隧道施工变形监测信息化技术浅析

隧道施工变形监测信息化技术浅析

汪贤庆 范孟

广东交科检测有限公司 广东广州 510550

摘要：隧道施工变形监测必测项目，共同包含的项目有洞内外观察、拱顶下沉、净空变化、地表沉降，除洞内外观察外，其他均可用规定的水准仪、钢挂尺、全站仪、收敛计、铟铜尺等仪器测出准确的数,这些仪器的数据要实现信息化，需要人工输入或者通过蓝牙等设备转入到移动设备进行数字化，无法达到自动采集数据。近年来，随着各种信息化技术的发展，已有多种新方法、新设备应用到隧道施工变形监测中，以下将对近年来应用较多的几种方法的应用进行分析。

关键字：隧道施工；变形监测；信息化;

一、传统方法信息化

利用水准仪、锏挂尺、全站仪、收敛计、铟钢尺等对隧道施工变形进行监测是目前应用最多的方法，其中光学水准仪、钢挂尺、收敛计、铟钢尺的测量数据的信息化还是以抄录后输入计算机为主，数据的人为干预较多。全站仪和电子水准仪由于其自带有蓝牙或可配制蓝牙，通过智能手机的蓝牙直接读取全站仪或水准仪数据成为采集数据信息化的主要手段。在中国国家铁路集团有限公司工程管理中心的铁路工程管理平台中，数据采集端利用蓝牙将手机和全站仪进行连接，手机APP直接读取全站仪数据，手机APP在有WIFI或4G信号的条件下，及时将数据上传至服务器端，通过对监测点差值和累计值自动分析，自动预警，并在系统上对预警信息进行跟踪，形成“手机采集－现场计算结果－无线上传－自动分析－自动预警－人工复合消警”的闭环管理，如图１所示。该信息化手段已在大多公路隧道和轨道交通施工变形监测中大面积推广。  图１手机全站仪互联幞式变形监测流程

1.1优点分析

1.1.2经济性

智能手机已经普及，无需重新购买采集设备；全站仪和电子水准仪在未用该信息化手段之前，已是现场变形监测的主要测量设备，故无需重新购买监测设备，因此对于监测相关单位设备投入费用基本为零。

1.1.3节约人力成本

采集时手机直接读取仪器数据，无需人工抄录和导入，减少了外业工作；数据上传服务器后，服务器自动生成日报、周报等报表，减少了内业工作。

1.1.4及时性

在未用信息化手段之前，利用全站仪或水准仪测量的数据，需要人工记录或者人工批量导入上传至计算机，数据不能及时上传，利用手植接采集仪器数据后，在有４Ｇ或ＷＩＦＩ的情况下，数据可以及时上传至服务器，管理人员和监测人员可以第一时间获得现场监测数据情况。

1.1.5数据真实性

手机直接读取全站仪数据并上传至服务器，减少了测量数据的人为操作，并让操作人员无法修改数据，保证了数据的真实性。

1.2缺点分析

1.2.1自动化程度不高

本类信息化方法只是对传统测量方法的改进，监测人员还是需要到现场测量，无法达到自动测量，还是要占用施工时间。

1.2.2数据频次和测点密度有限

由于需要人工到现场测量，不能占用大量的施工时间，数据采集的频次有限，无法采集施工中各个阶段的数据。本类变形监测的点布设是根据围岩级别布设，最短距离也是５米

一个，无法分析任意断面和整个隧道的变形趋势。

1.2.3人工操作误差

虽然数据是由手机直接读取仪器数据，但是仍然需要人工进行对点，由于人工操作而产生的误差在所难免。

二、测量机器人

测量机器人是一种具有目标自动搜索、识别和精确照准功能的智能型电子全站仪，可以代替人自动完成测量任务。在变形监测中，测量机器人都提供了可供二次开发的界面，软件研发人员可以通过界面实现对测量机器人的远程操控，从而实现测量机器人的各冲自动测量需求。测量机器人在隧道中进行自动测量时，需要先将测量机器人固定在隧道的观测墩台上，再通过采集模块将测量机器人与光纤相联结，将光纤信号引出洞内后，通过有线或无线信号实现服务器与测量机器人的连接，服务器对测霣机器人自动控制进行全天候的自动测量，并对采集的数据进行自动分析与预警，如图２所示。

图２基于来卡ＴＭ５０测董机器人的变形监测流程

2.1优点分析

2.1.1实时自动监测

测量机器人只要在电力和通信满足的条件下，就可以进行全天候的自动测量，实现了采集

、分析、预警全部流程的自动化处理。

2.1.2数据真实

测量机器人在测量时避免了人为干预，可以保证数据真实可靠。

2.1.3满足特殊需要

在一些重大风险源和危险施工环境下，在实现实时监测的同时，无需人工监测，避免人员伤亡。

2.2缺点分析

2.2.1保护困难

测量机器人目前主要应用于运营隧道中，如果在施工隧道中应用，需要对测量机器人安装位置和棱镜测点都进行良好的保护，面对复杂的隧道施工环境，需要多方配合，才能保护好测量机器人。

2.2.2成本较高

测量机器人目前价格均高于普通全站仪，在小半径曲线段通视距离短，可能增加全站仪’开挖面多的时候仪器投入较大。

3. 视频或图像分析

采用网络摄像头进行隧道变形数据釆集和数据处理，利用激光光斑中心自适应阈值定位算法、激光器光斑能量均匀化镜头拟和算法、数字图像相关法以及数字图像相关法的亚像素处理算法等实现了基于视频的隧道变形监测，据了解数字图像处理的隧道围岩形变量测。以上研究通过视频和图像分析，实现隧道变形的实时化、自动化和可视化，并将隧道普遍应用的视频监控技术进行二次应用。

3.1优点分析

3.1.1视频监控再利用

将施工隧道的安全视频监控进行了二次应用，减少了设备的二次投入。

3.1.2实时自动监测

通过视频实现了自动化和全天候监测。

3.1.3数据真实

避免了人为干预，保证了数据的真实性。

3.1.4预警与视频联动

可以将预警信息与现场视频或图像进行联动，有效的还原预警点的真实情况。

3.2缺点分析

3.2.1环境要求高

通过视频分析变形监测，需要对视频监控环境的光线、粉尘等进行严格的把控隧道复杂的施工环境，难以满足。

3.2.2摄像头的配制和保护

利用视频或图像对变形进行分析，需要配制高清晰度的摄像头的同时，也要对安装点和视频镜头的清洁度都有保证，如果在隧道里进行爆纤工，难以保面像头的稳定位翻镜头的清洁度。

四、三维激光扫描技术

三维激光扫描技术利用激光测距原理，依据布设控制点，远程控制测量，在短时间内快速获得隧道内部面的整体信息，采用自带软件进行站点拼接、标定、平差等得到点云数据，进行断面变形与收敛分析，并可以进行三维建模，可以直接形象的观察隧道的实时变形情况。三维激光扫描技术可在阴暗潮湿环境自动扫描，不需要人工对中、瞄准聚焦、人工跑尺，可快速获得与线路相匹配的特征点（直缓点、缓圆点、圆缓点、缓直点等），准确测量曲线段的超高等数据。

4.1优点分析

（１）三维激光扫描技术从点到面，可以得出任意断面的形变数据。

（２）三维激光扫描技术可以进行三维建模，从而可以形象的观察隧道的整体情况。

（３）三维激光扫描技术对光线的要求不高，有利于在隧道光线不足的情况下作业。

4.2缺点分析

（１）隧道狭长形状限制使多测站数据误差容易变得很大气。

（２）三维激光扫描技术主要应用在已建成隧道的变形监测，而隧道施工期因现场环境复杂和干扰因素较多其应用存在较大困难。

（３）与目标物体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响，施工隧道变形监测主要是初支上进行，表面比较粗糙，要精准的反映变形，还需要在误差分析方面做面深入的研究。

（４）目前，三维激光扫描及其配套软件费用较高，施工隧道大面繊用录加成本。

结束语：

通过以上分析可知，利用传统测量方法进行信息化，操作人员易于上手，投入成本较低，与目前普通实施的隧道变形监测方法结合度较高。利用新型信息化技术和设备进行施工期隧道变形监测的普遍优点是实时自动监测、不影响施工、数据及时且真实可靠，海量的真实数据为进一步数据分析和挖掘提供了有利条件。虽然已有多种方法应用到实际工程中，并取得了不错的效果。

参考文献：

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[2]李媚，测量机器人开发技术及其应用研究［Ｄ］．西南交通大学．

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[5]包李欧，信息化技术在隧道施工管理中的应用[J]..工程技术研究.2019

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