隧道运营期结构健康监测

单位 支 支 组 组 台
单价 1500 1500 3600 5400 1000
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。
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.
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。
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
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。
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。
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。
表4 钢弦式土压力计型号及价格
序号 1 2
公司 南京葛南实业有限公 司 北京卓川电子科技有 限公司
功能 土压力计 土压力计
型号 VWE系列 SS.55-BFE
单位 支 支
单价 700 1000
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。
系统示意图
图像传感器 位移测量
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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。
隧道运营期结构健康监测
韩宗彪 学号:201221080220 宁 鹏 学号:201221080221 2013.05.23
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。
表2 振弦式位移计型号及价格
序号 1 2 3 4 5
公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 北京卓川电子科技有限公司
功能 裂缝计 测缝针 2向测缝针 3向测缝针 表面裂缝计
型号 VWD-20J VWD-20J VWD-50J VWD-50J GK-4420
表3 钢弦式表面应变计型号及价格
序号 公司
南京葛南实业有限公司
功能
型号
单位
支
单价
1
应变计（智能 ） 钢板应变计
VWS-10
550
2
南京葛南实业有限公司
VWS-10B
套
630
3
南京葛南实业有限公司
表面应变计
VWS-10F
套
630
4
北京卓川电子科技有限 公司
表面应变计
SS.49-4000/GK4000
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
国内外研究现状
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。
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。
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。
表1 振弦式位移计型号及价格
序 号 1 2 3 4 5 6 公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 南京葛南实业有限公司 金坛市华城凯盛土木工 程材料厂 功能 位移计（智能） 位移计（智能） 位移计（智能） 2向位移计 3向位移计 位移计 仪器型号 VWD-20 VWD-50 VWD-100 VWD-50 VWD-50 DCE0530 支 支 支 组 组 支 单位 单价 1500 1800 2100 3600 5400 800
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
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。
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.
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 0.5~1.0m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
监测所用所用仪器
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。
基于激光测距技术的监测
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。
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 。
支
1000
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。