隧道运营期结构健康监测

隧道运营期结构健康监测,2013.05.23,韩宗彪 学号:201221080220 宁 鹏 学号:201221080221,一，研究的目的,二，国内外的研究现状及发展趋势,三，隧道监测的项目及所选仪器介绍,四，超声波测距技术,一 研究目的,隧道在运营过程中，由于受到材料退化、地震、人为因素等影响会发生隧道主体结构的损坏和劣化。若不及时检测和维修，将会导致很大的破坏和坍塌，带来的损失也是非常巨大的。所以对运营期隧道进行实时监测，及时高效地保证隧道主体结构的安全是必要的。,二 国内外的研究现状及发展趋势,国内外研究现状,国内外主要隧道变形监测方法,隧道监测的发展趋势,国内外的一些专家在隧道的监测方面做了大量的工作,为隧道的监测提供了很好的借鉴和参考。,在国外,荷兰于2000年对Botlek铁路隧道施工过程进行了土木衬砌结构特性以及隧道动力现状等方面的监测,并将隧道施工过程大量的监测数据用于指导施工。,韩国在高速铁路(HSR)隧道安装了健康监测系统,对内部衬砌形变、喷射混凝土应力、地下水水位以及其它问题进行实时监测或周期性监测,国内外研究现状,瑞士Aembe Measuring Technique公司研制了一套全自动隧道断面收敛及投射系统TMS。它是由Leica TPS激光全测站仪加上伺服马达驱动定位装置,再配合即时收敛及投射软件组成.,在国内,王秀美、曾卓乔于2001年开发了一种用于监测运营期间对周边位移进行监测的新技术。,LeeJ.S.于2004年利用健康监测系统采集的隧道变形数据,通过一种新的系统识别方法来判断隧道的损伤和损伤部位。,黄腾、张书丰于2004年结合南京地铁一号线隧道下穿公路隧道的具体工程实践,探讨了两种不同类型隧道的监测技术,分析了隧道穿越公路隧道过程中监测数据的变化规律,用于工程实践,保证了隧道结构和周边环境的安全。,国内外主要隧道变形监测方法,接触测量,非接触测量,变形监测，就是利用测量与专用仪器和方法监测变形体的形状、大小及位置变化的空间状态和时间特征。,测量方法主要可分为接触式测量和非接触式测量两种。,接触测量,接触式测量需人工安装倾斜仪在隧道内壁的不同位置来获得倾斜角和变化，如收敛尺、巴赛特收敛系统等监测方法。,特点：此类方法能够直接量测隧道特定位置、区段的形变，但人力、财力成本极高，监测周期较长，在效率和资源利用等方面都不再符合当今地铁隧道监测的实际应用要求和发展需求，因此对此类方法的研究在近几年已经趋于停滞。,非接触测量,基于激光测距技术的监测,基于图像传感技术的监测,基于光纤传感技术的监测,应用：目前所采用的非接触测量的方法多数基于激光测距技术。其中三维激光扫描仪无需设置反射棱镜、无接触测量，能高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，同时对环境光线、温度都要求较低，因此三维激光扫描作为隧道变形监测的新方法是比较理想的。局限：但是由于价格特别昂贵，只能用于特定重点项目进行监测，无法普遍用于所以隧道。,基于激光测距技术的监测,基于图像传感技术的监测,原理：数字图像处理技术也在地铁隧道变形监测中有所应用，即通过对隧道内定点放置的目标光源进行拍摄所得图像进行预处理，再对目标光源轮廓进行提取，然后通过图像二值化提取边界，最后通过计算目标光源圆心的位置变化得出地铁隧道纵向的变形量。,应用：周奇才等人在 2009 年提出利用数字图像处理技术对地铁隧道变形进行监测的方案，通过对数字图像进行平滑、锐化、腐蚀、膨胀、去噪等预处理，进而计算光源位置变化并得出地铁隧道纵向的变形量。实验结果表明，该方法在地铁隧道变形检测系统中得到的隧道变形量比较精确、可靠。局限：由于运营地铁隧道内环境恶劣,情况复杂,因此对目标光源的数字图像数据的分析、识别以及目标光源圆心位置的计算是十分困难的。,系统示意图,图像传感器位移测量,基于光纤传感技术的监测,应用：近年来，一些新式传感技术在隧道监测领域得到发展，尤其是光纤传感技术引起人们关注。美国、德国、英国等都在致力于该技术的研究，国内对其研究相对较晚。局限：由于光纤非常脆弱,岩土工程变形复杂，因此传感光纤的合理布设是检测成功与否的关键；另外，光纤目前的分辨率只能达到1 m，这对实际工程来说是远远不够的.鉴于以上种种原因，采用光纤技术进行健康监测尚未在实际大型土木工程中得到推广应用。,FBG应变监测系统图,隧道监测的发展趋势,针对目前隧道监测系统存在的不足，未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：,(1) 采用高精度、环境适应能力强、自动化程度高、可操作性强的测量仪器和自动化的隧道实时监测系统；,(2) 研究出实用性强、可靠性高的数据处理方法，以提高预测结果的准确度；,(3) 充分利用信息技术、计算机技术、数据库技术、网络技术和虚拟现实技术开发出功能完备、安全性高、实用性强、可视化程度高、可维护性好、可移植性强等的隧道监测信息管理系统，包括3维可视化平台和虚拟现实平台.,三，隧道监测的项目及所选仪器介绍,监测项目介绍,监测所用仪器介绍,监测项目,围岩内部位移监测,裂纹监测,初衬钢拱架应变监测,二衬结构内应力监测,锚杆轴力监测,一、围岩内部位移监测 围岩内部位移监测，是通过位移计量测围岩不同深度的轴向位移，据此分析判断隧道围岩位移的变化范围和松弛范围，预测围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供依据。该检测项目所用传感器为位移传感器。根据地质条件，量测断而应选在典型构造地段及埋深较大或较浅地段，一般每隔100 m设置一个断而，断层带每隔50 m设置一个断而，其余地段断而间距可适当加大，但须保证沿每类围岩至少有一个断而，测点布设情况见图1。,图1 围岩内部位移测点分布示意图,二、裂纹监测,裂纹监测，是对裂纹监测，是对隧道裂纹的发展变化进行观测。根据隧道裂纹调查资料，结合隧道实际情况，在隧道布置合适数量的裂纹计对有发展迹象的裂纹进行监测。,三、初衬钢拱架应变监测 初衬钢拱架作为隧道主要的承重结构，测量其应变，可以掌握隧道围岩的稳定性。一般每10榀钢拱架设一断而，每根钢拱架沿水平中性轴位置左右对称安装2个钢弦式表面应变计，如图2所示。,图2 初衬钢拱架应变测点布设示意图,四、二衬结构内应力监测 二衬钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋，将传感器串联在钢筋上，作相关防护并将线路引出即可。或者也可以选用压力盒。将压力盒埋设在一次衬砌和二次衬砌之间，对其结构内应力进行检测。 结合地质条件，在代表性地段设断面，测点布设如图3所示。,图3 二衬结构内应力测点布设示意图,五、锚杆轴力监测 根据隧道设计和地质情况，一般每10 m布置1个断面，每个断面至少布设3根锚杆，如图4所示。在安设锚杆前将锚杆截断，将轴力计串联焊接在距离锚杆孔口0.51.0m处，用砂浆锚固装有轴力计的锚杆。,图4 锚杆轴力测点布设示意图,监测所用所用仪器,位移计,裂缝计,振弦式表面应变计,钢弦式压力盒,锚杆轴力计,目前隧道运营监测中采用的传感器系统有：差动电阻式传感器系统、振弦式传感器系统及光纤光栅传感器系统。其中振弦式传感器属于非电量测量，基本不受接引线长度影响，信号传输距离可达一公里，经特殊处理，信号可传输数公里。并且其结构简单，长期稳定性好，易于实现自动化。拟采用振弦式传感器系统作为隧道运营期结构健康监测的主要使用传感器。,监测所用所用仪器,3.1 位移计 在围岩内部位移监测中使用的传感器是位移计。位移计适用于长期埋设在水工结构物或土坝、土堤、边坡、隧道等结构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等，并可同步测量埋设点的温度。,振弦式位移计工作原理： 当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆再拉动位移计的拉杆产生位移变形。位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。振弦式多点位移计可同步测量埋设点的温度值。,表1 振弦式位移计型号及价格,3.2裂缝计 裂缝监测中使用到裂缝计。裂缝计适用于长期布设在混凝土结构物或者其他材料内及表面上，测量结构伸缩或周边缝的开合度（或变形）。裂缝计可以选用振弦式裂缝计。以某型号振弦式裂缝计为例介绍其组成及工作原理。,裂缝计工作原理： 当结构物伸缩缝或裂缝的开合度（变形）发生变化时，会使位移计左、右安装座产生相对位移，该位移传递给振弦，使振弦受到应力变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激拨振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置或数据采集系统，再经换算即可得到被测结构物伸缩缝或裂缝相对位移的变化量。,表2 振弦式位移计型号及价格,3.3 振弦式表面应变计 初衬钢拱架应变监测中用到钢弦式表面应变计。表面应变计适用于长期安装在水工建筑物或其他混凝土结构物（如梁、柱、衬砌）表面，测量埋设点的线性变形（应变）与应力，同时可兼测埋设点的温度。,钢弦式表面应变计工作原理： 当结构物受力或因温度变化发生线性伸缩变形时，与结构物刚性固连的应变计产生同步变形，通过前、后端座传递给振弦使其产生应力变化，从而改变振弦的固有振动频率。激励与信号拾取装置激励振弦使其发生谐振，同时拾取其振动频率信号，此信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的线性改变量，此改变量与仪器标称长度的比值即为应变量。,表3 钢弦式表面应变计型号及价格,3.4钢弦式压力盒 二衬结构内应力监测中使用的传感器是钢弦式压力盒。压力盒应用于岩土工程中进行介质内应力测量，如围岩与支护结构之间、喷射混凝土于现浇混凝土之间的接触应力监测。压力盒种类有钢弦式压力盒、油腔压力盒等类型，常用钢弦式压力盒。,钢弦式压力盒工作原理 当被测结构物土应力发生变化时，土压力计感应板同步感受应力的变化，感应板将会产生变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的压应力值。,表4 钢弦式土压力计型号及价格,3.5 锚杆轴力计 振弦式轴力计，又称反力计，是一种振弦式载重传感器，具有分辨力高、抗干扰性能强，对集中载荷反应灵敏、测值可靠性好等优点，能长期测量基础对上部结构的反力，对钢支撑轴力及静压桩实验时的载荷。 若加装温度传感器可同步测量安装点的温度。,锚杆轴力计工作原理 当被测结构物内部的钢筋发生应力变化时，钢筋计将受到拉伸或压缩，钢套同步产生变形，变形使钢筋计感受拉伸或压缩的变形，变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物内钢筋所受的应力。 锚杆轴力计型号及价格如表5所示。,表5 锚杆轴力计型号及价格,隧道的围岩收敛和拱顶下沉是隧道期运营健康监测的重要项目。目前实际隧道监测中针对该项主要使用的仪器是全站仪。全站仪具有测距自动化及数据将处理快速化的优点，并且测量结果精度高。但是，全站仪属于光学仪器，不适合在恶劣环境（如光照不足，大雾天气）下工作，并且全站仪成本很高，市场价格多在几万到几十万之间。 针对全站仪监测隧道位移变形的缺点和高成本，结合导师的专业优势，我们提出应用超声波测距技术对隧道的围岩收敛和拱顶下沉进行监测，这种方法具有受环境影响小并且低沉本的优点。,超声波测距技术,超声波测距优点：超声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。,超声波测距原理： 超声波测距的工作原理：发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差t, 求出目标障碍物距信号发射源的距离d，计算公式为： 其中，v为超声波波速(m/s)。 空气中：,超声波测距缺点： 目前超声波测距技术存在测量范围小，精度低，分辨率低的缺点。隧道变形监测要求精度高，需要针对影响超声波测距精度的因素对超声波测距电路进行优化，提高其测距精度。 根据中华人民共和国建设部行业标准：建筑变形测量规范（JGJB-2007），对建筑变形测量的级别、精度指标及其适用范围作了明确的要求，如表1所示。,表6