铁路隧道围岩量测信息化系统应用浅析

建筑知识

铁路隧道围岩量测信息化系统应用浅析

周铁刚

（成贵铁路公司毕节段落指挥部 贵州 毕节 551712）

【摘 要】采用全站仪对隧道围岩净空变化进行测量，通过蓝牙将数据上传至移动终端设备再通过网络上传至服务器，后台服务器自动分析数据并预警异常并，推送到移动客户端引起相关管理者及时关注并采取措施，为隧道施工安全判定提供依据。

【关键词】铁路隧道；围岩量测；信息化

Railway Tunnel Rock Measurement Information System Application Analysis

Zhou Tie-gang

【Abstract】The total station to measure changes in tunnel surrounding clearance，upload the data via Bluetooth to a mobile terminal device and then uploaded to the server through the network，the backend server automatically analyzes the data and warning exceptions and，pushed to the mobile client managers related causes timely attention and take measures to provide the basis for determining the safety of tunnel construction.【Keywords】railway tunnel；surrounding rock measurement；information technology【中图分类号】U456.3　　　　　【文献标识码】A　　　　　【文章编号】1002-8544（2016）10-0121-021 围岩量测信息化系统的组成及使用流程

1.1 围岩量测信息化系统的组成

成贵铁路隧道监控量测信息系统由中铁西南院研发，集数据采集、上传、预警提示为一体，由网络平台、数据采集客户端、手机查询客户端三部分组成，并具有预警短信推送功能。

对于管理人员，只需要用到网络平台和手机客户端，手机客户端需要安装到手机上，它有下载测点信息、连接全站仪、上传监测数据、查看数据、预警信息、预警处理情况等功能。在火车、汽车上，任何可以打电话的地方都可以打开手机客户端程序浏览数据及预警信息，并可以收到预警短信，这使得隧道相关人员可以第一时间了解隧道围岩变形情况。

1.2 围岩量测信息化系统使用流程

参数录入：各标段需要根据自己的工程施工任务在系统中录入各自的分部、工区的详细划分数据，并将各隧道的纵断面图上传至系统。

建立观测断面：观测前在对应的分部、工区下建立详细的观测断面，并根据围岩级别设置预警值。

现场埋设测点：隧道开挖后及时埋设反光测点。数据采集：手机通过蓝牙连接全站仪进行数据采集及存储。

数据传输及分析：在有网络的地方采用手机将采集到的数据上传至服务器，服务器接收到数据后自动分析计算数据，形成分析报告，给出预警警报。

数据的应用：各级管理者可以在装有手机客户端的移动终端设备上及时查看各自权限内的隧道工点某个具体断面的围岩变形情况，根据围岩变化采取相应措施。技术人员可以在电脑客户端随时方便打印监测报表和监测曲线。

预警的推送和处理：系统分析数据后对大于预警值的监测数据及时发出预警并推送到手机客户端，各级管理者根据自己的管理权限组织现场核查，采取措施后在平台写明预警原因、采取的措施并消除预警形成闭合。2 围岩量测信息化系统的优点

传统的围岩量测主要依靠技术员手工完成，观测困难、工作量大，实施起来干预因素多，大多时候监控量测只是敷衍了事，难以形成工序管理，实施信息化后大大降低了技术人员工作量，采用全站仪观测现场干预因素也降低了，因此围岩量测信息化系统的应用使围岩量测作为工序化管理成为了可能。

及时性，传统的围岩量测手段数据采集完成后需要在办

公室计算数据，计算结果需要层层上报，过程繁多，流程复杂，难以快速到达决策者手中，信息化系统的应用能够使围岩变形情况通过手机客户端第一时间到达管理者手中，危险情况下决策者可以第一时间采取措施避免安全事故。

准确性，传统的监测流程往往是人工模式，数据采集、记录、数据处理等步骤都是人工完成，数据可塑性不强，那一环节出了问题都无法保证数据的准确性，围岩量测信息化系统通过自动采集、自动处理数据有效地避免了数据失真问题。

闭合性和可追溯性，传统的监控量测模式出现监测异常时现场采取的措施以及采取措施后的评价无从追溯，围岩量测信息化系统异常预警处理可以清楚的查到当时的预警原因、采取的措施以及采取措施后的效果，实现了闭合性和可追溯性数据应用的便捷性，使用隧道围岩量测信息化系统后变形曲线、周报、月报等报表可以随时打印存档，相较于传统手工模式数据应用更加便捷。

3 围岩量信息化系统在成贵线的应用

成贵铁路隧道围岩监控量测信息系统于2014年4月全面投入使用，管段内94座隧道183个工作面实现了全面覆盖。目前已实施监测断面14802组，提示黄色预警3801次，红色预警377次，为工程变更设计提供了有效地参考依据，通过量测数据异常及时调整优化技术方案，避免安全事故。

3.1 通过量测数据及时调整优化技术方案，避免安全事故

将军山隧道出口埋深约10m，强风化硅质岩、页岩及泥岩。隧道预留沉降量25cm，由于地层软弱、连续降雨，上台阶开挖拱顶最大沉降量已达19.7cm（图1）。现场组织会勘，地质存在差异风化，掌子面大部分为全风化地层，通过增加洞口锚固桩、临时仰拱、加强锁脚（10m的锁脚锚管）、洞内径向注浆加固进行处理，下台阶和仰拱开挖累计沉降小于5cm，规避了侵限、坍。

3.2 提出研发“侵限预警”模块，指导现场施工

由于技术管理、地质条件、测量放样操作误差等原因，观音山隧道出口现场初期支护架立拱架时即已“吃掉”部分预留变形量甚至侵限，造成监控量测数据显示沉降、收敛没有超过预警值（更未达到预留变形量），实际上支护已经侵限情况（图2观音山隧道出口变形曲线图），观音山隧道出口预留变形量20cm，架立拱架后首次读数就只剩6cm，量测数据下沉9.8cm，实际侵限4cm，为了解决这一问题，在围岩量测信息化系统中植入侵限预警模块，利用原始数据（绝对高程值和相对收敛值），来判识是否侵限。 （下转第123页）

・121・道路桥梁Architectural Knowledge

结果

反应谱分析法

时程分析法

建筑知识

差异D

方向

墩底墩底墩底墩底

墩顶位墩顶位墩顶墩底墩底弯

剪力弯矩剪力弯矩

移（m）移（m）位移剪力矩

（kN）（kN・m）（kN）（kN・m）454.5568.6

6042.77151.1

0.0720.018

490.0557.5

6540.07.4%7.8%7110.1

0

2.0%

8.2%0.6%

顺桥向0.067横桥向0.018

图4 时程曲线一返回频域后与设计反应谱的比较

三条拟合的加速度时程曲线返回频域后与设计反应谱在

整个周期范围尤其是控制周期处均比较接近，故人工拟合出的加速度时程曲线满足要求。将拟合的加速度时程曲线导入到Midas Civil中以定义时程分析函数，然后定义荷载工况和地面加速度。运行程序后得出固定墩的时程分析结果，其中固定墩墩顶顺桥向位移如图5所示。

图5 固定墩墩顶顺桥向位移时程结果（最大值：0.072m）

将时程分析结果取最大值与反应谱分析结果汇总后进行对比，以公式：

由表2可以看出，采用反应谱分析法和时程分析法对桥梁结构进行弹性阶段分析时，两者的结果存在差异，但差异不大，都在10%以内。造成这种差异的原因是：

反应谱法通过振型分解获得各阶振型的周期，由这些周期查询设计反应谱中对应的加速度值，从而实现各阶振型的动力效应计算，最后将这些振型的最大效应进行组合得到最终结果。而时程分析法直接利用地震动的加速度时程曲线建立动力方程，逐步积分以获得结构在整个时间过程的地震反应。因此，两种方法分析的结果存在一定的差异是必然的，是由计算理论的不同所致。4 结论

对于同一个桥梁有限元模型来说，只要基于设计反应谱拟合的时程曲线符合要求，那么两种分析方法的结果相差不会太大。反应谱分析法计算方便，数据量小，可用于规则桥梁的弹性阶段分析。时程分析法能够获得桥梁结构的弹性以及弹塑性反应时程结果，为桥梁工程师更加正确地提高桥梁抗震能力提供依据，虽然其计算量较大，但在计算机软硬件水平有了极大飞跃的今天已经不再成为需要过分关注的问题。所以对于大多数实际工程来说，地震反应的时程分析法是一个更好的选择。

参考文献

[1]叶爱君，管仲国. 桥梁抗震（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2002.作者简介：戴宝锐（1994-），男，研究生在读，研究方向：桥梁工程。

来比较两组数据的差异，汇总数据见表2所示。

表2 反应谱与时程分析结果比较

（上接第121页）

图1 将军山隧道出口沉降曲线

图2 观音山隧道出口变形曲线图

3.3 侵限预警值的动态调整

采用变形总量和变形速率对隧道安全进行等级管理。《铁路隧道监控量测标准化管理实施意见》（工管办函【2014】92号）对位移管理提出了指导性的参考数值：变形量<40mm、50mm、75mm（Ⅲ、Ⅳ、ⅤⅥ级围岩）显示绿色可以正常施工；40～80mm、50～100mm、75～150mm之间黄色预警，监理组织施工单位现场核查原因采取措施后施工；>80mm、100mm、150mm时红色预警，监理现场核查必要时报建设单位，采取措施后施工。

由于山岭隧道设计理念，部分段落设计时综合考虑变形控制、投资问题，设计工程措施即允许通过增大预留变形量来解决部分变形的问题，通过试验段取得一定经验并经过数据分析后，适当调整预警值，应山岩隧道V级围岩预警值由50、100mm调整为200、400mm，将军山隧道出口浅埋段V级围岩预警值调整为116、233mm；观音山隧道出口浅埋段V级围岩预警值调整为66.7、133.3mm；麦西隧道出口V级围岩充填溶洞预警值调整为83.3、166.7mm。通过动态预警值的调整不仅充分利用了围岩量测信息化系统的预警功能，又准确掌握不同围岩性状的安全状态，避免过多假性预警测出现。4 有待研究解决的问题

（1）围岩量测信息化系统数据采集分析采用相对值，与测点的绝对坐标并无关联，数据只能反应两测点之间的数据，而测点处于什么位置、是否设置在洞内，缺少判识，为数据造假提供了可能。

（2）软件提供测点破坏时的“归零功能”并授权现场操作人员，虽然方便测点破坏后重新设点测数据保持数据的延续性，但部分单位操作人员通过数据归零规避当日较大的变形数据。一是需要研究“归零功能”权限和处理流程，二是需要研究“归零”当日变形数据处理问题。

（3）图形化问题，目前系统处理数据后信息反馈到相关管理人员手中，但是进洞作业人员往往掌握不了围岩变形情况和施工作业场所的安全状况，若能将处理后的数据转换成信号或图形反应在洞口值班室显示器上，那么所有进洞人员均能在进洞前掌握洞内实际围岩变形情况和作业场所安全情况，可有效避免安全事故的发生。

参考文献

[1]张民庆.铁路隧道围岩监控量测CFC信息化系统的研究[J]，铁道工程学报，2015，（7）：58-59.

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