率成正比。设备自动多色报警LED灯，闪灯间隔和频率与现场的累计变形和变形速率成正比。
9）、提供红色激光指示器，方便现场安装时对准测点。指示器可根据要求进行开启和关闭。
10）、内置TF存储卡槽，最大支持512G的TF存储卡，可以把实时数据保存在存储卡上，便于导出数据。
参考文献：
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[3]李同安.浅埋软弱围岩隧道变形特征与施工控制研究——以拱北隧道为例[J].公路工程，2018，43（02）：155-161.
[4]秦秀才.隧道仰拱软弱基础处理研究[J].价值工程，2018，37（09）：144-146.
[5]任育珍，杜俊，张伦华，毛宁，吴涌.浅埋软弱围岩隧道变形特征研究[J].现代隧道技术，2018，55（02）：84-90+95.
论文作者:郑光义,余灿,赵海根
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/26
标签：隧道论文; 围岩论文; 设备论文; 实时论文; 数据论文; 测量论文; 拱顶论文; 《防护工程》2018年第29期论文;