黃土隧道施工過程自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與安全性分析

張曉峰，黃林沖

(1. 陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西 西安 710000；2. 中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

黃土隧道施工過程自動化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與安全性分析

張曉峰1，黃林沖2

(1. 陜西省交通建設(shè)集團公司，陜西 西安 710000；2. 中山大學(xué) 工學(xué)院，廣東 廣州 510275)

摘要:為確保隧道的安全，全時段在線了解黃土隧道的變形情況，避免重大事故發(fā)生，結(jié)合黃延高速公路擴能工程小園子隧道和萬花隧道施工期間精確的監(jiān)控量測，通過傳感器對原始信號的采集及轉(zhuǎn)換，對其初襯應(yīng)變、錨桿軸力和孔隙水壓力進行監(jiān)測，并用獲得的數(shù)據(jù)繪制時態(tài)曲線進而對監(jiān)測結(jié)果進行分析，預(yù)測可能出現(xiàn)的情況并對異常數(shù)據(jù)進行分析預(yù)警，以便及時調(diào)整施工方案或采取加固補強措施。該系統(tǒng)有效地保證了隧道施工安全及周邊建(構(gòu))筑物的安全，對黃土隧道工程具有一定的借鑒指導(dǎo)意義，為監(jiān)測行業(yè)提供了一種有效的思路和方法。

關(guān)鍵詞：黃土隧道施工；應(yīng)力應(yīng)變；初期支護；自動化監(jiān)測

隧道施工時不可避免地要打破原有地層巖體力學(xué)平衡，應(yīng)力重新分布后再建立新的平衡。圍巖在遭到擾動后釋放的應(yīng)力部分由隧道的支護結(jié)構(gòu)來承受，這將對隧道內(nèi)施工環(huán)境的安全產(chǎn)生影響．而圍巖的變形映射到地面就會對地表的環(huán)境產(chǎn)生影響[1-2]。因此，為了掌握隧道圍巖、支護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的動態(tài)，及時預(yù)測變形的發(fā)展．施工過程中需通過監(jiān)控量測及時發(fā)現(xiàn)各種不利影響．進而采取有效措施確保施工及周圍環(huán)境的安全。因此，監(jiān)控量測是隧道施工過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，具有安全監(jiān)控、設(shè)計反饋、指導(dǎo)施工的作用。傳統(tǒng)檢測的主要技術(shù)參數(shù)均由人工定期用傳統(tǒng)儀器到現(xiàn)場進行測量，安全檢測工作量大，受天氣、人工、現(xiàn)場條件等許多因素的影響，存在一定的系統(tǒng)誤差和人為誤差。同時，人工檢測還存在不能及時檢測各項技術(shù)參數(shù)，難以及時掌握工程的各項安全技術(shù)指標(biāo)等缺點，這些都影響工程的安全生產(chǎn)和管理水平[3-4]。隧道施工及運營期自動化在線實時監(jiān)測系統(tǒng)的實施，便于企業(yè)和安全監(jiān)管部門快速掌握與工程安全密切相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)的最新動態(tài)，有利于及時掌握工程的運行狀況和安全狀況，數(shù)據(jù)連續(xù)性和可靠性較好，高效便捷[5-6]。在線監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)是：保障隧道工程的安全，充分發(fā)揮項目工程效益，更好地為安全生產(chǎn)服務(wù)。把在線安全監(jiān)測系統(tǒng)與云計算有機結(jié)合，搭建了強大的云物聯(lián)技術(shù)支撐平臺，目前此項技術(shù)的應(yīng)用在行業(yè)內(nèi)首開先河。云計算服務(wù)中心可以同時容納近萬個系統(tǒng)，為各個系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)儲存，數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)安全跟蹤，實時響應(yīng)，實時報警等強大功能。將基于云物聯(lián)技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層面。在線監(jiān)測系統(tǒng)能否達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測效果，其中系統(tǒng)設(shè)備的選型、在監(jiān)測布點安裝工藝、系統(tǒng)驗收原則對于整個系統(tǒng)的運行都起到尤為關(guān)鍵的作用[7-8]。

1工程概況

小園子隧道位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，隧道里程樁號：右線YK7+815-YK9+592，左線ZK7+780-ZK9+559,洞口段最小埋深約9.7m，洞身最大埋深136m，圍巖由第四系上更新統(tǒng)Q2al+pl硬塑粉質(zhì)黏土、下更新統(tǒng)Q1eol硬塑黃土、第三系N2黏土巖組成，粉質(zhì)粘土、黃土呈硬塑狀，第三系黏土巖裂隙發(fā)育，遇水、暴露易開裂崩解，具膨脹性，洞身圍巖均按V級設(shè)計，隧道出口圍巖含水率大，局部段落土體接近軟塑狀態(tài)，自穩(wěn)能力差，初期支護表面滲水嚴(yán)重，局部呈滴水現(xiàn)象，隧道開挖過程中進口圍巖含水率較小采用上下臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法，出口圍巖含水率大，為了確保施工安全采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

萬花隧道位于陜西省延安市寶塔區(qū)萬花鄉(xiāng)境內(nèi)，隧道里程樁號：右線YK130+062-YK131+194，左線ZK130+625-ZK131+270,洞室最大埋深約134m，隧道左洞進口穿越滑坡體，地形坡度陡峭，圍巖以滑體土粉質(zhì)粘土為主，洞室圍巖主要為碎石土、Q2老黃土、第三系粘土呈松軟結(jié)構(gòu)，下半斷面出露強風(fēng)化砂泥巖互層，巖體呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，隧道出口圍巖裂隙水較發(fā)育，初支表面出現(xiàn)滲水、滴水現(xiàn)象，洞室均按照V級圍巖設(shè)計，洞口淺埋段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，深埋段采用上下臺階預(yù)留核心土環(huán)形開挖法施工。

2監(jiān)測方案

監(jiān)測對象：對小園子和萬花隧道進行洞內(nèi)監(jiān)測，洞口淺埋段地表下沉進行人工監(jiān)測，其余5個監(jiān)測項均采用全天候24h實時在線監(jiān)測，主要包括：1)洞內(nèi)觀察；2)洞口淺埋段地表沉降；3)錨桿軸力監(jiān)測；4)圍巖與初支接觸壓力監(jiān)測；5)鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測；6)初襯應(yīng)力監(jiān)測；7)二次襯砌應(yīng)力監(jiān)測；8)拱頂沉降；9)凈空收斂[9-10]。

表1　各監(jiān)測項傳感器

2.1洞口淺埋段地表下沉監(jiān)測

量測淺埋隧道洞口開挖成形后，地表土體下沉量。通過地表下沉量和下沉速率，判斷分析隧道洞口圍巖穩(wěn)定狀況，為優(yōu)化設(shè)計支護參數(shù)提供可靠的數(shù)據(jù)，保證施工安全。主要采用水準(zhǔn)儀進行測量，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：測距精度：0.3mm，最小顯示：0.01mm，測距范圍：1.5～100m，測量時間：3s。2.2周邊位移監(jiān)測

量測隧道內(nèi)壁兩點連線方向的相對位移。主要儀器為收斂儀，型號FS-SL30A，技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍：0.5～30m，測量精度：0.06mm，分辨率：0.01mm。根據(jù)規(guī)范結(jié)合設(shè)計要求，收斂測量間距為：隧道埋深：H≤30m時，10m一個監(jiān)測斷面；H>30m時，20m一個監(jiān)測斷面，每斷面6對測點。

2.3錨桿軸力監(jiān)測

量測錨桿各部位受力情況如圖1所示[11]。

圖1　錨桿應(yīng)變計量測示意圖Fig.1 Schematic diagram for Anchor strain gauge

錨桿軸力監(jiān)測采用內(nèi)埋式應(yīng)變計，型號FS-NM15，技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍：±1 500με；靈敏度：1με；非線性度:≤1%F.S；工作溫度：-20～+80 ℃；測溫精度:±0.5 ℃。

布置位置：錨桿軸力量測時將傳感器連接或粘貼于錨桿不同的區(qū)段，同時觀測出不同區(qū)段的應(yīng)力——應(yīng)變值。每級代表性圍巖選擇1個斷面，每個斷面上選擇3根錨桿，這3根錨桿的位置分別在拱頂、左右拱腰，每根錨桿上連接2個錨桿應(yīng)力傳感器，圖1為錨桿應(yīng)力計布點位置截面圖。

2.4圍巖與初支接觸壓力監(jiān)測

主要量測噴砼所受壓力，儀器型號FS-TY06，技術(shù)指標(biāo)為：量程：0.6MPa；靈敏度：0.1%F.S；工作溫度：-20～+80 ℃；測溫精度:±0.5 ℃。

圖2　土壓力盒埋設(shè)布置圖Fig.2 Schematic diagram for soil pressure cell

2.5鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測

測試型鋼鋼架內(nèi)、外側(cè)的應(yīng)變，從而計算其所受到的軸力和彎矩，儀器型號FS-BM15，技術(shù)指標(biāo)為：測量范圍：±1 500με；靈敏度：1με；非線性度:≤1%F.S；工作溫度：-20～+80 ℃；測溫精度:±0.5 ℃。

2.6云計算中心和預(yù)警系統(tǒng)

小園子隧道和萬花隧道采用的云監(jiān)測系統(tǒng)由江西飛尚科技有限公司提供，系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個層面，如圖3所示。

圖3　云監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram for the cloud platform monitoring system

感知層包括布置在外場的，如內(nèi)埋應(yīng)變計、表面應(yīng)變計、土壓力盒、孔隙水壓計等傳感器。通過數(shù)據(jù)采集儀實時采集數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)傳輸裝置(DTU)傳輸數(shù)據(jù)，實時自動化接入云平臺。

網(wǎng)絡(luò)層即數(shù)據(jù)處理層，云平臺接收DTU傳遞的數(shù)據(jù)后，根據(jù)不同的監(jiān)測項及設(shè)定的相應(yīng)閾值，得出結(jié)構(gòu)物的相對及絕對變形和應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)物是否安全。

應(yīng)用層即客戶展示層，通過分析數(shù)據(jù)，評估結(jié)構(gòu)物的狀態(tài)，及變化趨勢，得出結(jié)論，利用PC或手機/PAD終端把隧道的變形及應(yīng)力以報表的形式反饋給施工單位，有利于及時指導(dǎo)施工。

云計算中心預(yù)計同時可容納上萬個結(jié)構(gòu)物，并且配備專業(yè)技術(shù)人員，通過不同權(quán)限登入以太網(wǎng)或者利用手機為各行業(yè)各個結(jié)構(gòu)物分析數(shù)據(jù)，進行評估、預(yù)報警等，并定時定期發(fā)送專業(yè)報表給客戶，充分讓客戶了解結(jié)構(gòu)物的安全狀態(tài)，達(dá)到真正的實時監(jiān)測，不再使購買安裝的設(shè)備荒廢，真正實現(xiàn)對各結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測與管理。

現(xiàn)場采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)路并入云計算服務(wù)中心，結(jié)合專業(yè)技術(shù)人員對數(shù)據(jù)進行評估、預(yù)警等，定時定期的給業(yè)主和參建單位發(fā)送常規(guī)報表，異常天氣條件下推送結(jié)構(gòu)物安全數(shù)據(jù)分析，能夠及時了解結(jié)構(gòu)物的安全狀態(tài)，根據(jù)不同監(jiān)測項目查找相關(guān)規(guī)范定出預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出警戒值時，可在第一時間通過信息報警，并可通過手機/PAD終端接入實時查閱。

此外，云平臺具有如下優(yōu)勢及服務(wù)內(nèi)容：

1) 可提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的服務(wù)器群，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)的丟失遺漏；

2)可實時跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)情況，避免現(xiàn)場系統(tǒng)的不穩(wěn)定及異常(如斷電等)狀況導(dǎo)致信息丟失，使監(jiān)測系統(tǒng)真正發(fā)揮作用；

3)可提供實時的數(shù)據(jù)分析處理，避免監(jiān)控人員花費大量精力在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取及整理方面；

4)可提供長期不間斷的數(shù)據(jù)處理，減少專業(yè)人員工作量，得到豐富的數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)不同因素的影響，得到與結(jié)構(gòu)物變化的關(guān)系，給監(jiān)測類似結(jié)構(gòu)物提供借鑒作用。

圖4　云服務(wù)中心的示意圖Fig.4 Schematic diagram for cloud service center

當(dāng)結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)異常信息時，系統(tǒng)根據(jù)不同監(jiān)測項的控制值以及客戶需求，設(shè)置多級別報警狀態(tài)，其中一級最嚴(yán)重，自動進行預(yù)報警，在監(jiān)控中心以聲音及屏幕警示方式進行報警，并通過短信方式將信息及時發(fā)送給相關(guān)管理人員。

3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

下面主要以小園子隧道-4截面和萬花隧道右洞出口-5截面監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)為例進行分析，在云平臺中下載自動生成的數(shù)據(jù)，然后進行分析，并用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工，且在必要時可以對隧道安全預(yù)警，在源頭防止事故的發(fā)生。

圖5　小園子隧道-4截面圖Fig.5 Schematic diagram for section 4 of Xiao yuanzi tunnel

圖6　自動化傳感器布置圖Fig.6 Schematic diagram of automatic sensors

3.1小園子隧道-4截面

應(yīng)力/應(yīng)變(襯砌應(yīng)變監(jiān)測)：目前本項目的應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測主要針對襯砌應(yīng)變監(jiān)測。

在出口右洞布設(shè)應(yīng)變計，下圖給出應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體見圖7。

圖7　出口右洞襯砌應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.7 Strain monitoring data of right secondary lining near the tunnel exit

從圖7中出口右洞襯砌應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，襯砌應(yīng)變波動范圍主要在-22.3με到-17με之間，其應(yīng)變波動范圍較小，均在安全范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8　出口右洞襯砌應(yīng)變?nèi)兆兓瘜Ρ菷ig.8 Comparison of daily stain changes of right lining near the tunnel exit

為了更加直觀的觀察出口右洞襯砌應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)日變化的對比，選擇同一傳感器2014年12月28日，12月29日和12月30日監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，從圖8中看出，在3d的同一時刻應(yīng)變波動(增大或減小)的趨勢大致相似，存在一定的周期性和規(guī)律性，12月28日襯砌應(yīng)變在-19.2με到-17με之間，12月29日襯砌應(yīng)變在-20.3με到-18.3με之間，12月30日襯砌應(yīng)變在-22.3με到-18.9με之間，且每天應(yīng)變波動幅值在3.4με之間，。說明隧道施工期間對出口右洞襯砌的影響較小，小園子隧道-4截面出口右洞襯砌相對穩(wěn)定。實現(xiàn)了24小時全天候監(jiān)測的目標(biāo)，且每30分鐘采集一次數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)及時性和真實性。

圖9　初襯出口右洞應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.9 Strain monitoring data of right initial lining near the tunnel exit

在初襯出口右洞布設(shè)應(yīng)變計4個，圖9給出應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)。在2014年12月12日至12月18日隧道施工期間，初襯出口右洞監(jiān)測數(shù)據(jù)波動較小，初襯出口右洞1襯砌應(yīng)變在-36.8με到-33.2με之間，初襯出口右洞2襯砌應(yīng)變在6.7με到11.4με之間，初襯出口右洞3襯砌應(yīng)變在-11.5με到4.9με之間，初襯出口右洞4襯砌應(yīng)變在32.4με到46.8με之間，且傳感器2，3和4出統(tǒng)一在12月15日產(chǎn)生小幅度波動主要與現(xiàn)場環(huán)境(施工或爆破)改變有關(guān)，但在12月16日襯砌應(yīng)變數(shù)據(jù)又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明施工只對初襯出口右洞產(chǎn)生小幅度擾動，沒有明顯影響，需加強安全監(jiān)測。

由圖7～9可知，小園子隧道-4截面各監(jiān)測項數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，沒有發(fā)生預(yù)警。

3.2萬花隧道-5截面

對于萬花隧道的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析主要從出口左洞初期支護、二次襯砌應(yīng)變等幾個應(yīng)力應(yīng)變考慮，以及對其孔隙水壓力及襯砌受壓力來分析。

圖10為出口左洞初期支護應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，萬花隧道出口左洞初期支護在施工期間襯砌應(yīng)變波動較小，各監(jiān)測位置應(yīng)變值基本呈現(xiàn)水平狀，未有大幅度和異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)。出口左洞初期支護1襯砌應(yīng)變值在17.7με到19.3με之間，出口左洞初期支護2襯砌應(yīng)變值在30.8με到32.6με之間，出口左洞初期支護3襯砌應(yīng)變值在59.2με到75.8με之間，出口左洞初期支護4襯砌應(yīng)變值在-33.1με到-25.4με之間，襯砌相對安全穩(wěn)定。

圖10　初襯出口左洞應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.10 Strain monitoring data of left initial lining near the tunnel exit

圖11為出口左洞初期支護應(yīng)變?nèi)兆兓瘜Ρ葓D，選擇出口左洞初期支護1在1月4日，1月5日和1月6日3d數(shù)據(jù)進行對比分析，不難發(fā)現(xiàn)，3d應(yīng)變值均在較小的范圍內(nèi)波動，且每日的變化規(guī)律性不強，這主要和周圍環(huán)境以及施工的不規(guī)律影響有關(guān)。

圖11　初襯出口左洞應(yīng)變?nèi)兆兓瘜Ρ菷ig.11 Comparison of daily stain changes of left initial lining near the tunnel exit

圖12為出口左洞孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖中數(shù)據(jù)得知，在5個監(jiān)測點的孔隙水壓力均在1m以下，其中出口左洞1孔隙水壓力在0.393至0.5m之間，出口左洞2孔隙水壓力在0.472至0.535m之間，出口左洞3孔隙水壓力在0.426至0.558m之間，出口左洞4孔隙水壓力在0.464至0.617m之間，出口左洞5孔隙水壓力在0.545至0.673m之間，各測點孔隙水壓力均在安全范圍內(nèi)波動。

圖12　出口左洞孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.12 Pore pressure monitoring data of left tunnel

由圖10～12可知，萬花隧道-5截面各監(jiān)測項數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)，沒有發(fā)生預(yù)警。

4結(jié)論

1)基于云平臺的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)及預(yù)警體系可以提供全面、及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并加以指導(dǎo)現(xiàn)場安全施工，保障結(jié)構(gòu)物的安全。

2)黃土隧道根據(jù)隧道圍巖具體情況，同時結(jié)合隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)，嚴(yán)格控制開挖進尺，每循環(huán)開挖一般控制在60～120cm之間。

黃土隧道為防止拱腳失穩(wěn)，必須加強鎖腳錨固施工質(zhì)量，必要時增設(shè)臨時仰拱。

3)在本項目施工過程中，通過實時監(jiān)控，不僅確保了施工安全和質(zhì)量，為其順利貫通奠定了堅實的基礎(chǔ)，也為今后類似工程施工提供寶貴的參考經(jīng)驗。

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Automatic monitoring and safety analysis of tunnels on loess during construction

ZHANG Xiaofeng1，HUANG Linchong2

(1.ShanxiCommunicationsConstructionCo.,Ltd,Xi’an710000,China;2.SchoolofEngineering,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China)

Abstract:In order to ensure the safety of the tunnel, master the deformation of the tunnel with time, and avoid major accidents, this paper discussed the accurate monitoring during tunnel construction in loess tunnels, where the sensors were installed in the Huang-yan tunnel and Wan-hua tunnel under concoction to collect the original signal data and then convert to response data of the initial strain, axial force and pore water pressure. With the data obtained from the automatic monitoring, the curves were studied to forecast the possible situations and alert in advance the abnormal data, in order to adjust the construction plan or take proper countermeasures timely. This system guards the safety of tunnel construction and surrounding buildings effectively, thus providing significant guidelines and references for similar projects, as well as effective ideas and methods for the monitoring industry.Key words：loess tunnel construction; stress and strain; initial lining; automatic monitoring

收稿日期：2015-08-08

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51108472)；廣東省自然科學(xué)基金資助項目(S2012010010446；2016A030313233);廣東省科技計劃資助項目(2015A0202170004)

通訊作者：黃林沖(1981-)，男，副教授，博士，湖北咸寧人，從事地下工程與巖土工程的研究；E-mail: hlinch@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號：TU45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0914-07