朱付廣， 徐東升， 譚瑞山， 彭 斌， 劉漢陽(yáng)， 張志杰

(1. 湖北省電力勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖北 武漢 430040； 2. 武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的發(fā)展，城市中地鐵工程、城際間鐵路公路的建設(shè)成為了重點(diǎn)發(fā)展的聚焦點(diǎn)，承接道路工程之間連接作用的隧道也隨之矚目[1]。隧道的安全問(wèn)題中，沉降問(wèn)題始終是受到高度重視而不可或缺的重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容[2]。在過(guò)去的一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)隧道的變形監(jiān)測(cè)主要是由人工操作的全站儀監(jiān)測(cè)、激光測(cè)距甚至是鋼尺測(cè)距[3,4]。由于現(xiàn)代基礎(chǔ)建設(shè)的隧道距離長(zhǎng)，斷面大，部分工程在深入地下或者更加復(fù)雜多變的環(huán)境中，使用人工方法持續(xù)監(jiān)測(cè)需要消耗大量人力物力，且易受到干擾產(chǎn)生誤差?；诖爽F(xiàn)狀，需要一種更加方便、易于操作且可持續(xù)監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行隧道收斂活動(dòng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)方法，基于軟件平臺(tái)開發(fā)的可連續(xù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是現(xiàn)在隧道監(jiān)測(cè)的研究重點(diǎn)[5,6]。

近年來(lái)，針對(duì)隧道收斂活動(dòng)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化方法已經(jīng)得到了不少的研究。沈圣等[7]將分布式光纖應(yīng)變傳感應(yīng)用于盾構(gòu)隧道的橫截面收斂變形監(jiān)測(cè)中，提供了一種新型的隧道監(jiān)測(cè)方法；侯公羽等[8]通過(guò)分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)結(jié)合隧道沉降曲線模型對(duì)隧道沉降進(jìn)行了反演推算并組織了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，肯定了智能傳感在隧道工程中的應(yīng)用；曾鐵梅等[9,10]將光纖傳感測(cè)量應(yīng)用到了隧道火災(zāi)和滲漏以及鉆孔灌注樁檢測(cè)中，擴(kuò)寬了隧道監(jiān)測(cè)的方法和思路；劉紹堂等[11]通過(guò)結(jié)合以往的激光測(cè)量方法，對(duì)激光掃描法隧道變形監(jiān)測(cè)的誤差進(jìn)行了分析，肯定了激光傳感掃描方法的精確性。謝雄耀等[12]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于全斷面變形監(jiān)測(cè)，并結(jié)合數(shù)值模擬分析處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。可以看出尋找一種智能傳感的方法對(duì)隧道進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是研究者們正在探尋的目標(biāo)。王隆等[13,14]結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量對(duì)隧道的變形進(jìn)行了全面的研究，并將這個(gè)地下空間結(jié)構(gòu)變形通過(guò)數(shù)字化模型表征了出來(lái)；丁勇等[15～17]將光纖傳感技術(shù)融入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中形成了一個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量到分析一體的系統(tǒng)化方法。

本研究通過(guò)提出一套實(shí)用性更強(qiáng)的隧道變形監(jiān)測(cè)方法并將該方法運(yùn)用于實(shí)際工程中，監(jiān)測(cè)了湖北省武漢市地鐵8號(hào)線二期三標(biāo)洪山路站至小洪山站隧道工程中某一段盾構(gòu)隧道側(cè)壁的變形。該工程實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，并針對(duì)該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)該段工程進(jìn)行了分析。對(duì)于該變形監(jiān)測(cè)方法而言，該系統(tǒng)可由終端控制監(jiān)測(cè)頻率并獲取監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量到的實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整體分析隧道內(nèi)部各部分的變形情況并建立模型，該模型可識(shí)別變形情況及其關(guān)聯(lián)的危險(xiǎn)等級(jí)，并將分析結(jié)果實(shí)時(shí)交互到預(yù)警系統(tǒng)中，從而對(duì)實(shí)際工程中的安全問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。本研究對(duì)隧道的開挖過(guò)程、隧道后續(xù)的收斂監(jiān)測(cè)以及預(yù)警有明確的指導(dǎo)作用，更加強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)預(yù)警與人機(jī)交互，對(duì)土木工程智能化管理有著積極的指導(dǎo)意義。

1 隧道變形智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架

本次工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、智能預(yù)警系統(tǒng)以及檢查與維護(hù)系統(tǒng)四部分組成，由自制傳感器測(cè)量工程中的變形，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的信號(hào)處理和人機(jī)信號(hào)交互翻譯，將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并根據(jù)分類的結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行指示，其工作流程如圖1所示。

圖1 隧道變形智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工作流程

自主開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由紅外激光傳感器和拉線收斂測(cè)距儀組成，作為智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)部分，其組成可以通過(guò)工程具體情況進(jìn)行自定義；采集所得的數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)放大、雜波過(guò)濾與信號(hào)轉(zhuǎn)換，并將初步測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)化處理。數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)為自主研發(fā)，該系統(tǒng)置于智能預(yù)警指示燈當(dāng)中，可以將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行及時(shí)的自動(dòng)化處理，及時(shí)識(shí)別測(cè)量中出現(xiàn)的明顯誤差并返回傳感器中進(jìn)行重新測(cè)量。該過(guò)程并不需要人工進(jìn)行誤差篩選，測(cè)量全過(guò)程均由儀器完成并處理數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的智能化。而智能預(yù)警系統(tǒng)則可進(jìn)一步將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋，即當(dāng)經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)中監(jiān)測(cè)出相關(guān)測(cè)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了極大的變形，則通過(guò)該預(yù)警指示燈可以向工作人員實(shí)時(shí)提醒，根據(jù)亮燈規(guī)則可反映出現(xiàn)場(chǎng)變形的大體情況，從而實(shí)現(xiàn)早期智能預(yù)警的功能。該智能預(yù)警系統(tǒng)安裝在實(shí)際工程中后，并不需要人為處理數(shù)據(jù)與分析危險(xiǎn)情況，所有的數(shù)據(jù)都會(huì)在該系統(tǒng)中進(jìn)行處理并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)而快捷的人機(jī)交互，交互的現(xiàn)場(chǎng)情況簡(jiǎn)潔且有效。

1.2 系統(tǒng)組成

本智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)由自制的紅外激光測(cè)距儀與拉線收斂?jī)x組成(圖2)。該測(cè)距儀由紅外激光傳感器、單片機(jī)、降壓模塊、通信模塊與電源組成；拉線收斂?jī)x則由拉線傳感器與其他模塊組成。紅外激光測(cè)距儀具有1 mm的精度且量程為100 m，拉線收斂?jī)x具有1 mm的精度且量程為1.2 m。單片機(jī)模塊控制了傳感器模塊的工作，包括定時(shí)測(cè)量，采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)初步分析與傳輸，控制傳感器測(cè)距模式與休眠模式等工作。降壓模塊可將儀器內(nèi)部?jī)?nèi)置的兩顆拆卸式循環(huán)電源電量降壓至單片機(jī)工作電壓，通信模塊可建立該傳感器與智能預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存器之間的無(wú)線連接。

圖2 紅外線激光測(cè)距儀與拉線收斂?jī)x

圖3 智能控制預(yù)警指示燈

智能控制預(yù)警指示燈如圖3所示，該預(yù)警燈由單片機(jī)、指示燈、電源、降壓、通訊、存儲(chǔ)模塊組成，是智能預(yù)警系統(tǒng)的核心部分。該預(yù)警燈內(nèi)部?jī)?nèi)置的控制模塊可遠(yuǎn)程控制隧道現(xiàn)場(chǎng)中安裝的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)工作狀態(tài)，在控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為測(cè)距狀態(tài)時(shí)，通過(guò)通信模塊收集傳感器返回的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況亮起指示燈進(jìn)行預(yù)警，指示燈從左到右依次為紅燈(危險(xiǎn))、黃燈(較危險(xiǎn))與綠燈(正常)，具體工作情況如下：該系統(tǒng)工作時(shí)不間斷接入電源，智能預(yù)警指示燈內(nèi)部的控制模塊傳輸工作信號(hào)到傳感器中，傳感器保留工作的傳輸模塊獲取指令，激活測(cè)距儀的測(cè)距模塊，按照指定工作頻率采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)街悄芸刂祁A(yù)警燈中，該數(shù)據(jù)將在預(yù)警燈內(nèi)部的控制模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，確定現(xiàn)場(chǎng)變形量是否達(dá)到預(yù)警的閾值。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)變形量十分大的時(shí)候會(huì)根據(jù)劃分的危險(xiǎn)等級(jí)亮燈并返回?cái)?shù)據(jù)重新測(cè)量，危險(xiǎn)等級(jí)越高，測(cè)量的頻率就越高；如若返回的數(shù)據(jù)正常，則預(yù)警燈將發(fā)出指令控制傳感器進(jìn)入休眠模式，等待下一次的測(cè)量。

對(duì)于該智能預(yù)警系統(tǒng)而言，通過(guò)程序調(diào)用傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)將完全自動(dòng)儲(chǔ)存于智能控制預(yù)警指示燈中的存儲(chǔ)器中，包括自動(dòng)設(shè)定記錄的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與當(dāng)位移超過(guò)預(yù)警閾值時(shí)多次測(cè)量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括時(shí)間在內(nèi)都是真實(shí)而有效的，預(yù)警指示燈對(duì)施工人員的提醒也體現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

1.3 參數(shù)標(biāo)定與誤差控制

對(duì)于該智能預(yù)警系統(tǒng)而言，傳感器測(cè)量的精度是預(yù)警的基礎(chǔ)。如圖4所示，為了測(cè)定該拉線傳感器的精度，將拉線收斂?jī)x收斂位置拉出500 mm后，在0～60 mm范圍內(nèi)拉動(dòng)收斂?jī)x，將拉線一段發(fā)生的位移記錄下來(lái)并同時(shí)將拉線收斂?jī)x測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)記錄，以此形成標(biāo)定與對(duì)應(yīng)。三個(gè)不同收斂?jī)x的位移誤差分布如圖4所示，收斂?jī)x的誤差分布基本滿足高斯分布，誤差基本在1 mm左右波動(dòng)，大的誤差在應(yīng)用中會(huì)多次測(cè)量縮小誤差且本身出現(xiàn)頻率很小，測(cè)量精度滿足工程要求。

圖4 拉線收斂?jī)x誤差分布直方圖

圖5展示了紅外激光測(cè)距儀的誤差分布曲線，在0～50 m范圍內(nèi)移動(dòng)激光測(cè)距儀的標(biāo)靶，將實(shí)際距離與測(cè)距儀測(cè)量的距離進(jìn)行比對(duì)。從1號(hào)到11號(hào)測(cè)距儀的誤差平均值分別為：-0.072，0.273，-0.035，0.129，0.225，-0.260 mm，其標(biāo)準(zhǔn)差分別是0.726，0.767，0.746，0.793，0.879，1.193。1，3，5號(hào)傳感器測(cè)量誤差受制于試驗(yàn)限制誤差可能偏大或者偏小，但整體分布在-2～2 mm之間；7～11號(hào)傳感器的結(jié)果具有良好的對(duì)稱性，誤差分布在-3～3 mm之間。這說(shuō)明傳感器的誤差均能滿足工程實(shí)際需要，數(shù)據(jù)返回及時(shí)且穩(wěn)定。紅外激光測(cè)距儀與拉線收斂?jī)x的誤差均經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)定試驗(yàn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中該紅外激光測(cè)距儀并不會(huì)以接近量程的距離進(jìn)行使用，同時(shí)多次、連續(xù)的測(cè)量與后續(xù)連接智能預(yù)警燈之后調(diào)用控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單個(gè)數(shù)據(jù)多次測(cè)量，進(jìn)一步降低誤差，體現(xiàn)了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖5 紅外激光測(cè)距儀誤差分布概率密度曲線

1.4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

相較于其他既有的隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本文開發(fā)的智能預(yù)警系統(tǒng)具有鮮明的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或方法普遍具有一定的缺陷，例如自動(dòng)化攝影測(cè)量方法對(duì)環(huán)境要求較高，過(guò)于明亮或者昏暗的環(huán)境都會(huì)影響成像質(zhì)量和測(cè)量精度；三維激光掃描儀則鮮有在很長(zhǎng)時(shí)間跨度中進(jìn)行持續(xù)工作的能力；光纖光柵測(cè)量的精度與抗干擾都相對(duì)較好，但其測(cè)量的光纖信號(hào)需要進(jìn)行處理后才可獲得采集出來(lái)的數(shù)據(jù)變化情況，實(shí)時(shí)性較差；其他的如自動(dòng)化激光測(cè)距、靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、測(cè)量機(jī)器人等分別具有高成本、較小的應(yīng)用范圍和低干擾抗力等不利因素。

本文所開發(fā)的隧道變形智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)基于上述基本框架，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室論證了其準(zhǔn)確性與可靠性。針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的變化情況，通過(guò)數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)消除可能受到的環(huán)境干擾與誤差，并通過(guò)智能預(yù)警燈建立人機(jī)交互，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視的安全信號(hào)，方便現(xiàn)場(chǎng)人員及時(shí)作出判斷。該系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)結(jié)合其內(nèi)部激光傳感器與拉線收斂?jī)x等可變化的數(shù)據(jù)采集部分，具有根據(jù)現(xiàn)有條件靈活調(diào)整，減小環(huán)境影響的優(yōu)勢(shì)；

(2)可將數(shù)據(jù)采集部分放置于隧道壁面之上(參照本文的后續(xù)章節(jié))，該系統(tǒng)的放置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工與后續(xù)通行基本無(wú)影響，在隧道施工及投入使用后具有可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)；

(3)系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視的安全信號(hào)，具有實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)；

(4)其內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)反映于預(yù)警燈上，體現(xiàn)了其智能化的優(yōu)勢(shì)。

2 隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

2.1 工程概況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)基于武漢地鐵8號(hào)線二期三標(biāo)洪山路站至小洪山站已開挖隧道。該段全長(zhǎng)為1595 m，從洪山站到小洪山站采用了大斷面、小斷面礦山法隧道與盾構(gòu)隧道三種掘進(jìn)方式施工。大斷面礦山法隧道穿過(guò)微風(fēng)化灰?guī)r，巖溶裂隙全部提前掃描并灌漿處理；隧道通過(guò)爆破法施工，最大具有寬20.14 m、高12.83 m的內(nèi)輪廓，埋深為23 m，該斷面是武漢市地鐵隧道工程中最大的斷面。盾構(gòu)法施工的隧道穿過(guò)了微風(fēng)化灰?guī)r、含黏性土粉砂、黏土與粉質(zhì)黏土部分，具有極其復(fù)雜的地質(zhì)情況，灰?guī)r段施工最為困難，全斷面硬巖段的盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)過(guò)了精細(xì)化的推演。本試驗(yàn)布置于盾構(gòu)隧道中，周圍地質(zhì)為微風(fēng)化灰?guī)r，進(jìn)行時(shí)該隧道段剛剛完成襯砌支護(hù)，在隧道側(cè)壁安裝我們的傳感器并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置該智能預(yù)警系統(tǒng)分布。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)布置與測(cè)量方案

基于紅外激光測(cè)距傳感器的監(jiān)測(cè)方法與基于拉線收斂傳感器的監(jiān)測(cè)方法在本工程中得到了應(yīng)用，為了獲取連續(xù)的變形數(shù)據(jù)，在隧道的某一個(gè)區(qū)段內(nèi)安裝多臺(tái)紅外激光測(cè)距儀，紅外激光測(cè)距所需要的標(biāo)靶安裝于垂直于測(cè)距儀的上端，同時(shí)為了數(shù)據(jù)之間的相互驗(yàn)證，所使用的拉線收斂?jī)x一端固定在了標(biāo)靶同一位置。傳感器的安裝位置具有初始的安裝參數(shù)，同時(shí)各儀器之間具有初始測(cè)距的讀數(shù)，確定讀數(shù)正確之后將各點(diǎn)相對(duì)位置記錄下來(lái)，通過(guò)各個(gè)傳感器之間的相對(duì)位移情況，可以得到標(biāo)靶處的相對(duì)變形距離，同時(shí)標(biāo)靶本身面積較大，沉降發(fā)生的小位移并不會(huì)影響標(biāo)靶的對(duì)應(yīng)情況，故該相對(duì)變形距離可以得到隧道的實(shí)時(shí)縱向、橫向變形，同時(shí)通過(guò)智能預(yù)警燈中接受到的數(shù)據(jù)對(duì)隧道安全性進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。圖6是現(xiàn)場(chǎng)安裝情況布置圖。

圖6 小洪山站隧道施工現(xiàn)場(chǎng)布置

圖7 隧道變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件分布

在現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中我們對(duì)于3個(gè)標(biāo)靶之間的距離本應(yīng)當(dāng)是相同的，但是由于隧道現(xiàn)場(chǎng)的限制以及傳感器本身所具有的高精度，測(cè)量得到的標(biāo)靶之間的距離本身具有一定差別，傳感器之間的距離以及傳感器與標(biāo)靶之間的距離都不相同，以方便控制傳感器的仰角相同，方便計(jì)算?？v向的變形距離可以根據(jù)相對(duì)位移與設(shè)置好的仰角進(jìn)行計(jì)算。其在橫斷面布置如圖7b所示，考慮到該隧道上部基本不會(huì)受到偏心荷載，認(rèn)定隧道的變形為對(duì)稱變形。標(biāo)靶與傳感器布置于同一垂直線上。依據(jù)劉紹堂[11]的研究，考慮到來(lái)自儀器與標(biāo)靶的誤差在相關(guān)測(cè)量中占據(jù)了主要地位，傳感器與標(biāo)靶需要牢固固定在該隧道墻壁上。相關(guān)的環(huán)境影響，例如空氣中由于施工造成的塵埃對(duì)激光傳感器的影響則可以通過(guò)該智能預(yù)警系統(tǒng)本身的誤差處理程序進(jìn)行消除，故只需要將傳感器與標(biāo)靶牢固固定。在這里通過(guò)定制的L型鋁合金板放置傳感器，并通過(guò)環(huán)氧樹脂粘合劑將傳感器與合金板進(jìn)行粘接以達(dá)到牢固粘結(jié)的目的。傳感器與標(biāo)靶在現(xiàn)場(chǎng)的布置情況如圖7a所示，可得相關(guān)的參數(shù)：

H=dsinα

(1)

L=dcosα

(2)

式中：d為紅外激光測(cè)距儀所測(cè)得的距離；α為安裝儀器仰角；H為標(biāo)靶到傳感器平面的距離；L為傳感器之間的距離。拉線收斂?jī)x可以獲得隧道側(cè)壁在橫斷面上的相對(duì)變形情況，激光傳感器可以獲得隧道側(cè)壁縱向的相對(duì)變形情況。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

智能控制預(yù)警指示燈中內(nèi)置的存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)測(cè)量開始到結(jié)束所有傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)測(cè)量?jī)x器的初始讀數(shù)，我們可以得到后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的相對(duì)變化。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定，我們將測(cè)量?jī)x器放置于工地中并連續(xù)監(jiān)測(cè)了一段時(shí)間。監(jiān)測(cè)過(guò)程中收斂?jī)x監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)處測(cè)量?jī)x器讀數(shù)

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量隧道變形示意

根據(jù)表1的測(cè)點(diǎn)最終測(cè)量?jī)x器讀數(shù)我們可以繪制出對(duì)應(yīng)隧道測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置變化圖，該測(cè)量?jī)x器進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)隧道內(nèi)部剛剛完成支護(hù)，在短期內(nèi)隧道有較快的變形。傳感器和標(biāo)靶在隧道內(nèi)部進(jìn)行了牢固的固定，傳感器上的位移變化為相對(duì)位置變化，以傳感器位置為豎向基準(zhǔn)，認(rèn)定相對(duì)位置變化為該隧道標(biāo)靶處的位移變形，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量隧道變形如圖8所示。根據(jù)該圖可以看出監(jiān)測(cè)段整體均發(fā)生了變化，以傳感器布置位置為豎向基準(zhǔn)則可認(rèn)為標(biāo)靶處發(fā)生了沉降，2號(hào)標(biāo)靶位置的沉降最大，且該標(biāo)靶在測(cè)量中明顯向1號(hào)標(biāo)靶的位置橫向偏移。1號(hào)和3號(hào)標(biāo)靶均有向內(nèi)部偏移的傾向，考慮到兩側(cè)的沉降情況，該收縮可認(rèn)為是正常情況，2號(hào)標(biāo)靶的偏移明顯是受到了隧道內(nèi)部環(huán)境因素影響，盡管隧道受到監(jiān)測(cè)的斷面均有沉降，但是整體縱向呈現(xiàn)拉伸的狀態(tài)，為了印證2號(hào)標(biāo)靶監(jiān)測(cè)斷面變化情況，我們需要隧道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的情況。

隧道內(nèi)部變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況可由監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)得出，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)全部?jī)?chǔ)存于該智能預(yù)警系統(tǒng)的存儲(chǔ)器當(dāng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖9所示。圖9a是拉線收斂?jī)x實(shí)時(shí)測(cè)量情況，可以看出在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)開始采集的15個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間步(以下簡(jiǎn)稱時(shí)步)時(shí)2，4，6號(hào)測(cè)距儀均發(fā)生了較大的位移變化，該變化在之后一直持續(xù)到75時(shí)步均在一個(gè)穩(wěn)定的值上下波動(dòng)，4號(hào)測(cè)距儀則在75時(shí)步之后又一次發(fā)生了較大的位移變化，最終的變形量達(dá)到了-5 mm。

圖9 隧道智能監(jiān)測(cè)變形情況

圖9b為激光傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況，在安裝時(shí)，3，5號(hào)與7，9號(hào)激光測(cè)距儀安裝位置相近，而3號(hào)與5號(hào)測(cè)距儀的數(shù)據(jù)波動(dòng)相近，由于施工現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械與人員的動(dòng)作，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)整體環(huán)境與固定在隧道側(cè)壁上的傳感器的波動(dòng)，但是數(shù)據(jù)在受到擾動(dòng)后仍然可以在準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)附近波動(dòng)并可對(duì)強(qiáng)烈的擾動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)，如7號(hào)測(cè)距儀所示。7號(hào)與9號(hào)布置位置相近但波動(dòng)并不一致，7號(hào)測(cè)距儀在監(jiān)測(cè)開始10個(gè)時(shí)步后受到了強(qiáng)烈的擾動(dòng)，在這一段時(shí)步內(nèi)其相對(duì)變形在0～8 mm內(nèi)波動(dòng)，但后續(xù)數(shù)據(jù)恢復(fù)穩(wěn)定并最終保持在-3 mm。3號(hào)與5號(hào)測(cè)距儀變形方向相反，7號(hào)與9號(hào)測(cè)距儀亦然，隧道縱向整體處于拉伸，且2號(hào)至3號(hào)標(biāo)靶間的波動(dòng)相對(duì)于1號(hào)至2號(hào)標(biāo)靶區(qū)域更大。

圖10為傳感器測(cè)量縱向變形與豎向沉降，豎向沉降依據(jù)于拉線傳感器數(shù)據(jù)的變化，縱向變形則通過(guò)激光傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，以1號(hào)測(cè)距儀位置向9號(hào)測(cè)距儀位置方向?yàn)檎?號(hào)與5號(hào)傳感器對(duì)應(yīng)于2號(hào)標(biāo)靶附近段L2與L3，這一段發(fā)生了非常明顯的縱向收縮，1號(hào)測(cè)距儀與7，9號(hào)測(cè)距儀對(duì)應(yīng)的區(qū)段發(fā)生了明顯的縱向拉伸，居中的位置豎向沉降量最大同時(shí)其縱向變形量也是最大的，這說(shuō)明在監(jiān)測(cè)的這段時(shí)間內(nèi)2號(hào)標(biāo)靶附近發(fā)生了較大的變形，雖然沒(méi)有達(dá)到預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)，但應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

圖10 傳感器測(cè)量縱向變形與沉降

在施工現(xiàn)場(chǎng)我們?cè)谕瓿稍摱螘r(shí)間的監(jiān)測(cè)后復(fù)查了測(cè)距儀與智能預(yù)警燈的情況，如圖11所示。以上采集的所有數(shù)據(jù)均儲(chǔ)存在智能預(yù)警燈中，讀取數(shù)據(jù)僅需要通過(guò)布置于施工現(xiàn)場(chǎng)外側(cè)的預(yù)警燈即可獲得所有測(cè)距儀的歷史工作情況。復(fù)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的L型鋁板固定情況完好，測(cè)距儀與鋁板固定完好，測(cè)量過(guò)程對(duì)施工未產(chǎn)生任何影響。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的變形并沒(méi)有達(dá)到預(yù)警燈的預(yù)警臨界值，預(yù)警指示燈在現(xiàn)場(chǎng)顯示為“安全”燈常亮。

圖11 隧道現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警系統(tǒng)工作情況

3 數(shù)值模擬分析

隧道監(jiān)測(cè)所得的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)值模擬的方式進(jìn)行分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的變形情況可以大致了解隧道周圍巖土體的變形情況。FLAC3D作為一種巖土體數(shù)值分析計(jì)算的有限差分軟件，基于快速拉格朗日法的離散模型的有限差分使其并不需要經(jīng)歷大型剛度矩陣[18]，同時(shí)其節(jié)點(diǎn)間具有位移連續(xù)性條件，故在隧道、邊坡、基坑等多種工程中得到了廣泛的應(yīng)用[19]。本文采用FLAC3D模型模擬已支護(hù)的武漢地鐵8號(hào)線隧道工程，通過(guò)建立巖土體結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)建立襯砌支護(hù)模型獲取已支護(hù)條件下的穩(wěn)定模型，通過(guò)已知監(jiān)測(cè)到的隧道變形來(lái)校準(zhǔn)模型的變形并分析該隧道周圍巖土體受力與位移情況。

3.1 模型方法與參數(shù)選取

試驗(yàn)監(jiān)測(cè)隧道所穿過(guò)的區(qū)域處于微風(fēng)化灰?guī)r區(qū)域，埋深29.75 m，上覆土層，隧道內(nèi)已進(jìn)行初襯，采用混凝土與加筋格柵并滿布腳手架支護(hù)。隧道斷面寬9.81 m，凈高12.509 m。在模型中通過(guò)建立密集的網(wǎng)格，可監(jiān)測(cè)襯砌對(duì)應(yīng)位置沉降的變化值來(lái)模擬對(duì)應(yīng)的沉降與變形[20～24]。建模是通過(guò)建立結(jié)構(gòu)單元模擬土體與巖體，并建立殼單元模擬隧道內(nèi)襯砌，考慮到需要監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)沉降點(diǎn)，隧道的網(wǎng)格劃分需要十分密集?；谝陨辖⒌哪Ｐ鸵约熬W(wǎng)格劃分如圖12所示。

圖12 隧道沉降模型與網(wǎng)格劃分示意

由監(jiān)測(cè)的隧道沉降可得，在2號(hào)標(biāo)靶位置相對(duì)沉降量為5 mm，將2號(hào)標(biāo)靶位置作為所建立模型y方向的中心，采用摩爾庫(kù)倫模型模擬土層與灰?guī)r層，由于隧道內(nèi)襯砌由包括混凝土噴層與鋼拱架支護(hù)多種措施組成，在模型中可以采用各向同性材料模型等效[25,26]，其具體的參數(shù)見表2所示。

表2 隧道模型主要參數(shù)

FLAC3D計(jì)算模型中，隧道在相對(duì)應(yīng)于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的位置設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)應(yīng)位置的縱向變形與沉降量的對(duì)比如圖13所示。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降、縱向變形與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比

3.2 模擬結(jié)果分析

圖13中FLAC3D模擬出的隧道沉降與變形相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而言有一定的差距，為了更清晰地看出變形的變化，我們采用以2號(hào)標(biāo)靶為基準(zhǔn)，1～3號(hào)傳感器之間的距離作為-2，-1位置區(qū)間；4，6，7號(hào)傳感器之間的距離作為1，2位置區(qū)間?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中縱向變形較大，參照?qǐng)D8所示整個(gè)測(cè)量過(guò)程標(biāo)靶處于不均勻變形的情況，模擬中很難復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)施工的不均勻變形，但數(shù)值較為吻合。由圖14隧道的應(yīng)力云圖可以看出，在隧道上側(cè)土層和巖層分界的地方應(yīng)力發(fā)生了較大的變化，由襯砌單元的位移變化可知，隧道變形在襯砌中造成的影響最主要集中于隧道的頂端，上覆土體與巖體的自重使應(yīng)力向襯砌單元傳遞，同時(shí)撐起的支護(hù)作用使隧道本身并不直接受到荷載，而是將力傳遞至隧道周圍，同時(shí)隧道下部的巖體為隧道提供支撐，故隧道襯砌支撐位置周圍的應(yīng)力主要由襯砌承擔(dān)。

圖14 隧道沉降模型應(yīng)力云圖

圖15為隧道總位移及塑性區(qū)云圖。如圖15所示，隧道開挖區(qū)域上部有較大的沉降，結(jié)合應(yīng)力云圖可知襯砌起到了明顯的支護(hù)作用，模擬中認(rèn)為的理想情況中隧道下半部分基本無(wú)位移，對(duì)應(yīng)于隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中安裝于隧道下半邊的測(cè)距儀作為基準(zhǔn)。由圖15b可知，上部土體的塑性區(qū)域?yàn)榧羟衅茐呐c拉伸破壞，下部的綠色區(qū)域?yàn)榧羟衅茐?，在土體與巖體交界處有向兩側(cè)延伸，并環(huán)繞整個(gè)隧道周邊一圈，隧道上部進(jìn)入塑性區(qū)域主要是由于剪切，隧道下側(cè)進(jìn)入塑性區(qū)域除了剪切外還有拉伸破壞。這都說(shuō)明了隧道模型的變化主要是由于上部土體、巖體與兩側(cè)巖體擠壓所致。而隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)中變化并不均勻也不對(duì)稱，這主要是由于隧道施工時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的影響。

圖15 隧道沉降模型總位移及塑性區(qū)云圖

4 結(jié) 論

本文對(duì)現(xiàn)有的各種隧道沉降變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究，研發(fā)出了一套實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的隧道變形智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)距方法與拉線收斂方法，結(jié)合無(wú)線傳輸與智能分析，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道變形并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，實(shí)用性更強(qiáng)，是土木工程智能化的一種可靠方法。依托于自主研發(fā)的隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，我們?cè)谖錆h地鐵8號(hào)線小洪山站隧道剛開挖不久的初期進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)可對(duì)隧道的運(yùn)營(yíng)以及后期維護(hù)支護(hù)提出有建設(shè)意義的建議，具有工程應(yīng)用價(jià)值。基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)建立了FLAC3D有限差分模型模擬了沉降的情況，分析了隧道周圍巖體與隧道本身應(yīng)力分布與塑性區(qū)的發(fā)展。本研究主要結(jié)論如下：

(1)該隧道智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的變形具有準(zhǔn)確性、真實(shí)性與實(shí)時(shí)性，該系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集并無(wú)線傳輸監(jiān)測(cè)結(jié)果至預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)及時(shí)的處理分析提前預(yù)警潛在的危險(xiǎn)變形。智能預(yù)警系統(tǒng)可建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)人員的實(shí)時(shí)溝通，是土木工程智能化中有意義的一種方法。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示整個(gè)隧道監(jiān)測(cè)段在開挖初期有較大的沉降，且2號(hào)標(biāo)靶測(cè)點(diǎn)的變形最大?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)受到施工及其他環(huán)境影響，有波動(dòng)但是可以測(cè)得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，如7號(hào)測(cè)距儀在初期受到了較大的影響，但在隨后的監(jiān)測(cè)過(guò)程中逐步恢復(fù)穩(wěn)定并測(cè)得了數(shù)據(jù)。

(3)有限差分法模擬結(jié)果顯示：土層與巖層的分層對(duì)于水平向應(yīng)力傳遞與整個(gè)土體巖體的塑性區(qū)發(fā)展有較大影響。隧道變形主要來(lái)源于上部土體巖體的壓力，周圍巖體的擠壓對(duì)隧道變形也有一定的影響，隧道襯砌有效地支撐了巖體變形。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可得，隧道拱頂沉降較大，需要及時(shí)進(jìn)行二次支護(hù)。