超淺覆土矩形隧道施工安全監(jiān)控與超前預(yù)警平臺研究*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 矩形斷面隧道盾構(gòu)法施工風(fēng)險

1.1 結(jié)構(gòu)受力風(fēng)險

目前大多數(shù)隧道的斷面形式為圓形或橢圓形，其中不僅因為這種類型的盾構(gòu)隧道施工難度低，更重要的一點是其結(jié)構(gòu)受力均勻，管片制作工藝簡單[1-3]。相反，矩形斷面隧道，結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜，不同部位的管片受力大不相同。因此，各個部位的管片均需分別考慮。本文研究的矩形隧道斷面為9.5 m×4.7 m，一環(huán)管片擬分為6 塊。經(jīng)理論分析，隧道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵安全控制內(nèi)容有：

（a）彎矩方面。矩形隧道上下兩側(cè)跨中部分的彎矩最大，彎矩大的地方容易出現(xiàn)裂縫，對于地下結(jié)構(gòu)而言，裂縫是影響結(jié)構(gòu)防水的重要因素，因此，矩形盾構(gòu)封頂塊需要特殊研究。

（b）軸力方面。矩形隧道上下兩側(cè)軸力較小，左右兩側(cè)軸力較大。因此，左右兩側(cè)部分結(jié)構(gòu)的抗壓能力要求較高。

（c）剪力方面。矩形隧道以4 個角點的剪力最大，不僅如此，此處的彎矩和軸力也較大。矩形隧道的角點部位是應(yīng)力集中最明顯的位置，也是結(jié)構(gòu)最危險的位置。

1.2 施工技術(shù)風(fēng)險[4-8]

1.2.1 環(huán)境安全影響

與圓形/橢圓形盾構(gòu)機相比，矩形盾構(gòu)機上表面寬大而且平坦，上部土壓力垂直作用于機體，導(dǎo)致盾構(gòu)機背土現(xiàn)象嚴(yán)重，即部分土體附著于機體，并隨盾構(gòu)機的推進而同向移動，最終可能導(dǎo)致上覆土體的剪切破壞，致使管線等地下設(shè)施受損或破壞。淺/超淺覆土施工，對地表的擾動影響本就非常敏感，如果背土效應(yīng)嚴(yán)重，對近鄰環(huán)境土工安全的影響將大幅增加。

1.2.2 推進姿態(tài)控制

在矩形盾構(gòu)推進過程中，由于土質(zhì)不均勻、地面超載變化、推力作用點布置不合理或不當(dāng)操作等方面的原因，矩形盾構(gòu)在推進過程中產(chǎn)生側(cè)轉(zhuǎn)、偏離軸線等風(fēng)險較大。對于矩形盾構(gòu)法隧道，矩形掘進機發(fā)生側(cè)轉(zhuǎn)，將直接影響管片的正常拼裝，同時可能會造成上覆管線等構(gòu)筑物的損傷。為此，在矩形隧道施工過程中需要連續(xù)監(jiān)控盾構(gòu)機的掘進姿態(tài)，并不斷地進行姿態(tài)糾正，避免過大的偏轉(zhuǎn)/偏離軸線調(diào)整造成隧道結(jié)構(gòu)拼裝困難和近鄰地層擾動變形。

2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)的自動化監(jiān)測方法，是基于無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)地下工程監(jiān)控數(shù)據(jù)自動化采集與傳輸，同時具備監(jiān)測數(shù)據(jù)的簡單分析功能，用以應(yīng)對突發(fā)事件的發(fā)生。監(jiān)測系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的自動采集，由2 部分組成，一部分為采集元件（傳感器），另外一部分為采集箱。采集模塊不僅兼容電子類采集傳感器，而且可以使用測量機器人（本次采用索佳NET05）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集。

2.2 數(shù)據(jù)發(fā)射模塊

數(shù)據(jù)發(fā)射模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)自測量端向安全平臺的傳輸。目前，常用的數(shù)據(jù)發(fā)射方式為GPRS發(fā)射?？紤]到在地下工程中由于存在信號的問題，GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式受到較大制約，為提高監(jiān)測系統(tǒng)的自動化和信息化水平，本系統(tǒng)采用了基于無線電波的數(shù)據(jù)發(fā)射模式，實現(xiàn)了地下工程無信號區(qū)域數(shù)據(jù)自動化傳輸，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)分析模塊

數(shù)據(jù)預(yù)分析模塊一方面對接收到的數(shù)據(jù)進行初步處理，判別其合理性，另一方面通過數(shù)據(jù)傳輸模塊向數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)射控制指令。預(yù)分析模塊界面如圖1所示。初步處理后的數(shù)據(jù)將進入下一個平臺——施工安全預(yù)警平臺。

圖1 數(shù)據(jù)初步分析界面

該平臺由3 部分組成：數(shù)據(jù)分析模塊、風(fēng)險評估模塊、專家系統(tǒng)模塊。其組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該預(yù)警平臺的主要功能包括：數(shù)據(jù)整理與分析、數(shù)據(jù)評估與預(yù)警以及超前預(yù)警。

數(shù)據(jù)分析功能方面，該平臺繼續(xù)保留人工分析功能，但是該功能區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的人工分析，是由專家分析、預(yù)案分析以及視頻分析等功能組成；同時添加了智能分析功能，此功能由系統(tǒng)自動完成。數(shù)據(jù)評估與預(yù)警功能方面，系統(tǒng)首先根據(jù)自動分析的結(jié)果判定施工的安全性，一旦數(shù)據(jù)超標(biāo)或者發(fā)生異常情況，將轉(zhuǎn)入人工分析系統(tǒng)，確定數(shù)據(jù)異常情況的合理性，最后通過多種渠道與方式進行預(yù)警及報警。超前預(yù)警功能方面，根據(jù)既有數(shù)據(jù)判斷發(fā)展趨勢并提出專家建議，形成超前預(yù)警。

圖2 安全預(yù)警平臺結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語

本文介紹了如何開發(fā)應(yīng)用于超淺覆土矩形盾構(gòu)隧道的自動化監(jiān)控與超前預(yù)警平臺。該平臺由自動化監(jiān)測系統(tǒng)和施工安全預(yù)警平臺2 個大部分組成。自動化監(jiān)測系統(tǒng)基于無線電波傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了地下工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動化采集與發(fā)射；施工安全預(yù)警平臺對各種方式接收到的數(shù)據(jù)進行管理與深度分析、并根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢進行超前預(yù)判，形成超前預(yù)警，最終可形成評價報告與專家建議。本平臺將為地下通道的新型非開挖法施工——矩形盾構(gòu)法施工，提供可靠的安全控制手段。