科研动态 | 我院本科生孙可天在Proceedings of SPIE上发表学术论文

       隧道是城市建设中常见的施工环境之一，地铁隧道的变形测量是地铁隧道安全检测中至关重要的环节。目前对隧道结构变形的监测手段主要集中于激光测距、光纤光栅、摄影仪、全站仪、静力水准仪等。这些手段存在着一定的局限性，例如设置监测点的数量受限，无法使用远程测量手段，以及在实际操作中地铁隧道内可视度差、空间狭窄等。微机电系统（Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS）传感器由于具有低成本、高精度、体型轻小、便于在工程中的大规模应用等优点。本文基于模型试验，应用MEMS传感器对模型隧道进行连续实时智能监测，对隧道结构进行多点布控监测，监测指标为加速度与倾角。通过分析隧道发生变形全过程中的监测指标变化，对隧道体变形时各部分的运动情况进行讨论。进一步探索MEMS智能传感在地铁隧道结构异常监测中的应用。

       试验采用的测试元件为基于MEMS的JY901s（图1），以有线方式进行数据传输。可测量三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场、三轴角度。采用气动元件组对模型隧道进行单点施压，如图2所示，隧道模拟采用韧性亚克力管（1m长，5cm直径），在隧道不同部位布置传感器与控制测量点共同测量位移、角度变化等变形值，通过获取传感器的三轴加速度与欧拉角数据，分析控制点位移，并与控制测量的实际数据进行比对。

       传感器的回传数据分为加速度与角度，即，有两种方法可以获得隧道变形位移：一是利用加速度经过时间域二次积分获得位移，二是利用测点角度先插值获得全部位置角度再几何积分。由于隧道长周期变形过程中加速度的低频特性，其零点漂移误差无法由常规的、旨在去除低频的处理手段进行消除，进行时间域二次积分将导致误差累积，误差较大。而由于角度数据本身的精度特性，可以将隧道模型进行差分，以安置了MEMS传感器处的倾斜角度来进行β样条插值，获得所有差分单元的倾斜角度，再利用几何运算获得各个差分单元两端的沉降差，再进行几何积分。经过验证该方法得到的估计位移与实际位移较接近，可行性较高。

       研究表明，利用加速度传感器进行二次积分以获得位移的方法，在长时间内会由于积分运算导致误差累积，因而暂不可行；利用角度传感器进行差分-β样条插值-几何运算-积分，可以获得隧道多处的竖向不均匀沉降；位移以不均匀沉降为主时，可以使用角度方法获得隧道的全部沉降量。

   SUN K T, GAO Y, WU X D. Application of MEMS sensors in abnormal deformation monitoring of metro tunnel structure[C/OL]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering: 12050. 2021. DOI:10.1117/12.2613897.

       孙可天，中山大学地球科学与工程学院2018级地质工程专业本科生，2019年作为主要成员参加大学生创业创新训练项目，研究成果发表在2021年智慧交通与城市工程国际学术会议论文（第一作者，EI收录），将于2022年9月起在中山大学地球科学与工程学院攻读岩土工程硕士学位。

初审：黄荣

审核：张照

审核发布：何晓钟