地下隧道、管廊非接触式二维位移监测裂纹、衬砌、支护结构损伤识别、隧道病害诊断等问题解决方式——变焦视觉位移监测仪

一、隧道监测的概述
你是否也遇到过隧道、铁路结构监测的这些问题？①接触式传感器影响列车运作？②人工监测精度低、效率低？③监测数据可视化程度低？④环境温度影响数据波动大？⑤智能化程度低？

随着我国交通的快速发展，交通运输量大幅度提高，行车密度及车辆载重越来越大，而且隧道所处的地质环境较为复杂，在建设过程中，土体开挖、打桩等操作都有可能导致隧道结构变形；在长期运营过程中可能会受到自然灾害、地下水位变化、化学物质侵蚀、地质环境因素、材料老化等各种因素影响，导致结构性能下降，出现衬砌裂损、渗漏、甚至因结构承载能力不足导致拱顶沉降、拱腰收敛等情况，存在很大的安全事故隐患。传统的人工巡检和接触式测量方法已经无法满足现代隧道运营管理的需求，因此，变焦视觉位移监测非接触式技术在隧道安全监测应运而生。

二、设计依据
《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）
《铁路隧道技术规范》（合订本）
《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）
《铁路隧道监控量测技术规程》（TB1021-2007）
《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB10304-2009）
三、优势与特点
相比传统的人工巡检和接触式测量方法，本解决方案具有以下优势：

四、解决方案概述
本解决方案采用变焦视觉位移监测技术，结合先进的图像处理算法和嵌入式系统，实现对隧道结构位移的非接触式多断面、多测点靶标的实时、高精度位移监测。系统由变焦视觉位移监测仪、编码靶标、安锐测控云平台及用户多终端组成。

五、主要监测内容设计
①监测内容
本解决方案主要对隧道结构的位移进行监测，包括隧道水平位移、拱顶及地表沉降、周边收敛位移、裂缝及环境辅助监测等。同时，系统还可以对围岩体内部位移进行监测，以评估岩体的稳定性和安全性。

②测点布设
一般来说测点布设按照设计院的隧道设计文件、抗震防护等级以及结构受力计算来得到结构性能指标，进而布设测点间距，同时在薄弱部位增加测点数量。正常来说，测点布设考虑这几点：
（1）隧道结构水平位移应与拱顶（底）沉降、净空收敛监测点布设在同一断面。标准盾构区间，其断面间距宜为20~30环；大盾构区间，断面间距宜为10环，每环大概是1米。
（2）在左右线交叠或邻近段、小半径曲线段等区段，应布设监测断面。
（3）在地质条件复杂、地下水位高、土岩交界部位、围岩软硬不均等隧道易发生塌陷或不均匀沉降的区段，应布设监测断面。
（4）当隧道下穿或侧穿重要建（构）筑物、地下管线、江、河流湖泊等周边环境条件复杂区段，应布设监测断面。
综上，可能15米左右就要一个监测断面，若使用静力水准仪或激光传感器，在400米的监测距离下，需安装20多个传感器，大大增加了整套设备的成本。
③安装步骤
首先需要对监测仪安装点进行科学合理的选址和布局。根据隧道线路的特点和安全需求，确定关键监测点位的数量和位置，确保能够全面覆盖隧道的重要区域和关键设施。不同的监测项目有不同的安装方式。
（1）水平位移、沉降及收敛监测
变焦视觉位移监测仪一般在隧道拱顶或拱腰稳固的位置安装（安装位置如图），最好是安装在拱顶（若无硬化的路面，需浇筑边长为600mm立方体混凝土基础，预埋钢支架，保证监测仪的墩台的稳固，因为变焦视觉为高精密仪器，墩台稍微的热胀冷缩都将会影响监测精度），在能看见所有靶标的地方安装壁装支架，调整变焦视觉位移监测仪位置，在拱腰两侧及拱顶需要监测的地方安装好靶标，靶标最好在视野的正中间，但靶标不能与主机完全处于同一直线，需相互错开一点点，避免影响后面靶标在监测仪的成像，导致监测仪识别错误。
然后再插上电源，手动框选靶标或监测仪智能识别视野范围内的靶标，即可实现隧道收敛监测，这种“长条形”监测通过变焦镜头可实现1000测点靶标得到健康监测，理论还可增加靶标测点数量，在无拐弯的情况下，监测长度可达400米，监测上百个断面，平均单测点成本非常低。测点只需要安装靶标即可，无需拉线布线安装传感器，节省劳动力、成本，方便快捷，巡回扫描监测。

（2）隧道裂缝监测
裂缝是隧道多种病害的源头，裂缝发育、扩大是出现渗漏和掉块的必然因素。因此，高效精确地检测隧道衬砌裂缝尤为重要。通过裂缝监测，可以及时发现裂缝的产生和发展情况，从而采取相应的措施进行处理，确保隧道的正常、安全使用。
监测仪一般安装在正对裂缝的一侧，安装壁装支架，如图所示。靶标需在裂缝两侧各安装一个（可沿着裂缝布设靶标，获取更详细的裂缝的发展趋势），监测其相对位移，这种安装方式覆盖的测点数量较少，但可以设置较高的监测频率，使得数据更加精确地反映隧道的健康状况。该安装方式常见为单断面，所以一般选用定焦版机器视觉即可，节省项目费用。

（3）隧道环境辅助监测
变焦视觉位移监测仪可间接完成其他影响隧道的稳定性因素（降雨量、温湿度、土壤含水率、土压力等），仅需在仪器接口接入环境监测传感器（或其他监测项的传感器）即可，无需外加网关采集器、重新拉线，实现环境监测和位移监测数据综合分析，以不同的角度剖析隧道稳定性，更准确地评估隧道的稳定性，从而采取有效的措施来预防地质灾害的发生。

若需对隧道某测点振动频率高频采集，则其他测点巡回扫描会暂时停止。
④后期维护
变焦视觉位移监测仪属于高精度精密测量设备，建议在主机上安装保护罩，以保护主机不被雨水直接冲刷、强风及粉尘造成的振动及视线遮挡。同时轻微的热胀冷缩都将会影响监测精度，建议在墩台、立柱以及保护罩均覆盖保温棉，以减少温度引起的热胀冷缩对监测精度产生的影响。
后续需要定期的巡检和维护，包括但不限于镜头擦拭、视野阻挡、杂草遮挡靶标灰尘及雨迹擦拭等直接影响监测的问题，及时发现并处理潜在问题。
通过变焦视觉位移监测仪对运营期（或施工期）的监测数据，可以实时了解隧道结构的健康状况，而且精度高，为隧道的安全施工和长期运营提供保障。（注意：施工期间若粉尘过大影响视线，变焦视觉位移监测仪监测距离可能会受限，本文所述的距离均为运营期阶段的监测距离）
六、案例分析与应用
在拉萨某铁路隧道安装应用，该隧道为铁路运营期隧道，为了保证隧道运营过程中的稳定安全，评价隧道的稳定性能，实现动态监测的目的，对隧道断面收敛情况进行监测。
隧道每隔20米设置一个监测断面，每个断面对称设置拱顶、拱肩、边墙五个靶标测点，在左侧布设一台变焦视觉位移监测仪对靶标进行监测，仪器自动变焦监测区域内靶标位移。
监测仪通过边缘计算可直接得出位移数据，通过4G网络上传各边位移收敛数据到安锐测控云平台，当数据发生异常时可通过现场和数据管理平台进行多渠道警告预警。

监测系统自安装至今，数据连续性良好，个别点有小幅突变，整体变形较小，监测曲线与现场实际运营状况相符。
七、结论与展望
安锐测控研发的新一代变焦视觉位移监测技术，为隧道安全监测提供了一种高效、准确、自动化的解决方案。随着技术的不断进步和应用领域的拓展，未来本方案将在隧道工程领域发挥更加重要的作用，为隧道的安全运营提供有力保障。