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破碎圍巖隧道支護安全自動化監測技術

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上一篇：淺埋多箱室箱涵分體明挖頂進施工技術

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中國建筑一局（集團）有限公司科技創效推廣應用技術名錄
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（一六二）破碎圍巖隧道支護安全自動化監測技術
1、技術背景
隧道監控量測作為新奧法的三大核心之一，對評價隧道施工方法的可行性、設計參數的合理性，
了解隧道施工實際圍巖級別及其變形特性等能夠提供準確、及時的依據，對隧道開挖施工、二次襯
砌的施作時間具有決定性意義，尤其是圍巖破碎隧道的進出洞施工，具有防范風險的重要意義；因
此，它是保障隧道建設成功的重要手段。隧道監控量測的主要任務應做到提高安全性、修正設計、
指導施工、積累建設經驗，并經過對實測數據的現場分析、處理，及時向業主、施工方、監理方、
設計方提供分析資料。。
本項目依托鄭州地鐵3 號線一期工程車輛段出入線區間和京秦高速遵秦段A3 標隧道工程，隧道
洞口均位于位于淺埋、溶洞、斷層破碎帶等典型的不良地質地段，常規的監控量測無法滿足隧道施
工安全需求，在進洞施工時采用了基于陣列式位移計（ADM-JX 系列）的隧道安全自動化監測技術，
通過在隧道（洞室）頂拱及左右側邊墻布設陣列位移計（柔性測斜儀），實現對洞室圍巖或襯砌收
斂、沉降變形高精度的連續實時性監測，從而掌握洞室圍巖或襯砌收斂變形情況，使得應用后的施
工安全風險大大降低，加快了施工進度，尤其是可靠性高、節約成本的特點，給進洞施工提供了安
全保障。
2、技術簡介
ADM-JX 系列陣列位移計是一款靈活柔韌的、標準的3D 測量系統。使用一組密實的微電子機械
系統加速度計陣列和經過驗證的計算程序測量2D、3D 變形值。沒有優先軸，通過測量加速度計在不
同的軸向上的加速度變化量來反應出對應軸與重力方向的角度變化量，通過角度的變化量從而推算
相應節點的位移變化量。
比傳統監控量測數據精度更高，更可靠，通過溫區補償，數據穩定，位移計采用MEMS 微機電系
統，通過高度集成完美的消除了軸系間的誤差，采用溫區補償模型消除了溫飄，保證了ADM-JX 數據
采集的穩定。位移計出廠前，每個節點都采用高精度全自動標定系統進行獨立標定，組裝完成后再
次整體標定，保證了X、Y、Z 方向的準確。能夠實施在線傳輸，實時分析，防止篡改數據。分節拼
裝，安裝便捷，可自由彎曲，安裝方式多樣，可以豎直安裝、水平安裝或環形安裝。可以降低測量
人員的勞動強度和風險，提高監控量測效率，能實現全天候24 小時不間斷監控量測，監測及時，預
警及時。
3、適用范圍
本工法適用于大斷面進出口破碎、淺埋、易坍塌隧道進出洞施工的監控量測，也可應用于地質
巖土深部位移監測、公路鐵路隧道的收斂監測和沉降監測、公路鐵路路基沉降監測、水庫大壩深部
位移監測、建筑基坑深部位移監測和邊坡滑坡體深部位移監測等方面。
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4、施工工藝流程及操作要點
4.1.施工工藝流程
施工準備
位移計安裝
數據采集
原始數據處理
數據管理
云平臺異常數據、預警處理
基準值選取
圖4.1 施工工藝流程圖
4.2.施工操作要點
4.2.1. 施工準備
(1)完成儀器安裝前的準備工作，包括儀器檢定完成，使用的工具準備就緒等；
(2)根據設計圖紙，通過大地測量方法確定儀器安裝路線并作醒目標示，做好保護警示牌；
4.2.2. 位移計安裝
(1)將陣列式位移計沿標示好的安裝線路，測量好尺寸，先固定頂拱位置，再分別向左右側沿初
支順序依次安裝完成，采用帶膨脹螺絲的抱箍固定在初支表面，每節儀器長度0.5m，安裝兩個抱箍
固定，固定點選擇在每節兩端，直至儀器全部安裝完成；
(2)陣列式位移計從以一端作為起算點，通過大地測量起算點坐標，以便校正變形數據，同時復
核實際安裝線路并做記錄；
(3)安裝數據采集設備和相應保護裝置，讀取儀器安裝后基準值；
(4)記錄施工情況，做好儀器安裝考證資料。
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圖4.2.2-1位移計安裝示意圖
圖4.2.2-2陣列式位移計洞室環形安裝細部圖
圖4.2.2-3陣列式位移計洞室安裝固定示意圖
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4.2.3. 數據采集
(1)陣列式位移計通過配套的綜合數據采集器進行數據采集、存儲和傳輸。儀器安裝時，將綜合
數據采集器固定安裝在洞壁的防護箱中實現自動化觀測；特殊情況時，也可以通過人工采集觀測。
(2)監測數據一般通過綜合采集器中安裝物聯網卡傳入云平臺；如在施工期，由于現場條件限制，
沒有網絡信號或者信號不好的情況下，監測人員可攜帶筆記本電腦并安裝單機版軟件采集數據或者
通過U 盤拷貝數據綜合采集器中的監測數據(適用于無手機網絡信號環境)，然后將采集的監測數據
上傳到監測云平臺也可以進行處理。
(3)陣列式位移計采用自動化監測，可實現24 小時連續監測，對應需求和不同工況環境，可設
置不同的采集時間間隔，采集時間間隔最小可設置1 次/10 分鐘。
(4)根據現場供電環境，綜合采集器可以接入12V 蓄電池供電、市電供電，推薦蓄電池電池容量
不小于38A。
4.2.4. 原始數據處理
(1)原始測值數據計算處理
監測成果符號規定：陣列式位移計監測收斂變形：收斂變形增加或頂拱沉降“+”，反之“-”。
陣列式位移計數據計算有專用的數據分析軟件，可以進行數據整理、計算、繪制圖形等工作。
(2)端點校正
陣列式位移計計算均參考端點為起點計算，但端點同樣可能存在變形，為此，在端點處增設一
個外觀變形監測點或將儀器端點與隧道其它監測點安裝在同一部位，通過大地測量或者其它監測數
據修正陣列式位移計的變形。
4.2.5. 基準值選取
陣列式位移計將選取儀器安裝后，不再受周邊施工影響時，監測數據能夠連續穩定的測值作為
基準值。
圖4.2.5-1圖形展示圖
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4.2.6. 數據管理
陣列位移計數據采集管理平臺擬投入控陣列位移計配套的監測系統云平臺(I-CloudPro)，該云
平臺具有監測數據實時獲取、綜合處理、多樣化圖表展示、專業相關性分析、災害預警報警、報表
統計上報等功能，可同時管理多項目多設備，可提供安全可靠、實時全面、及時有效的信息服務。
圖4.2.6-1收斂數據以及拱頂沉降數據
（1）數據平臺功能介紹包含：
數據采集功能、數據處理功能、越限報警功能、報表輸出功能、數據備份功能、分級管理功能。
（2）監測數據日常管理
監測數據進入數據平臺后，由數據平臺對數據進行自動處理，對原始數據保存備份，按照需求
自動生成時報、日報、周報、月報、季報、年報等報表形式。
1）時報：主要包括監測數據表格，可簡化為只包含變化的監測項目內容；
2）日報、周報：各項監測數據、重要監測項目的歷史曲線及統計特征值。
3）月報、季報，包括各項監測數據和主要歷史曲線及相關曲線圖等。
4）年度報告、總結報告：自然地理與地質概況，滑坡特征與成因、變形或活動動態特征和發展
趨勢，結論和建議。主要圖和表包括：地質圖、監測點網布置圖、各種監測資料分析圖和數據表等，
如下圖：數據平臺管理功能圖、數據平臺數據管理功能圖。
（3）報警信息統計
當數據出現異常時，云平臺將立即進行預警，預警類型分為：測量數據誤差預警、數據傳輸掉
包預警、變形值超預警值預警等。
（4）數據報表下載
進入報表下載頁面，可以選擇報表類型以及時間段下載項目報表。
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4.2.7. 云平臺異常數據、預警處理
數據異常包括三方面，1)測量誤差預警，2)數據丟包預警，3)物理量超預警值預警。無論出現
哪種情況的數據異常，系統都會通過短信的方式實時通知相關人員。
（1）測量誤差預警：主要是針對數據異常抖動的處理機制，監測系統平臺會自動對比當次測量
數據與上次測量數據記為本次位移，如果本次位移出現超預警值則標記本次位移為預超預警，出現
預超預警監測系統會根據預形變預警模型邏輯算法自動對比下來的三次測量數據，如果三次數據超
預警判定一致(包括形變量與形變方向)，則判定為超預警值預警，進入物理量超預警值預警機制。
（2）數據丟包預警：主要針對以下兩種情況的數據傳輸異常：一種情況是數據回傳服務器因為
網絡信號不好而導致的回傳的數據不完整或丟失，另一種情況是設備的損壞導致的數據無法正常回
傳，針對這類情況監測平臺會實時監聽并且分析數據的傳輸質量，根據近期數據對比監測系統平臺
會自動初步判別是傳輸信號不好還是設備損害，監測平臺會及時分析數據質量并且自動嘗試向硬件
設備申請補回丟失的數據，保證數據的完整性。當出現數據傳輸異常時監測平臺會及時發手機短信
告知相關人員異常情況，同時觸發監測系統的數據丟包預警機制，監測系統云平臺的超預警提示相
關人員及時處分析處理。
（3）位移量超預警值預警：監測系統會及時將回傳回來的測量數據位移量與位移量預警值對比，
建立位移量預警模型，通過位移量預警模型邏輯算法自動判斷確實是出現位移量異常后提示相關人
員及時處理分析,及時通過手機短信的方式通知有關人員采取相應的應急措施，并且同時觸發監測系
統的預警機制。
5、材料與設備
5.1.材料
主要材料見表5.1。
表5.1.主要材料表
序號材料名稱型號單位用途
1 陣列位移計ADM-JX 米數據采集
2 綜合采集器JDA04 個數據采集
5.2.設備
主要機械設備見表5.2。
表5.2主要機械設備表
序號名稱規格型號
數量（每工作
面）
用途
1 裝載機ZL 1 臺設備安裝
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6、效益計算分析
下面以從人員、設備方面進行了經濟效益分析，分析周期為1 年。
表6.1-1傳統測量監控費用分析工藝經濟性分析
序號內容明細備注
1 人工8 萬元3 人
2 測量設備25 萬元1 臺全站儀
合計33 萬元
表6.1-2自動化監控量測系統
序號內容明細備注
1 人工1 萬元初裝費
2 監測設備24 萬元
合計25 萬元
7、應用實例
7.1.應用項目
京秦高速公路遵秦段A3 標鐵廠1 號隧道、鐵廠2 號隧道位于河北省唐山市遵化市鐵廠鎮東舊
寨村境內，隧道右線起訖里程K19+200～K20+526，隧道全長1326m，左線起訖里程為ZK19+180～
ZK20+470，隧道全長1290m。隧道按新奧法原理設計洞身結構。隧道支護采用復合式襯砌結構；初
期支護以錨桿、噴射混凝土、鋼拱架及鋼筋網組成綜合防護體系，初期支護與二次襯砌組成隧道承
載結構。隧道設計為雙向6 車道，隧道斷面跨度達17.6m,斷面開挖量165m2。
鐵廠1 號隧道、鐵廠2 號隧道進洞施工應用了破碎圍巖隧道支護安全自動化監測技術，兩座隧
道洞口均位于位于淺埋、溶洞、斷層破碎帶等典型的不良地質地段，常規的監控量測無法滿足隧道
施工安全需求，在進洞施工時采用了基于陣列式位移計的隧道安全自動化監測技術。
經過實踐應用破碎圍巖隧道支護安全自動化監測技術，降低測量人員的勞動強度，提高監控量
測效率，能實現全天候24 小時不間斷監控量測，監測及時，預警及時。比傳統監控量測數據精度更
高，精度可靠，實現了實施在線傳輸，實時分析，防止篡改數據等優點。使得應用后的施工安全風
險大大降低，加快了施工進度，尤其是可靠性高、并且節約成本。
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7.2.應用照片
圖7-1位移計準備圖7-2安裝準備
圖7-3位移計定位圖7-4位移計安裝
圖7-5原始數據采集圖7-6原始數據計算
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圖7-7基準值選取
圖7-8數據處理
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圖7-9平臺預警
圖7-10平臺預警
8、技術咨詢服務單位聯系方式
技術提供單位中建市政工程有限公司
主要完成人盧耀方、林紀濤、趙圣武、竇晨陽、馬磊霞
技術咨詢聯系人盧耀方聯系電話13639363821

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