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1、地铁隧道安全监测前言 随着经济的高速发展，我国公路建设的步伐越来越快。作为其重要组成部分的隧道，数量也在不断增加。在隧道不断竣工的同时，数量越来越多的隧道进入了“老龄”阶段。如何在保证安全的前提下，充分发挥这些隧道的作用，值得人们关注。大部分的隧道都配有监测系统，但其仅仅对照明，通风，火灾等环境情况进行监测，未能对隧道的整体结构进行监测，一旦隧道拱顶发生下沉，严重时导致坍塌，其后果不可估量。目录n n产生原因n n导致后果n n监测遵循的基本原则n n基于GIS和激光断面的两种安全监测系统n n结束语产生原因产生原因 在已建立或在建立中的地铁城市中，在地铁隧道沿线附近或上方进行非地铁施工的建设
2、项目越来越多，这些项目存在卸载，加载，抽水，降水或振动等施工程序或因素，他们可能对地铁隧道结构产生一定的结构变形，倾斜，位移，隆起或沉降等等影响。导致后果导致后果n n可能引起隧道结构横截面产生水平或竖直位移n n可能引起隧道不均匀纵向变形n n可能导致隧道结构局部发生横向或竖向变形（对于不同工法构成的隧道结构产生不同的影响）n n道床差异达6mm以上须重新铺设，在变形严重的情况下甚至会颠覆列车，引发事故补充当隧道变形变位达到一定的量值后：暗挖法，使地铁隧道结构产生沿隧道结构纵向或横向的裂缝，隧道结构的防水性能和耐久性随之降低盾构法，使纵缝接头和环缝接头增大张开量，隧道的防水性和耐久性随之降低
3、，特别是当纵缝接头和环缝接头张开量达5mm以上时，隧道将遭到无可挽回的损坏。如果隧道发生上述的性能降低或损坏，快速地铁列车的运营将受到制约甚至会发生安全事故。首先，结构变形可能会降低列车的运营性能和效率，其次，可能增大列车与轮轨之间的摩擦，从而加快列车车轮和轮轨的损耗，除此之外，当地铁道床隆起或沉降3mm以上时，需对路轨进行调整，影响地铁运营。所以为了确保地铁隧道结构和运营安全，同时为了信息化指导非地铁施工，需对受施工影响范围内运营地铁隧道进行变形变位自动监测，目的就是，一，准确测量出隧道结构局部或整体变形的准确位置，大小量值，变形方向和变化速率，实时动态并准确的掌握非地铁施工过程中对地铁隧道
4、结构和地铁运营安全影响的程度，以便采取针对性的预防措施防止隧道结构局部或整体变形变位扩散；二是为了检测对运营地铁隧道结构的安全保护设计及施工是否达到保护目的，及时消除影响隧道结构安全的隐患。监测应遵循的基本原则n n注意地铁隧道结构安全监测n n注意监测系统人，机和工作程序协调一致n n监测技术必须控制到位n n及时提出可行性措施保障地铁安全运行基于GIS的安全监测系统瑞士莱卡瑞士莱卡TCA2003/1800TCA2003/1800全站仪全站仪n n测角精度（一测回方向标准偏差）测角精度（一测回方向标准偏差）0.520.52，测距精度，测距精度1mm+1ppm1mm+1ppmn n 具有具有A
5、TRATR功能的功能的TCA2003/1800TCA2003/1800全站仪，把地面测量设备带入了测量全站仪，把地面测量设备带入了测量机器人的时代，并以性能稳定可靠著称机器人的时代，并以性能稳定可靠著称n n利用利用ATRATR功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作，合作目标只是功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作，合作目标只是普通的反射棱镜普通的反射棱镜n n具有激光对点器；可加配具有激光对点器；可加配EGLEGL导向光；配备导向光；配备RCSRCS遥控器可组成单人测遥控器可组成单人测量系统量系统 n n可通过可通过GeoBasicGeoBasic工具，用户可自开发机载应用软件；在工具，用
6、户可自开发机载应用软件；在GeoCOMGeoCOM模式模式下，通过计算机软件的控制，可组成各种自动化测量系统下，通过计算机软件的控制，可组成各种自动化测量系统n n在测量办公软件在测量办公软件SurveyOfficeSurveyOffice或或LeicaGeo-OfficeLeicaGeo-Office的帮助下，可把仪的帮助下，可把仪器内器内PCPC卡上保存的数据轻松地传输到计算机中卡上保存的数据轻松地传输到计算机中n n广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域域某自动监测系统平面布置监测断面布置10-15m10
7、-15m；差异沉降的影响最重要；差异沉降的影响最重要；选取与隧道结构，地质构造；非选取与隧道结构，地质构造；非地铁施工影响和隧道采取的保护地铁施工影响和隧道采取的保护措施，隧道施工缝，不同隧道结措施，隧道施工缝，不同隧道结构连接处和隧道跨度变化处构连接处和隧道跨度变化处监测点布置 隧道跨度，结构受力，非地铁施工隧道跨度，结构受力，非地铁施工和隧道内部设备情况和隧道内部设备情况基准点变形区域外变形区域外50m50m以外以外隧道断面构成图和断面监测系统的组成与建立监测系统的组成包括两个部分监测系统的组成包括两个部分一是由上述的监测点，监测断面，基准点和隧道段等反应变形变位特征的一是由上述的监测点，
8、监测断面，基准点和隧道段等反应变形变位特征的点线面；一是有检测仪器设备，软件和信息解调传输装置等硬软件。点线面；一是有检测仪器设备，软件和信息解调传输装置等硬软件。检测系统的建立检测系统的建立如图，以上行线为例，设立如图，以上行线为例，设立3 3个监测段个监测段A1A1，B1B1，C1C1，分别设立一台徕卡，分别设立一台徕卡TCA2003/1800TCA2003/1800自动全站仪（编号自动全站仪（编号JD1JD1，JD2JD2，JD3JD3）来负责各监测段）来负责各监测段的隧道结构监测。在监测区域两端各设置的隧道结构监测。在监测区域两端各设置1 1个基准点，因与下行线联测，个基准点，因与下行
9、线联测，所以基准点总设置所以基准点总设置4 4个。个。4 4个基准点（个基准点（JZ1JZ1，JZ2JZ2，JZ3JZ3，JZ4JZ4）均安装）均安装莱卡反射棱镜，仪器和基准点构成该监测区域完整的包括动态基准导线莱卡反射棱镜，仪器和基准点构成该监测区域完整的包括动态基准导线的自动监测系统：的自动监测系统：JZ1-JD1-JD2-JD3-JZ2-JD4JZ1-JD1-JD2-JD3-JZ2-JD4。下行线也分三个监测。下行线也分三个监测段：段：A2A2，B2B2，C2C2，各分别设置一台徕卡自动全站仪。与和上行线一样，各分别设置一台徕卡自动全站仪。与和上行线一样构成完整的自动监测系统，负责各监测
10、段的地铁隧道结构监测。构成完整的自动监测系统，负责各监测段的地铁隧道结构监测。特点特点n n实际上建立了一个四维空间坐标系统n n采用自动动态导线测量和极坐标测量方法n n将各功能系统构成一个完整的能全方位测量隧道结构局部和完整变形特征的监测系统，采用该系统能自动，系统，完整，连续，及时，准确的测量处隧道结构局部和整体变形变位的准确位置，大小量值，变形方向和变化速率，使我们能够实时动态并准确的掌握非地铁施工对地铁隧道影响的程度，能够尽早采取针对性的预防措施，信息化指导非地铁施工，保障地铁隧道结构和运营安全。基于激光断面的安全监测系统n n系统结构主要由终端工控机，数据传输模块，激光测距系统，云
11、台，步进电机和PLCn n系统功能步进电机在PLC的控制下，使云台带动激光测距系统旋转，每旋转一定的角度，激光测距系统就行一次断面扫描；激光测距系统将测量得到的数据通过数据传输模块送至终端的工控机；对原始数据进行处理后，利用数理统计中假设检验的方法对激光测距系统测得的截面积进行分析，由此来判断隧道形状是否发生变化，据此对隧道的安全情况进行分析判断。测量原理测量原理采用德国采用德国SICKSICK公司生产的公司生产的LMS200LMS200无接触式测量系统无接触式测量系统技术参数技术参数测量范围（测量范围（mm）080080扫描角度（扫描角度（）01800180角度分辨率（角度分辨率（）0.25
12、0.25响应时间（响应时间（msms）5353安装位置安装位置隧道纵向轴线与拱脚水平基线的交叉点，这样安置不仅对交通运行无阻，隧道纵向轴线与拱脚水平基线的交叉点，这样安置不仅对交通运行无阻，并且为测量和数据分析带来了极大的方便。并且为测量和数据分析带来了极大的方便。云台旋转范围示意图云台旋转范围示意图 隧道轴测图隧道轴测图 控制原理控制原理n n激光测距系统在测量隧道截面时，采用逐个截面的原理，激光测距系统在测量隧道截面时，采用逐个截面的原理，这就需要控制系统能够控制激光测距系统沿隧道轴向的方这就需要控制系统能够控制激光测距系统沿隧道轴向的方向进行旋转，达到测量多个截面的目的。本控制系统主要向
13、进行旋转，达到测量多个截面的目的。本控制系统主要由由PLCPLC、步进电机和工控机组成。、步进电机和工控机组成。n nPLCPLC以微处理技术为基础，综合了计算机技术、自动控制以微处理技术为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术，使用面向用户、面向过程的简单编程语技术和通信技术，使用面向用户、面向过程的简单编程语言。本系统选用的言。本系统选用的PLCPLC为松下公司生产的为松下公司生产的FP0FP0系列产品。系列产品。n n步进电机是一种将电脉冲信号转化成直线位移或角位移的步进电机是一种将电脉冲信号转化成直线位移或角位移的执行元件，每当对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过执行元件，每当
14、对其施加一个电脉冲时，其输出轴便转过一个固定的角度；因此，可以利用一个固定的角度；因此，可以利用PLCPLC输出来控制步进电输出来控制步进电机的旋转，从而带动安装有激光测距系统的云台转动。机的旋转，从而带动安装有激光测距系统的云台转动。数据处理数据处理在隧道处于良好状态时先进行一段时间的测量，从测量的结果中随机取在隧道处于良好状态时先进行一段时间的测量，从测量的结果中随机取n n（n50n50）个测量值进行均值，方差和标准差的计算，并用该计算结果）个测量值进行均值，方差和标准差的计算，并用该计算结果进行正态分布时的参数计算，将估计的参数作为正态分布下的标准参数。进行正态分布时的参数计算，将估计
15、的参数作为正态分布下的标准参数。下面以第一个截面的下面以第一个截面的n n次测量值为例，进行数理统计，计算公式如下：次测量值为例，进行数理统计，计算公式如下：假设第一个截面的假设第一个截面的n n个测量面积为个测量面积为C0101、C0202、C0303 C0i0i C0n-10n-1、C0n0n均值：均值：方差：方差：标准差：标准差：在后期的采样测量中，可以利用上面所确定的参数作为标准在后期的采样测量中，可以利用上面所确定的参数作为标准参数进行假设检验。由于采样为大样本，则假设样本服从参数进行假设检验。由于采样为大样本，则假设样本服从XN(XN(,)的正态分布，其检验的过程如下：的正态分布，
16、其检验的过程如下：假设在后期测量中，第一个截面随机选取的假设在后期测量中，第一个截面随机选取的n n个截面面积分个截面面积分别为：别为：CC0101 、CC0202、CC0303 C C0i0iCC0n-10n-1、CC0n0n。则各统计数据如下：。则各统计数据如下：样本均值：样本均值：样本标准差：样本标准差：在大样本条件下，在大样本条件下，和和 都近似服从正态分布，然后提出假设检验，与所需要选定的值进行比较，若假设不成立，即认为判断的错误的概率不超过这一选定的值。此时认为所测量的隧道截面面积与标准不等，有发生变形的可能性，应当进行适当的检查和维护。特点特点 基于激光断面的隧道安全检测系统自动化程度高，抗干扰能力强，可靠性高，运行稳定，能实时对隧道结构进行监测，保证了隧道在长期使用中的安全。安全第一！预防为主！综合治理！谢谢大家！