第３５卷第６期 隧道建设 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．６ ２０１５年６月 Ｊｕｎｅ ２Ｏｌ５ ＳＡＡ技术在成兰铁路隧道监控量测中的应用 王生涛，李传富，蒲小平，周宝春，唐波涛，鲜 国 （成兰铁路有限责任公司，四川成都６１００７２） 摘要：通过ＳＡＡ技术在成兰铁路茂县隧道斜井大变形地段的成功应用，对ＳＡＡ Ｔ作原理、ＳＡＡ技术用于隧道工程临控 测的测点 布设、监测数据表达方式、误差及自动监测预警等进行了全面解析和介绍。ＳＡＡ监控量测技术对比传统的隧道监控缱测技术具有 高度自动化、信息化及实时性的特点，该技术的成功应用是隧道围岩量测技术的一次重大突破，对强化隧道监控量测过程管理，降 低施工安全风险起到积极作用。 关键词：成兰铁路；ＳＡＡ；隧道；变形；监控量测 ＤＯＩ：１０．３９７３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７４１Ｘ．２０１５．０６．０１５ 中图分类号：ｕ ４５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１５）０６—０５８４—０５ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＡ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌｓ ｏｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ－Ｌａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ ＷＡＮＧ Ｓｈｅｎｇｔａｏ，ＬＩ Ｃｈｕａｎｆｕ，ＰＵ Ｘｉａｏｐｉｎｇ，ＺＨＯＵ Ｂａｏｃｈｕｎ，ＴＡＮＧ Ｂｏｔａｏ，ＸＩＡＮ Ｇｕｏ （Ｃｈｅｎｇｄｕ—Ｌａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６ １ ００７２，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＳＡＡ（Ｓｈａｐｅ Ａｃｃｅｌ Ａｒｒａｙ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｒｉｏｕｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎｅｄ ｓｈａｆｔ ｏｆ Ｍａｏｘｉａｎ Ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ Ｃｈｅｎｇｄｕ・Ｌａｎｚｈｏｕ ｒａｉｌｗａｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＳＡＡ，ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｗａｒｎｉｎｇ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳＡＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｍｏｒｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ，ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｔｉｍｅｌｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｓａｆｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｅｎｇｄｕ－Ｌａｎｚｈｏｕ ｒａｉｌｗａｙ；ＳＡＡ；ｔｕｎｎｅｌ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｏ 引言 随着铁路、公路的快速发展，行车速度的大幅提 ＳＡＡ围岩监测技术。 ＳＡＡ（Ｓｈａｐｅ Ａｃｃｅｌ Ａｒｒａｙ）是一种灵活的、校准三维 高，隧道断面在不断加大的同时，施工中从有尺量测发 展到无尺量测，达到了全面施行。无尺量测是在开挖 断面内埋设反光片，采用全站仪对反光片进行坐标测 量，利用坐标的相对关系进行拱顶下沉和水平收敛的 测量系统，由加拿大Ｍｅａｓｕｒａｎｄ公司研发制造，具体有 自动、高频、实时测量的功能。在国内，该技术已用于 路基工程、大坝工程变形监测以及桥梁挠度监测中；该 技术成功应用于隧道围岩监控量测中，在国内属首创， 并且取得了较好的监测效果。 监控量测。在以已修建或者正在修建的的隧道工程 中，圆梁山隧道 Ｊ、郑西客专的高桥隧道＿３ Ｊ、浏阳河隧 道ｌ４ Ｊ、厦门翔安隧道 ５ Ｊ、葡萄山隧道＿６］、木寨岭隧道ｌ ７＿ 等都采用无尺量测，工程建设者对其自动化程度、操作 方便、干扰少、监控量测作业效率及实用性、以及无尺 量测的误差与可靠性方面有了较深入的总结；由于无 尺量测测点布置是间隔性的，在施工隧道内实现高度 １ ＳＡＡ组成及工作原理 １．１ ＳＡＡ组成 ＳＡＡ内部由三轴微电子机械系统（ＭＥＭＳ）加速度 计组成。采用微机电感应方式和阵列式计算原理，可 实时获取连续变形曲线。ＳＡＡ每８节组成一个基本单 元（八位组或分阵列）。每节有加速度计和微处理器， 每个基本单元有一个温度传感器和一个动态模块，每节 标准长度为５００ ｍｍ或３０５ ｍｍ。ＳＡＡ组成如图１所示。 自动化、实时性等方面还存在一些不足，为了更好地对 隧道全断面进行位移变化的监控，引进了一种新的 收稿日期：２０１５—０３—０９；修回日期：２０１５—０４—１３ 作者简介：王生涛（１９７８一），男，甘肃环县人，２０１３年毕业于贵州大学，项目管理专业，硕士，高级工程师，主要从事铁路：［程建设技术管理工作。 第６期 王生涛，等： ＳＡＡ技术在成兰铁路隧道监控量测中的应用 监测后 一 与 一 的水平距离 输通道，通过视频监控通道实现与洞口值班室装有相 应控制软件的电脑连接，实现自动测量、数据上传，即： 按照设定的间隔时间自动通过向监测设备发送指令获 的水平距离为 取数据，获取数据后进行分析计算，计算完毕后写入数 据库，然后通过因特网向相关单位信息化管理平台自 ｄｌ＝√［（ １一ｌ一 １—４９） ＋（ １—１一Ｙ１－４９） ＋（ｚ１～ｌ— ｚｌ ） ］。 同理得，第２次监测后 一 与 ｄ２＝√［（ ２一ｌ—Ｐ￣２－４９） ＋（），２一 一Ｙ１－４９） ＋（ ｌ一 ｌ～４ｑ） ］。 第Ⅳ次监测后 一 与 一鹌的水平距离 ｄ～＝√ ［（ Ⅳ～ｌ一 Ⅳ一４ｑ） ＋（ＹⅣ一ｌ—Ｙｊ、ｆ一４９） ＋（ Ⅳ一】一 ） ］。 故可得：第 次监测后，测点 一 与 埘周边收 敛本次变形量ＡＤ 计算公式为：ＡＤ ＝ｄ ¨一ｄ 。 同理，得出其他对应收敛测点的本次变形量。若分 析计算单侧变形量ＡＤ 左或ＡＤ 右，则利用同一测点的 前后坐标直接计算即可。 ２）拱顶下沉本次变形量△ 计算公式。 计算拱顶下沉 时，通用计算公式同收敛测点的 本次变形量计算公式。但通常情况下，隧道工程拱顶下 沉世主婴取决于竖向变形量，可不考虑纵向和横向变 形量（即 视纵向ｙ、横向ｚ恒等于０），故对照收敛测 点的夺次变形城公式，可得第Ⅳ次监测后（以图４所示 拱顶下沉测点 为例），拱顶下沉本次变形量△ ＝ （ ）＿１ｓ— Ｈ５。 ＿Ｉ】Ｉ２５一 ５表示 ５测点竖向 坐 标值前后变化量。 同理，得出其他拱顶下沉测点的本次变形量。 ３）相对应点周边收敛累计变形量ＡＤ计算公式。 ＡＤ＝ＡＤｌ＋ＡＤ２＋……＋ＡＤ＾＿＝ｄ Ｊ—ｄⅣ。 同理，得出其他相对应测点的周边收敛累计变 形量。 ４）拱顶下沉累计变形量△Ｈ计算公式。 ＡＨ：△ ｌ＋△ ＋……＋△ ，ｖ。 同理，得出其他拱顶下沉测点的累计变形量。 ５）拱顶下沉和相对应点周边收敛的变形速率 （ｍｍ／ｄ）是通过计算连续２４ ｈ累计变形量，即：第１ 个变形速率为ＳＡＡ连续工作２４ ｈ的累计变形量，以后 以此类推计算当期变形速率。 ２．２．３数据上传 １）数据采集方式。ＳＡＡ监测数据有以下３种采 集方式：通过ＳＡＡＵＳＢ直接连接电脑，采集数据。运 用无线调制解调器的单通道数据采集，实现远程实时 监测。运用无线调制解调器的多通道数据采集（支持 移动信号网络传输）。成兰线采用的是无限调制解调 器的单通道数据采集方式，传输通道与洞内视频监控 传输通道共用。 ２）数据上传。将ＳＡＡ传输电缆接入视频监控传 动上传数据。 ２．２．４数据误差及变形曲线 ＳＡＡ在成兰铁路隧道监控量测中通过以建立的 对应测点计算的基准值为基础，通过元器件的微小变 化计算净空变化相对值，ＳＡＡ监测间隔时间短，精度 高，数据误差小，数据连续性强，取得了较好效果。图 ５和图６是在茂县斜井大变形地段ＸＪ１Ｋ０十４８５和 ＸＪ１Ｋ０＋３４５处获取的收敛曲线。 １６ｏ １４ｏ １２ｏ 鲫 葛 １００ 曲｛ ８Ｏ ６０ ４０ ２０ Ｎ－８０圭【） 日 ０ 期 驾＿６。 ＿Ｉ。 占 ∞ 髫 ＿１０～ 图５ ＸＪ１Ｋ０＋４７０周边收敛曲线 Ｆｉｇ．５ Ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｔ ＸＪ１ ＫＯ＋４７０ ’ ／ 一系列ｌ ２ ０ｌ４一ｌ ０—２ ３ ２ ０ｌ４一ｌｌ一０２ ２０ｌ４一ｌｌ—ｌ ２ ２ ０ｌ４—１ ０—２ ８ ２ ０１４一ｌｌ一０７ ２ ０ｌ４—１ｌ—ｌ ７ 日期 图６ ｘＪ１Ｋ０＋３４５周边收敛曲线 Ｆｉｇ．６ Ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｔ ｘＪ１ ＫＯ＋３４５ ２．２．５自动报警与预警 通过应用软件设置变形速率和累计变形量阀值 （阀值按照现行铁路隧道围岩监控量测技术规程规定 设置），系统可自动判断。当变形速率或累计变形量 超过设定阀值时，系统自动向相关管理单位信息化管 重＼ ∞隧道建设 第３５卷 理平台上传预警信息，同步将预警信息发送至预先设 定的管理人员手机。由于ＳＡＡ是自动量测隧道位移 变化，能够持续对隧道变形起到预警作用。 ２．２．６测点保护与使用 ＳＡＡ元器件采用外包高强柔性ＰＶＣ管进行包裹 进行保护，防止爆破飞石破坏，严禁机械设备对其进行 碰撞。到变形稳定，进行二次衬砌施作前，接触防水板 台架或者施工机械进行ＳＡＡ监测设备拆除回收，可进 行重复使用。 ３结论与体会 通过ＳＡＡ在成兰铁路部分隧道中应用，体现其优 点：１）重复性。ＳＡＡ可轻便拆卸后进行其他断面的监 测，进行重复使用。２）实时性。安装完成启动监测 后，系统可最小间隔３０ ｍｉｎ监测一次，实现高频次、实 时监测、预警，及时向管理人员反馈现场监测情况；自 动化程度高。３）ＳＡＡ可以进行数据自动采集、传输和 预警，适用于地质复杂地段隧道收敛变形的监测预警。 ４）抗干扰能力强。不受洞内粉尘及噪声影响；无需占 用施工道路，对施工影响小；免维护。在量程范围内只 要无外力破坏，可长期免于维护。 ＳＡＡ存在不足：采购途径单一，费用较高。目前 应用于工程的ＳＡＡ技术是成套引进的国外技术，由加 拿大厂家生产、组装、成套组装成型的设备不可拆卸， 仅适用于预订固定尺寸的断面监测；售后服务体系不完 善。因未成规模使用，未建立系统的售后服务体系，致 使售后服务成本相对较高，服务不及时现象时有发生。 从目前应用来看，ＳＡＡ技术可作为隧道工程复杂 地质及高风险地段围岩监控量测的重要手段，但在后 续的铁路隧道应用中，应进一步在误差、应用场所等方 面进行深化研究，为实现隧道工程围岩监控量测自动、 实时及预警信息化管理，防范隧道工程施工安全风险 起到积极作用。 在进一步深化应用的基础上，实现ＳＡＡ设备国产 化显得尤为紧迫，降低其使用成本，才能使其大范围推 广应用成为可能，并优化每个基本单元温度传感器和 动态模块之间的关联性，提高现场安装效率，并结合现 代信息技术形成一套系统的测量体系，可实现隧道监 控量测技术的重大突破。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］ＴＢ １０１２１－－２００７铁路隧道监控量测技术规程［Ｓ］．北京： 中国铁道出版社，２００７．（ＴＢ １０１２１－－２００７ Ｃｏｄｅｓ ｆｏｒ ｒａｉｌｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｓ］．Ｂｅｒｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｈｏｕｓｅ，２００７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［２］ 刘胜东．大跨度隧道无尺量测技术应用［Ｊ］．隧道建设， ２００４，２４（５）：３１—３３．（ＬＩＵ Ｓｈｅｎｇｄｏｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｅ—ｒｕｌｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］． Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ，２００４，２４（５）：３１—３３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［３］ 初厚永．大断面黄土隧遗 岩立彤 扎 测技术［Ｊ］．现 代交通技术，２００９（２）：６８—７２．（ＣＨＵ Ｈｏｕｙｏｎｇ． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ｔｈｅ ｗａｌｌ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎ ｌｒａｇｅ ｓｅｃｔｉｏｎ ｌｏｅｓｓ ｔｕｎｎｅｌ『Ｊ １．Ｍｏｄｅｒｎ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９（２）：６８—７２．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［４］ 李强．无尺量测技术在浏阳河隧道施工中的应用［Ｊ］．长 沙铁道学院学报：社会科学版，２００８（６）：２１８—２２０．（ＬＩ Ｑｉａｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｎｅ—ｕｒｌｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌｉｕｙａｎｇ Ｒｉｖｅｒ—ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｔｕｎｎｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｓｏｃｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８（６）：２１８—２２０． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［５］ 王小军，方俊波．厦门翔安海底隧道陆域段围岩及结构变 形量测与特征分析技术［Ｊ］．隧道建设，２００７，２７（５）： ２４—２９．（ＷＡＮＧ Ｘｉａｏｊｕｎ．ＦＡＮＧ Ｊｕｎｂｏ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ａｎｄ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏａｓｔ ｌａｎｄ ｐｏｔｉｏｎ ｏｆ Ｘｉａｎｇ’ａｎ Ｓｕｂ— ｓｅａ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ，２００７，２７ （５）：２４—２９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［６］ 罗晓军，王志，柯有青．葡萄山隧道Ｆ１断层段围岩及初衬 变形特征分析［Ｊ］．资源环境与工程，２００８（１２）：１４３— １４５．（ＬＵＯ Ｘｉａｏｊｕｎ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ，ＫＥ Ｙｏｕｑｉｎｇ．Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋｓ ａｎｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｓｕｐｐｏ￣ｏｆ Ｆ１ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｚｏｎｅ ｏｆ Ｐｕｔａｏｓｈａｎ ｔｕｎｎｅｌ『Ｊ］． Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８（１２）：１４３—１４５．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ）） ［７］张文新，张文强，张民庆，等．隧道变形无尺量测技术误差 分析［Ｊ］．隧道建设，２０１１，３１（３）：３０１—３０６．（ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｘｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎｑｉａｕｇ，ＺＨＡＮＧ Ｍｉｎｑｉｎｇ，ｅｔ ａ１． Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ｎｏｎ—ｒｕｌｅｒ ｔｕｎｎｅｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ［Ｊ］．Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，２０１ １， ３１（３）：３０１—３０６．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ））