隧道監(jiān)控量測信息化實施中的相關(guān)問題探討

田樹坤

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司 遼寧沈陽 111000)

1 前言

隧道監(jiān)控量測是通過對實測數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析、處理，及時向各參建方提供分析資料，為隧道施工實際圍巖級別及其變形特性的判定等提供準確、及時的技術(shù)支撐和判定依據(jù)，對確定隧道二次襯砌的施作時間具有決定性意義，是保障隧道建設(shè)成功的重要手段。

為了實現(xiàn)對隧道工程安全質(zhì)量的全面把控，鐵路總公司于2013年8月，繼混凝土拌和站信息化、實驗室信息化后對隧道監(jiān)控量測信息化進行了全路推廣。與傳統(tǒng)隧道監(jiān)控量測比較，引進了手機數(shù)據(jù)采集APP，坐標直接存儲在手機加密數(shù)據(jù)庫內(nèi)，避免了人為修改數(shù)據(jù)的可能，極大程度保證了數(shù)據(jù)的真實性，且直接上傳至服務(wù)器，形成監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的集中化管理和共享性，充分利用了計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通訊技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)，對數(shù)據(jù)采集的科學(xué)性、分析的時效性及處理反饋及時性都起到了非常大的作用。這是信息化在工程建設(shè)中應(yīng)用時所具有的優(yōu)勢，但在應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題。本文結(jié)合浩吉鐵路、寶蘭客專和成貴鐵路施工現(xiàn)場信息化技術(shù)實施中遇到的實際問題進行討論，對進一步推動信息化的實施意義重大[1-5]。

2 數(shù)據(jù)采集問題

隧道監(jiān)控量測信息化目前采用半人工半自動化，沒有推廣全自動化采集數(shù)據(jù)方法的原因主要有以下四方面:(1)自動化設(shè)備傳感器、儀器非常昂貴，只適合在高風(fēng)險隧道的高危地段使用；(2)需要埋設(shè)傳感器，在隧道內(nèi)復(fù)雜的施工條件下，很難保證埋設(shè)傳感器的保有率；(3)自動化采集設(shè)備一般由電信號轉(zhuǎn)換成分析需要的數(shù)據(jù)，在隧道施工中機械設(shè)備等產(chǎn)生的噪聲、振動等會干擾電信號，使數(shù)據(jù)波動較大；(4)更重要的一點，現(xiàn)行規(guī)范沒有明確自動化監(jiān)測設(shè)備，多方原因?qū)е伦詣踊O(jiān)測無法全路推廣。

現(xiàn)階段采用的隧道監(jiān)控量測信息化系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。因數(shù)據(jù)的原始坐標各方共享，對照施工日志，根據(jù)曲線形態(tài)，就可以判定監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。目前這種系統(tǒng)的實施，監(jiān)控量測信息及數(shù)據(jù)的作假現(xiàn)象基本可以杜絕，避免了無法判斷數(shù)據(jù)真?zhèn)吻闆r的發(fā)生。

圖1 隧道監(jiān)控量測信息化系統(tǒng)架構(gòu)

3 數(shù)據(jù)分析問題

首先，將手機APP獲取的原始坐標進行初步計算、比較，防止因測點破壞或?qū)y點引起的預(yù)警(這種預(yù)警一般被稱為“假性預(yù)警”)；然后，通過無線網(wǎng)絡(luò)將原始坐標上傳至服務(wù)器，對所采集的數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)計算、分析，包括差值、累積值等；最后，通過電腦客戶端對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析。

目前，已有多種方法可以對隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，且這些方法均已成功應(yīng)用于隧道監(jiān)控量測信息化系統(tǒng)中。其中，最具代表性的成果為中鐵西南院王建宇院長所提出的回歸分析方法[6-9]，其回歸分析的基本思路和全斷面位移推求方法下文重點描述。

3.1 回歸分析

利用曲線u＝f(t)對時間-位移散點圖進行擬合，然后對時刻t取一階導(dǎo)數(shù)(du/dt)值，即為該時刻位移變化速率(見圖2)。

圖2 位移變化速度的確定

式中，A為水平漸近線的相當值，用于預(yù)測最終位移；B為表征變形發(fā)展特點的參數(shù)。

將式(1)對時間求導(dǎo)，可得變形速率的表達式為:

圖3 回歸分析應(yīng)用

在t-o-u坐標系中(見圖4)式(2)可變換為:

3.2 全位移推求

隧道開挖過程中，由于測點和開挖面之間存在一定距離，同時在開挖過程中圍巖的變形實際已經(jīng)開始產(chǎn)生，導(dǎo)致在測量隧道圍巖變形時錯過了在開挖后與埋設(shè)測點讀取初始值期間的“先期位移”。因此，在進行反分析計算時，需確定“全位移”及為了確定開挖時的預(yù)留變形量而需要預(yù)測開挖時引起的“顯現(xiàn)位移”的表達式。其中，“全位移”和“顯現(xiàn)位移”可以通過量測數(shù)據(jù)回歸曲線進行外延推求，見式(4)和式(5)。

式中，u為全位移；um為開挖引起的位移中量測到的部分；u1為開挖引起的位移中未能量測到的部分；u2為開挖前的先期位移。

圖4 全位移和測得部分

由式(1)可得:當tm＝∞時，um＝A；當tm＝ -t1時，u1＝A(eBt1-1)。

第四項工作是課程實施流程。實施流程一般分六步：一是準備，包括背景知識的準備，課程信息的準備和方法設(shè)備的準備；二是選題，一般要經(jīng)歷選題意向、選題范圍、選題的課題、要解決的問題四個階段；三是開題評審；四是課題實施；五是總結(jié)展示；六是答辯和評價。

開挖后隧道中的顯現(xiàn)位移:

開挖前的先行位移:

式中，λ為表征先行位移占全位移比例的經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)文獻[6]，λ可取0.265～0.33。

全位移公式:

將時態(tài)曲線在t′-o′-u′坐標系中表達:

圖5為下坑隧道凈空變化實測數(shù)據(jù)得到的回歸函數(shù)。

圖5 測得的回歸分析

由圖5可得t1＝2時，隧道開挖后的顯現(xiàn)位移:um＋u1＝AeBt1＝43.03×e0.08546×2＝51.050 6 mm

取λ＝0.22，則全位移:

全位移推求如果能夠成功運用到系統(tǒng)中，可以解決很多實際問題。在很多塌方事故中，調(diào)查組調(diào)取監(jiān)控量測數(shù)據(jù)時經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，隧道已經(jīng)發(fā)生塌方但是還沒有預(yù)警，經(jīng)過調(diào)查，最后得出的結(jié)論是埋點不及時造成，錯過了圍巖變形的最佳時機。

4 極限位移參考值的合理性問題

在討論極限位移參考值的合理性問題之前，首先對寶蘭客專、成貴鐵路、浩吉鐵路對極限位移參考值的運用情況進行介紹。

寶蘭客專多為黃土隧道，鐵路總公司領(lǐng)導(dǎo)在調(diào)研信息化系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)在隧道開挖時圍巖變化量非常大。基于該問題，發(fā)布90號文，將極限位移參考值適當放大，但仍然出現(xiàn)4 000余條紅、黃色預(yù)警，其中，紅色預(yù)警達1 000多條。分析原因，除測量錯誤導(dǎo)致的預(yù)警外，正常預(yù)警達800多條，且多數(shù)預(yù)警超過了極限位移參考值[10]，變化在500 mm以上的預(yù)警上百條，甚至有上千毫米的位移變化。

成貴鐵路以硬質(zhì)巖為主，全線總計預(yù)警2 000余條，紅色預(yù)警200余條，馬堰出口、家祝灣進口等很多隧道都根據(jù)預(yù)警成功撤人。

浩吉鐵路地質(zhì)各異，全線600余條預(yù)警，紅色預(yù)警100余條，多為測量錯誤導(dǎo)致，但發(fā)生預(yù)警的隧道，經(jīng)過排查基本上均存在異常現(xiàn)象。

對比發(fā)現(xiàn)，寶蘭客專和成貴鐵路都是把測點打進圍巖20 cm以上來監(jiān)測圍巖變化，但是由于地質(zhì)原因，效果各不相同。軟弱圍巖變化量大，預(yù)警頻繁會引起現(xiàn)場人員麻木，所以，建議不要用一個值來衡量軟弱圍巖特別是擠壓性圍巖隧道是否存在塌方危險，它只是起到一個警示作用，是否存在問題還要看數(shù)據(jù)曲線形態(tài)。

浩吉鐵路將測點焊接在鋼拱架上，直接監(jiān)測初期支護，也相應(yīng)出臺了一系列管理通知、文件多次修正預(yù)警值，見表1～表2。

表1 黃土地段變形總量管理等級

表2 一般地段變形總量管理等級

浩吉鐵路采用等級式管理，也是在摸索一個簡單、方便、快捷判定隧道是否安全的方法。在這種方法研究出來之前，極限位移參考值不能完全判定圍巖的穩(wěn)定性，目前的判定方法為:

(1)根據(jù)回歸分析，可以估算最大位移值。

(2)根據(jù)數(shù)據(jù)曲線判定，見圖6～圖7。

圖6 時間-位移曲線

圖7 距離-位移曲線

圖8為天蓬隧道圍巖變形監(jiān)測結(jié)果。由圖8可以看出，從2014年12月份開始，監(jiān)測數(shù)據(jù)一直增大，停工后至2015年數(shù)據(jù)并沒有收斂，出現(xiàn)明顯的反常曲線。采取工程措施后，繼續(xù)觀測半年時間(2016年8月1日)后隧道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，斷面順利通過，這種方法是根據(jù)數(shù)據(jù)曲線判定的最好實例。

圖8 數(shù)據(jù)曲線判定實例

5 圍巖變形速率問題

目前，國內(nèi)外在應(yīng)用監(jiān)控量測信息化時經(jīng)常利用圍巖變形速率臨界值來判定圍巖變形狀態(tài)是否穩(wěn)定。但是這種方法存在一定的弊端，如利用監(jiān)控量測信息化時經(jīng)常會出現(xiàn)奇怪的預(yù)警，假設(shè)兩次測量時間間隔為2 h，隧道圍巖變形為2 mm，此時計算出來的變形速率為24 mm/d，已超過預(yù)警值。但根據(jù)隧道圍巖在1 d內(nèi)所發(fā)生變形量的角度來計算圍巖變形速率則在預(yù)警范圍內(nèi)。通過研究發(fā)現(xiàn)，所有規(guī)范中所規(guī)定的變形速率單位均為mm/d，如《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》[11]、《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》、日本的《新奧法設(shè)計施工技術(shù)指南草案》。因此，不能機械地利用變形速率判定隧道圍巖穩(wěn)定在短時間內(nèi)的程度[12]。

所以，以上規(guī)范將0.2 mm/d做為圍巖穩(wěn)定的依據(jù)，而監(jiān)控量測信息化系統(tǒng)則將5 mm/d做為預(yù)警的臨界值。這些臨界值很有可能是經(jīng)驗所得，不適合地質(zhì)條件多樣的現(xiàn)場施工。

如果有充分的科學(xué)依據(jù)，必須停工采取加強支護等工程措施。但是，在實際施工中僅僅靠各種規(guī)范來限制施工，能夠像寶蘭客專、成貴鐵路、浩吉鐵路等憑借經(jīng)驗，同時利用監(jiān)控量測指導(dǎo)施工的案例相對較少。到目前為止，這三條線并未發(fā)生因監(jiān)控量測不到位而引起的“關(guān)門”事故。由此可見，除了先進的、行之有效的管理體系及管理手段外，隧道監(jiān)控量測體系起到了舉足輕重的作用。

6 總結(jié)

雖然國內(nèi)對鐵路隧道監(jiān)控量測信息化進行全路推廣也經(jīng)過了一段時間，在很多項目上取得了不少的成果與進步，但是從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析過程及判定依據(jù)等方面均存在一定問題。

針對上述問題，在埋設(shè)采集傳感器時，需要改進現(xiàn)行的埋設(shè)一次性傳感器的方式，研究更為先進的數(shù)據(jù)采集方式，以保證數(shù)據(jù)的真實性。在數(shù)據(jù)判釋方面也需要更科學(xué)且加入對監(jiān)控量測有實際意義的推算，比如對全位移的推求。最終將監(jiān)控量測信息化轉(zhuǎn)換成監(jiān)控量測智能化，把所有地質(zhì)情況、采用的施工方法引起圍巖變形進行技術(shù)總結(jié)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，利用計算機技術(shù)進行大數(shù)據(jù)分析形成一套系統(tǒng)，可以在施工過程中一邊施工一邊實時量測形成三維立體圖形進行展示，哪里有危險哪里就預(yù)警。

目前來看，采用實時斷面掃描技術(shù)，對施工中的隧道進行斷面掃描及大量數(shù)據(jù)反饋處理，并結(jié)合圍巖變形數(shù)據(jù)經(jīng)驗，可以實現(xiàn)監(jiān)控量測智能化。而在浩吉鐵路建設(shè)過程中，地質(zhì)條件和施工方法帶來的圍巖變化數(shù)據(jù)已經(jīng)在總結(jié)，形成了一定規(guī)模的經(jīng)驗庫，但是想形成全國性的經(jīng)驗庫需要長期積累以及多條線路共同努力。