[发明专利]一种隧道施工信息化动态监测系统及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道施工信息化动态设计系统和方法，更具体的涉及DIC数字图像相关技术、无线控制和传输技术，同时还涉及一种综合评判预警技术，特别适用于复杂恶劣环境下大型隧道的实时监测、信息化动态设计，适用于监测精度要求较高的工程。

背景技术

隧道的建设由于地质环境复杂、基础信息缺乏，地下工程的设计无法在开工前就做到一步到位，这就是地下工程有别于其他土木工程的重要特征。因此，目前地下工程中的隧道设计和施工广泛采用经验借鉴、理论分析、现场量测技术、信息反馈、超前预报和动态调整相结合的信息化设计-施工组织模式，而新奥法(NATM)理论较完整地描述了地下工程动态设计与施工的概貌，已广泛应用于现代隧道工程。

隧道施工监控量测是新奥法施工的眼睛，是新奥法现场量测的首要内容，不但可以为隧道的动态设计和信息化施工提供依据，能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然。监控量测分为必测项目和选测项目，必测项目为日常施工管理必须进行的量测，选测项目为未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测。

隧道施工监测的必测项目一般包括地质及支护状况观察、周边收敛量测、拱顶下沉量测、地表下沉，其中变形监测(包括周边收敛监测和拱顶下沉监测)项目是监测工作的重中之重。周边收敛量测是量测隧道周边位移，了解收敛状况、断面变形状态，判断稳定性；拱顶下沉量测是监视拱顶下沉，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性。选测项目为未开挖地段的设计及施工提供数据而进行的量测，主要包括围岩压力、混凝土初衬应力、二衬应力、锚杆轴力和钢拱架应力，通过监测数据，确定结构的受力以及支护体系各部分的受力情况。

一方面，目前监控量测数据反馈应用于施工方案时，主要应用必测项目中的变形量测对施工的合理性进行评估和信息反馈，未能综合应用必测项目和选测项目的数据进行综合评判预警隧道的施工过程。仅仅依据变形量测控制隧道的施工过程，还不能有效避免施工中重大安全事故的发生，不能有效确保隧道施工安全和质量。因此通过必测项目和选测项目的数据综合指导隧道施工是工程顺利开展的保障，将使信息化动态设计更具科学性和准确性。

另一方面，隧道施工变形的监控量测方法主要包括：传统的接触监控量测方法和全站仪非接触量测方法。传统监控量测方法，周边位移采用收敛计进行观测，拱顶下沉采用水准仪、钢尺等进行观测，虽然该方法成本低、操作简单和适用于恶劣施工环境的优点，但存在以下缺点：1、工作难度大，由于隧道高度大，拱脚部位的收敛往往无法测量，拱顶挂尺也非常困难；2、量测时间长，施工干扰大；3、不能应用于大断面隧道，接触量测几乎不可能。4、无法进行三维观测。5、隧道进入中间段后，通风、照明问题、洞内不平整及积水等环境问题制约监测工作的开展。全站仪非接触量测方法，采用全站仪设备进行隧道周边收敛和拱顶下沉的监测，该方法较传统方法简单易行，具有一定的可靠性，其量测精度能够满足量测目的的要求，量测速度快，对施工干扰小，实现了隧道测点三维位移量测，但仍然存在精度不高的缺点，全站仪非接触量测的精度比传统量测的精度要低，监测数据的准确性会受到仪器人工操作误差、设备机器自身误差、测角和测距误差、监测点和基站采用人工对中读取数据误差的影响，精度虽能一定程度上满足常规隧道的量测目的，但对于隧道施工要求较高、监测数据精度要求较高的工程该方法就无能为力。并且两种监控量测方法均受到监测频率、环境的影响，避免不了由于监测频率不足所引起的突发性事故；两种监控量测方法均需要足够的相关技术人员。

近些年，DIC数字图像相关技术的非接触量测方法已得到了一定程度的发展，已较深入的应用于岩石与混凝土实验中，主要用于岩石和混凝土材料的变形和破裂模式及其演变过程的准确测量。已探索性的应用于隧道或巷道超前地质预报、围岩松动圈的测试，以及桥梁裂缝变形监测和病害检查。但由于隧道的特殊环境和监测方法的要求、现场测点的布设与维护问题、光线变化的影响问题和大范围图像的变形校正问题，DIC数字图像相关技术方法还没有直接有效应用于隧道的施工变形监测工作。

发明内容