近日，同济大学工程风险研究团队黄宏伟教授、张东明教授、吴俨博士和聂聪硕士研究生、陈明巧硕士（2021年毕业）等在《Measurement》期刊上发表了题为“Wireless Tilt Sensor Based Monitoring for Tunnel Longitudinal Settlement: Development and Application”的研究论文，报道了基于无线倾角传感器的隧道纵向沉降监测设备研发与应用的最新研究成果。

      隧道衬砌纵向沉降是影响隧道长期性能的重要因素，因此，合理有效的隧道衬砌纵向沉降监测对于预防性维护至关重要。在现有的监测方法中，人工水准测量应用广泛，方法成熟，仪器价格便宜，但人工测量工作量大，比较费时、费力，监测精度受人员专业性影响很大；有线设备如静力水准仪精度不足、电子水平尺价格昂贵。本文基于无线传感器网络布设方便，系统易于扩展，智能化、自动化程度高等优势，进行隧道纵向沉降监测设备的研发。

      本文研究思路如下：首先，论文总结了现阶段主流的隧道纵向沉降监测仪器的优缺点，对比突出了VDMS的高适应性、高精度等优点。其次，介绍了VDMS的硬件组成和监测特性。然后，推导了VDMS用于测量纵向沉降的算法，分析了室内标定实验反映出的监测系统精度。最后，描述了VDMS在杭州地铁四号线机场快线下穿区域纵向沉降监测的精度，包括与现场机器人全站仪的监测数据进行比较。

图1 VDMS 硬件组成

(a)

(b)

图2 VDMS的纵向不均匀沉降监测算法：

(a) VDMS空间姿态变化拟合隧道纵向不均匀沉降; (b)软管部分高差传递的等效铰接

图3 室内标定实验实景布置

(a)

(b)

图4 VDMS在杭州地铁四号线监测的应用布设：(a) 安装位置平面图; (b)衬砌钻孔安装布设图

(a)                                                                                              (b)

图5 VDMS监测数据：(a) 第41天与同区段机器人全站仪的监测数据对比; (b) 监测周期内沉降槽形成过程

      室内标定试验和现场应用表明，本文提出的竖向变形监测系统(VDMS)是一种高精度、易于组装和用户友好的监测系统。VDMS结合WSN和MEMS技术的优势，可以实现全天候的自动化监测，并有助于建立地下结构安全的实时预警系统。室内标定实验验证了纵向沉降监测与其配套算法的高适用性，在杭州地铁现场监测也证明了VDMS高监测精度。此外，得益于VDMS的高频实时监测，隧道纵向不均匀沉降的昼夜沉降率的周期性变化被捕捉到，可供后续进一步研究。本文建立的竖向变形监测系统（VDMS）为隧道结构纵向沉降监测提供了一种可靠和经济的解决方案。

第一作者

张东明 教授   邮箱：09zhang@tongji.edu.cn

第二作者

聂聪 硕士研究生   邮箱：2132586@tongji.edu.cn

第三作者

陈明巧 硕士研究生   邮箱：954683724@qq.com

第四作者

黄宏伟 教授   邮箱：huanghw@tongji.edu.cn

第五作者

吴俨 博士   邮箱：wuyan@wisencn.com

文献引用

Zhang, D., Nie, C., Chen, M., Huang, H., Wu, Y. (2023). Wireless Tilt Sensor Based Monitoring for Tunnel Longitudinal Settlement: Development and Application. Measurement, 113050.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.113050 

供稿：聂 聪

编辑：冯晓曦

审核：黄忠凯