隧道结构健康在线监测预警系统方案及设备选型

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一、隧道监测背景：
隧道所处地下环境复杂，在施工过程中会面临围堰变形、拱顶沉降、净空收敛、初衬应力变化、土体塌方等多种危险情况。在隧道营运过程中，也会受到材料退化、地震、人为破坏等因素影响，引发隧道主体结构的劣化和损坏，若不及时检修，可能会引发事故。因此，在隧道施工期和营运期都需通过合理布设测点对隧道的结构状态进行监测分析，从而达到对隧道的安全管理要求。

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那么如何在隧道施工期及营运期布设自动化监测点，又如何去测量呢？二、自动化监测点布设原则：
隧道监测测点的布设安全规范、科学与否，直接影响到监测数据能否正确反映隧道的实际状态及变形量的大小，因此隧道监测点的类型和数量应结合工程性质、地质条件、设计要求、施工特点等因素综合考虑，同时布设监测测点时应遵循以下几点：
1.在满足监测目的前提下，测点数量和布置必须是充分的、足够的，不能盲目设置测点，任何一个测点的布设都应该是有高价值的。     
2.需结合周边环境布设点位，两测点之间距离不宜太远，且每个测点需具有代表性，能够准确反映被测结构物的形变状态。     
3.测点的布置对安装实施工作应该是方便的、安全的。对于危险的部位，要妥善考虑安全措施或者选择布置特殊的测量方法或传感器。
4.测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护，严防损坏。  
5.系统监控中心需实施对所有前端传感器设备、物联网网关、数据采集设备及物联监测云平台进行统一集中管理。

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三、各监测点布设：
1.拱顶沉降点布设：
结合隧洞内施工期开挖情况，洞内沉降监测主要对象为拱顶，可利用激光测距仪固定在隧道边墙，另一侧固定反光片，同时在两侧隧道中点拱顶位置固定一枚反光片。

2.地表沉降点布设：
应在隧道正洞开挖施工前，根据隧道施工沿线，利用静力水准仪设置地表沉降监测点，并在开挖前及时采集初始读数，确保设备正常工作。


3.周边建筑物沉降点布设：
在隧道施工影响范围内的地面建筑物，根据建筑物的历史年限、使用要求以及受施工影响的程度，确定在需保护的建筑物结构基础上布设静力水准仪和倾角传感器，有裂缝的建筑物需增设裂缝监测点。


4.地下管线沉降点布设：
对隧道施工影响范围内地层不同程度的沉陷，可能会引起地下管线的变形、下沉而直接危及使用安全。因此在确定受影响的隧道施工周边地下管线上每隔10米布设一个静力水准仪监测点，以监测掘进期间地下管线的变量，确保地下管线的安全及地下工程顺利施工。


5.断面轴力监测点布设
隧道断面布设监测点，分别在隧道拱顶、拱腰、边墙等布置若干个量测锚杆，每个锚杆设置轴力测点。


6.土压力监测点布设：
在围岩与初期支护之间埋设土压力盒，用以监测围岩与初期支护间的接触压力。在初期支护与二次衬砌之间埋设土压力盒，用以监测初期支护与二次衬砌间的接触压力。


7.应力监测点布设：
隧道断面布设监测点，分别沿隧道的拱顶、拱腰、边墙布设若干个应变计，测出每个测点的环向应力和切向应力。

四、监测设备选择
综上所述，在隧道结构健康监测系统中，主要针对隧道的应力/应变、温度、沉降、位移等物理量，可用于这类监测项目的传感器和设备种类繁多、型号各异，而且不断有新的更加可靠、精确和便宜的传感器被开发出来，因此在进行传感器设备选型时要重点考虑量程、灵敏度、精度以及工作环境等因素。

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设备介绍：
液压式静力水准仪，是一款利用连通器原理实现竖向位移测量的传感器，采用进口扩散硅压力敏感元件并集成温度修正元件，通过RS485数字型接口输出高精度的数据。可用于桥梁、隧道、路基、地铁、深基坑、大坝、房屋等结构物的沉降自动化监测。

动力水准仪可在振动和运动环境下能准确的测量出竖向位移。可用于高铁地基高压注浆时地基、隆起的压力反馈控制、桥梁的动态挠度测量、高铁经过时轨道、结构的动态位移实时测量等需要对位移做出快速反应的项目。本方案中将动力水准仪用于监测桥梁的挠度。

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