基于激光测距的隧道自动监控量测仪器应用研究

许定伦 王官云 王文浩 苏建坤 刘庆志

昭通市昭泸高速公路投资开发有限公司 云南航天工程物探检测股份有限公司 河北省高速公路荣乌管理处 云南省交通运输厅工程质量监督局

摘 要：本文的主要研究内容是基于激光测距并用于隧道自动监控量测仪器在实操层面，为了提高仪器稳定性和可靠性，提升仪器数据精度的一些现场实施关键技术，通过大量实验摸索出一套规范使用仪器和科学分析处理数据的方法。通过针对上述内容的研究，对于隧道自动监控量测仪器的推广有着重大意义，确保整套隧道监控量测系统具备实用性，实现对隧道施工过程中的变形自动化实时监测。

关键词：激光测距;隧道;自动监控量测;仪器应用;

隧道工程建设前，其周围岩体处于一个稳定的地应力环境中，隧道的开挖破坏了岩体原始地应力的平衡状态，由隧道围岩本身的自稳及支护结构的支护，隧道围岩将重新达到一个新的平衡状态。监控量测的目的就是在隧道施工过程中对围岩和支护结构变形状态，通过对隧道拱顶下沉以及周边收敛进行监测，据此了解隧道围岩及支护变形的发展趋势，对围岩稳定性作出判断，为隧道施工提供依据。

隧道监控量测是新奥法施工的三大要素之一，目前的主流技术手段是通过人工的方式，使用全站仪，配合在隧道拱腰和拱顶预埋的反光板，监测每个断面上的反光板上标定位置的坐标变化值，得出拱顶下沉和周边收敛数值。该方法增加了现场施工技术员的工作量，数据采集频率较低，预警不及时，不能实现信息化监测管理。

本文研究对象是隧道自动监控量测仪器，其核心技术是利用激光测距传感器精确测量距离并通过分析处理，配合中继、网关、监测云平台和微信小程序，实现对施工隧道监控量测信息化管理，达到及时预警、减少安全事故的目的。

1 仪器简介

隧道自动监控量测仪具有频率远程可调(最大可达1min/次)、自动化、可及时预警等特点，主要包括两套激光测距模块，左激光测距模块用于监测拱顶下沉，右激光测距模块用于监测周边收敛，如图1所示。

如图2所示，仪器安装在隧道拱腰上距地面约1.5m高的B点处，左激光测距模块采集仪器至拱顶的斜向距离值AB和激光倾角δ，根据勾股定理可计算出拱顶至仪器之间的垂直距离AO;右激光测距模块采集仪器至对面拱腰之间的距离BC。两个测距模块采集频率可调并且相同，将每一组数据AO和BC分别与初始值进行对比计算，即可得出拱顶下沉和周边收敛值，通过监测云平台或者微信小程序实时展示监控量测结果，并按照隧道设计要求进行实时预警。

图1 仪器外观图 下载原图

图2 安装位置示意图 下载原图

2 仪器安装操作关键技术

2.1 测距目标点

激光测距传感器是通过发出和反射回传感器的激光光波之间的相序差计算出精确距离值，根据长期试验表明，测距目标点在强烈的光线照射下，反射光波衰减比较严重导致测距失真，仪器测出的距离值为0(处理数据时需将这些数据剔除)，因此在使用过程中应尽量避免强烈光线长时间照射测距目标点。

测距目标点随着颜色加深，吸收并衰减激光光波的能力越强。隧道初支表面是深灰色且凹凸不平，光线直接照射到隧道壁上会对光线造成严重衰减，降低测距传感器精度。目前具有实操性的方法是在仪器安装调试完成之后，将测距目标点喷涂成白颜色，例如:喷白油漆、刷石灰浆或者涂抹石膏浆等。

2.2 仪器防尘

隧道施工过程中放炮、出渣和喷浆过程中，灰尘特别严重，最严重的时能见度仅2～3m左右。会对激光测距传感器造成两方面的影响，一方面，空气中弥漫着大量的颗粒粉尘，激光光束照射到颗粒物上会误认为粉尘就是目标物，这种情况所测出的距离并不是仪器至隧道壁之间的距离，仪器返回错误代码并剔除。另一方面，激光传感器属于精密光学仪器，其发光和接收返回光波的镜头表面必须要保证是清洁状态，大量的灰尘散落在仪器上就会遮挡测距传感器，这种情况直接导致仪器不能正常工作，测出的距离值全部为0。

针对隧道内的实际环境情况，解决方案是在测距模块镜头前端增加防尘旋转门结构，通过自动控制的方式，测距之前自动打开旋转门，测距完成之后自动关闭。

2.3 爆破影响

隧道掌子面和下道爆破时，会对仪器造成非常强烈的震动影响，而且放炮频率较高，因此仪器本身结构经历放炮震动之后内部结构必须保证不能出现松动，两套激光测距模块的位置不会产生变动。一旦激光测距模块角度发生转动，激光照射的目标点必然改变，所测量出来的距离与初始值就失去对比意义。

另外，如果直接将仪器外挂式安装在隧道壁上，爆破会造成泥土、石块等异物从各个方向砸到仪器上，而且力量非常大，很容易将仪器砸毁，因此科学合理的保护措施非常必要。经过长期对比试验，最终采取的比较有效方法是采用嵌入式安装。立钢拱架时将安装箱焊接到钢拱架或者钢筋网上，装上保护门，待喷浆结束之后将保护门取下，把仪器安装到箱体内部，再装上带激光出口的防护门，仪器进入正常工作状态，安装箱一次性使用，待下一次喷浆的时候直接将安装箱填埋覆盖即可。

3 数据分析方法

仪器采集数据实时传输到监测云平台和微信小程序，在电脑或者手机客户端即可查看监测结果。平台展示实时数据的同时，会对数据进行分析处理，最终以曲线图和表格的方式展示隧道变形趋势，以便及时了解隧道变形情况。

监测过程中，由于遮挡、灰尘等因素会造成部分数据异常，处理数据时需要将这部分数据剔除，最终得到的每一组数据(包含拱顶下沉和周边收敛)分别与初始值作差，得到当次测量时刻的变形量，最终以此平均值作连续曲线图。以云南某高速隧道数据分析为例，随机截取部分曲线图，如图3和图4所示，图中波折部分为仪器精度所致(仪器精度±1mm)，整体精度和隧道变形趋势与全站仪监测结果完全吻合。

图3 周边收敛曲线图 下载原图

图4 拱顶下沉曲线图 下载原图

4 结语

本文将隧道自动监控量测仪器的安调及使用过程中的核心技术手段提炼出来，实现仪器安装调试方便、维护简便并确保仪器稳定运行，有利于隧道施工信息化管理。

参考文献

[1] 李辉，雷红仙，朱向荣，等．基于激光测距的隧道自动监控量测技术研究及应用．公路交通科技(应用技术版)，2019,15(07):280-282.

[2] 全站仪在隧道监控量测中的应用研究．陈秀强．福建交通科技．2017(05).

[3] 王兵．一种隧道变形远程监测系统的研究与应用．西南交通大学，2017.

[4] 陈凯江．隧道施工监控量测及数据反分析技术研究．北京工业大学，2013.

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