基于縮尺試驗(yàn)的聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工監(jiān)測(cè)研究

鄭詩怡, 鄭榮躍, 楊佳棟, 鄧岳保, 朱瑤宏

基于縮尺試驗(yàn)的聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工監(jiān)測(cè)研究

鄭詩怡, 鄭榮躍*, 楊佳棟, 鄧岳保, 朱瑤宏

（寧波大學(xué) 濱海城市軌道交通協(xié)同創(chuàng)新中心, 浙江 寧波 315211）

機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道作為一種新興的地下結(jié)構(gòu)施工方法, 開展監(jiān)測(cè)技術(shù)研究對(duì)其安全施工具有重要的意義. 針對(duì)目前工程中監(jiān)測(cè)目標(biāo)集成度不夠、信息化程度不高的問題, 以寧波地鐵機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目為基礎(chǔ), 提出了一套完整的聯(lián)絡(luò)通道施工安全在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 該系統(tǒng)分為應(yīng)用層、傳輸層、感知層三個(gè)部分, 并且具有采樣、存儲(chǔ)、傳輸、數(shù)據(jù)處理和預(yù)警功能. 通過開展縮尺模型試驗(yàn), 測(cè)試了聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)過程中的變形及應(yīng)力發(fā)展規(guī)律, 并檢驗(yàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性. 試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、無線傳輸?shù)饶繕?biāo), 滿足實(shí)際工程的監(jiān)測(cè)需求, 可進(jìn)一步推廣至實(shí)際工程.

聯(lián)絡(luò)通道; 機(jī)械法施工; 無線監(jiān)測(cè); 縮尺模型試驗(yàn)

地鐵作為城市軌道交通的重要組成部分, 以安全、綠色、便捷等優(yōu)勢(shì), 成為了緩解交通壓力、減少出行時(shí)間的重要交通工具. 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 截至到2021年底, 全球共有79個(gè)國家和地區(qū)的541座城市開通了城市軌道交通, 運(yùn)營里程達(dá)到了36854.20km[1]. 地鐵聯(lián)絡(luò)通道作為城市軌道交通兩條單線區(qū)間隧道之間的(長度大于600m)[2]消防安全逃生通道, 是軌道交通工程的重要組成部分. 聯(lián)絡(luò)通道機(jī)械法施工技術(shù)作為一項(xiàng)新型工法, 相關(guān)研究正逐步深入, 但其施工監(jiān)測(cè)方法仍處于探索階段.

在地鐵主隧道的施工監(jiān)測(cè)方面, 劉志鋒等[3]基于GRP5000移動(dòng)式三維激光掃描儀對(duì)隧道橢圓度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析; Che等[4]采用高精度光纖傳感技術(shù), 對(duì)波紋鋼公用工程隧道力學(xué)性能進(jìn)行了監(jiān)測(cè)研究; Ye等[5]研究了低頻瞬態(tài)電磁雷達(dá)系統(tǒng)的原理, 并將其應(yīng)用在地下管道和空洞檢測(cè)中. 以上研究只在監(jiān)測(cè)技術(shù)方面進(jìn)行改進(jìn), 仍要監(jiān)測(cè)人員進(jìn)入隧道內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè), 存在監(jiān)測(cè)效率不高等問題, 需進(jìn)行智能化改進(jìn).

在現(xiàn)有地下結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)方面, Javier等[6]針對(duì)機(jī)器+活動(dòng)識(shí)別和威脅監(jiān)測(cè)兩方面, 提出了一種新型的基于光纖的管道完整性威脅預(yù)防監(jiān)測(cè)系統(tǒng); Liu等[7]提出了一種施工聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 收集了電錘、切路機(jī)、挖掘機(jī)破碎錘的施工聲以及環(huán)境噪聲, 以防止施工造成的地下管道損壞; 張利文[8]提出了一種利用傾角傳感器監(jiān)測(cè)盾構(gòu)隧道縱向沉降的新方法, 完成了測(cè)量系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì), 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)隧道縱向沉降曲線, 有較高的測(cè)量精度, 并且經(jīng)濟(jì)成本低; Wang等[9]監(jiān)測(cè)了西安幸福臨戴項(xiàng)目地下裂隙活動(dòng)期的垂直地表沉降、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、裂隙位移和接觸壓力等地下公用隧道結(jié)構(gòu)的預(yù)警指標(biāo), 給出了安全控制值和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn); 周濟(jì)兵等[10]提出了一種基于事故情景的標(biāo)準(zhǔn)操作流程體系, 采用管廊狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、分級(jí)分段層次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、基于情景的分段應(yīng)急檢索和多級(jí)應(yīng)急響應(yīng), 實(shí)現(xiàn)了事前預(yù)防、事中快速響應(yīng)的目標(biāo); 肖麗等[11]通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn), 設(shè)計(jì)了一套基于LES的多功能盾構(gòu)隧道風(fēng)險(xiǎn)可視化預(yù)警試驗(yàn)系統(tǒng), 該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的橫向直徑收斂變形和管片轉(zhuǎn)角這兩項(xiàng)橫向變形指標(biāo), 并可視化地顯示結(jié)構(gòu)在各種指標(biāo)下的安全等級(jí). 雖然以上研究取得了豐碩成果, 但是依然存在不同監(jiān)測(cè)目標(biāo)之間的集成度不夠等問題.

在機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道的施工監(jiān)測(cè)方面, 李淑強(qiáng)等[12]以青島地鐵8號(hào)線某區(qū)間隧道為工程依托, 闡述了機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工質(zhì)量管理體系, 并開展了現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)分析; 梅清俊等[13]以寧波地鐵3號(hào)線某聯(lián)絡(luò)通道工程為研究對(duì)象, 通過監(jiān)測(cè)分析研究了機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道T接施工技術(shù)對(duì)周圍地層、主隧道結(jié)構(gòu)等的施工影響; 楊佳棟等[14]基于縮尺模型試驗(yàn)對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道T接部位接收端切削洞口附近及主隧道變形、軸力、彎矩等變化規(guī)律進(jìn)行了研究; 胡威等[15]依托杭海城際線余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站區(qū)間隧道機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工程, 采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析和有限元模擬等方法, 研究了機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道開挖對(duì)T接部位隧道結(jié)構(gòu)及地表變形的影響. 目前對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)的研究多集中于隧道管片結(jié)構(gòu)、隧道對(duì)周圍環(huán)境沉降等方面, 尚未形成一套系統(tǒng)體系來準(zhǔn)確測(cè)量分析隧道之間、隧道與土之間以及隧道與周圍環(huán)境之間的影響.

綜上所述, 對(duì)于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工中如何集成監(jiān)測(cè)項(xiàng)目, 提高監(jiān)測(cè)精度, 減少人工, 已成為亟待解決的問題. 為此, 本文以寧波地鐵機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工程為基礎(chǔ), 利用縮尺模型試驗(yàn), 提出一套完整的機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工安全在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 并檢測(cè)該系統(tǒng)的有效性, 為相關(guān)施工安全智能監(jiān)測(cè)提供參考.

1 模型試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)方案

1.1 試驗(yàn)概況

以寧波軌道交通3號(hào)線某區(qū)間機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道為基礎(chǔ), 設(shè)計(jì)了一套縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 主要包括模型試驗(yàn)箱、盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三部分. 模型試驗(yàn)采用13環(huán)主隧道管片拼接, 如圖1所示.

模型隧道管片外徑為600mm, 內(nèi)徑為520mm. 中間3環(huán)為切削環(huán), 管片長為150mm. 中間3環(huán)兩邊各對(duì)稱布置5環(huán)管片, 為標(biāo)準(zhǔn)環(huán), 管片長120mm. 模型試驗(yàn)示意和照片分別如圖2和圖3所示. 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)對(duì)管片進(jìn)行切削時(shí), 會(huì)引起洞口附近的管片產(chǎn)生較大的應(yīng)力, 嚴(yán)重時(shí)可能產(chǎn)生變形、裂縫等, 所以在此范圍進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè). 中間5環(huán)為主要受影響環(huán), 由于管片為對(duì)稱布置, 所以試驗(yàn)主要針對(duì)中間第5、6、7環(huán)的收斂變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè). 在前期試驗(yàn)[14]中可以發(fā)現(xiàn)切削環(huán)上往往受到比較大的剪切力和頂推力, 這兩種力會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)并使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生傾斜. 因此, 需要在切削環(huán)上下布設(shè)傾斜監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)管片受力后的旋轉(zhuǎn)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè); 在洞口處以及其正后方管片上布設(shè)加速度監(jiān)測(cè)傳感器, 監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)切削過程中管片產(chǎn)生的振動(dòng)及其耗散情況.

圖1 機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道主隧道示意

圖2 模型試驗(yàn)示意

圖3 模型試驗(yàn)照片

1.2 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無線傳輸技術(shù)原理組建, 分三部分: 感知層、傳輸層、應(yīng)用層. 感知層是最基礎(chǔ)部分, 用于采集數(shù)據(jù), 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有應(yīng)變監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)、裂隙監(jiān)測(cè)、孔壓監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等, 具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容見表1. 傳輸層主要用于網(wǎng)絡(luò)傳輸, 主要儀器為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān). 應(yīng)用層主要用于數(shù)據(jù)接收、解析和展示.

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

系統(tǒng)具有高性能的數(shù)據(jù)管理、計(jì)算能力, 支持隨時(shí)隨地在移動(dòng)端查看數(shù)據(jù). 系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示. 無線傳感器終端按照設(shè)定的采樣時(shí)間間隙性工作. 終端數(shù)據(jù)上傳不成功時(shí)將緩存采集數(shù)據(jù), 待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后依據(jù)代價(jià)算法綜合評(píng)估, 篩選出最合適的設(shè)備加入其網(wǎng)絡(luò)并自動(dòng)補(bǔ)發(fā), 保證采集數(shù)據(jù)的完整性. 在接收數(shù)據(jù)后, 系統(tǒng)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 將4倍方差作為閾值, 過濾采集過程中由于傳感器自身或環(huán)境溫度、濕度等原因產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù), 以確保數(shù)據(jù)的可靠性. 同時(shí)系統(tǒng)會(huì)對(duì)不同采集器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類, 自動(dòng)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)的圖形, 通過可視化形式呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上.

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)還配有預(yù)警功能, 預(yù)警值根據(jù)不同部位監(jiān)測(cè)的不同內(nèi)容有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)定. 系統(tǒng)預(yù)警等級(jí)與監(jiān)測(cè)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相適應(yīng), 分為三級(jí), 監(jiān)測(cè)人員可根據(jù)不同的等級(jí)采取不同的防護(hù)措施. 預(yù)警值確定方法: 首先通過實(shí)際經(jīng)驗(yàn)或行業(yè)規(guī)范等獲得極限值, 然后將極限值加上一定的安全系數(shù)作為預(yù)警值[16]. 在監(jiān)測(cè)前人為設(shè)定預(yù)警值, 平臺(tái)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)與預(yù)警值進(jìn)行對(duì)比分析. 若采集值超過預(yù)警值, 平臺(tái)將以網(wǎng)頁或短信提醒方式發(fā)送相應(yīng)預(yù)警等級(jí).

1.3 傳感器布設(shè)

試驗(yàn)主要對(duì)被切削主隧道的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè). 整條管片為拼接而成, 以第7環(huán)為中心, 對(duì)稱布置. 傳感器布設(shè)主要在第5、6、7環(huán)上, 布設(shè)情況如圖5、6所示. 其中1-1、1-2為應(yīng)變傳感器, 布設(shè)在第6、7環(huán)管片的150°位置處, 監(jiān)測(cè)切削過程中管片應(yīng)力應(yīng)變情況; 2-1、2-2、2-3、2-4為裂隙監(jiān)測(cè)傳感器, 2-1、2-2布置在第5環(huán)的豎向與橫向位置, 監(jiān)測(cè)隧道豎向和橫向變形, 2-3、2-4布置在第6、7環(huán)和第5、6環(huán)管片150°位置的接縫處, 監(jiān)測(cè)切削環(huán)之間、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與切削環(huán)之間的裂隙發(fā)展情況; 3-1、3-2為傾角監(jiān)測(cè)傳感器, 布置在第7環(huán)管片的0°和180°位置處, 監(jiān)測(cè)切削過程中隧道傾斜狀況; 4-1、4-2為加速度傳感器, 布置在第6環(huán)管片的90°和270°位置處, 監(jiān)測(cè)切削管片時(shí)產(chǎn)生的加速度.

圖5 傳感器布設(shè)示意

圖6 隧道內(nèi)傳感器布設(shè)情況

2 試驗(yàn)過程及分析

2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)對(duì)象主要選取中間第5、6、7環(huán), 其中第5環(huán)為標(biāo)準(zhǔn)環(huán), 第6環(huán)為半切削環(huán), 第7環(huán)為完全切削環(huán). 試驗(yàn)分為四個(gè)階段:第一階段, 盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至與管片接觸; 第二階段, 盾構(gòu)機(jī)切削管片至管片破洞前; 第三階段, 管片破洞, 盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)切削至整個(gè)刀頭完全貫穿管片; 第四階段, 盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)直至整個(gè)刀盤部位通過管片, 完成切削. 試驗(yàn)總時(shí)長371min, 第一階段持續(xù)時(shí)間為67min, 其中盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至接觸到試驗(yàn)箱持續(xù)時(shí)間為10min; 第二階段持續(xù)時(shí)間為164min; 第三階段持續(xù)時(shí)間為130min; 第四階段持續(xù)時(shí)間為10min. 圖7所示為主隧道破洞階段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)情況.

圖7 主隧道破洞階段

2.2 試驗(yàn)分析

(1)應(yīng)力

整個(gè)切削過程應(yīng)力變化情況如圖8所示, 其中224C(即1-1)布置在第7環(huán)上, 224D(即1-2)布置在第6環(huán)上. 可以發(fā)現(xiàn)圖中224C的應(yīng)力增幅遠(yuǎn)大于224D, 這是由于試驗(yàn)中盾構(gòu)機(jī)的頂推力主要作用于第6、7、8環(huán)上, 而整個(gè)隧道并不是一個(gè)整體, 是由一環(huán)環(huán)管片拼接而成, 使得應(yīng)力向外傳播時(shí)環(huán)間衰減程度較大, 并且環(huán)內(nèi)管片本身也有一定的衰減作用, 導(dǎo)致半切削環(huán)上的應(yīng)力遠(yuǎn)小于全切削環(huán)上的應(yīng)力. 刀盤表面為弧面并布設(shè)有凸起的小刀片, 在刀盤切削時(shí), 完全切削環(huán)首先受到頂推力, 待切削至122min, 半切削環(huán)開始受到刀盤切削, 此時(shí)半切削環(huán)上應(yīng)力產(chǎn)生一個(gè)突增.

圖8 主隧道管片應(yīng)力變化曲線

在切削過程中, 應(yīng)力在第一階段末(即盾構(gòu)機(jī)刀盤初頂至管片外壁時(shí))、第二階段和第三階段產(chǎn)生較明顯的增幅, 第四階段應(yīng)力呈現(xiàn)平穩(wěn)發(fā)展趨勢(shì). 在第一階段前10min, 盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至接觸試驗(yàn)箱, 試驗(yàn)箱內(nèi)砂土和管片并未受到盾構(gòu)機(jī)的頂推力, 應(yīng)變可視為0. 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入試驗(yàn)箱并在砂土中向前掘進(jìn)時(shí), 盾構(gòu)機(jī)上的頂推力通過砂土傳遞到管片, 管片產(chǎn)生第一個(gè)突增應(yīng)力, 為34.41 MPa, 此時(shí)管片處于彈性階段. 隨著機(jī)器不斷向前推進(jìn), 刀盤距離管片越來越近, 管片上的應(yīng)力也緩慢上升. 第二階段為盾構(gòu)機(jī)切削管片直至破洞. 隨著盾構(gòu)機(jī)對(duì)管片的持續(xù)切削, 混凝土開始出現(xiàn)裂縫, 此時(shí)切削環(huán)管片處于彈塑性階段, 盾構(gòu)機(jī)對(duì)管片的頂推力保持在一個(gè)恒定的狀態(tài), 因此管片上的應(yīng)力呈現(xiàn)一種平穩(wěn)波動(dòng)的狀態(tài). 在第三階段, 由于混凝土管片出現(xiàn)破洞, 在破洞周圍會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 因此應(yīng)力曲線出現(xiàn)了第二個(gè)突增, 應(yīng)力激增至209.37MPa. 隨著破洞面逐漸增大, 應(yīng)力呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢(shì). 到第四階段, 管片被完全鉆穿, 盾構(gòu)機(jī)繼續(xù)向前推進(jìn)至整個(gè)刀頭完全穿過洞口, 此時(shí)應(yīng)力不再增長, 呈現(xiàn)一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài), 應(yīng)力保持在252MPa左右.

(2)隧道變形

整個(gè)切削過程中隧道變形的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示.

圖9 隧道變形曲線

圖9(a)為第4環(huán)豎向位移變化曲線; 圖9(b)為第4環(huán)橫向位移變化曲線. 第一階段, 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入試驗(yàn)箱內(nèi)開始向前掘進(jìn)時(shí), 刀盤會(huì)將附近的土體通過內(nèi)置的絞龍螺旋桿運(yùn)送至刀盤后部的金屬護(hù)套內(nèi), 隧道管片前部土壓力減小, 導(dǎo)致隧道豎向變形減小了8μm, 橫向?qū)挾仍黾恿?05μm. 但隨著盾構(gòu)機(jī)將頂推力通過砂土傳遞給管片, 管片的變形不再增加, 砂土、隧道之間保持一種平衡狀態(tài). 第二階段, 盾構(gòu)機(jī)頂推力直接作用于隧道管片上, 此時(shí)隧道變形恢復(fù)到初始狀態(tài). 但隨著時(shí)間的增加, 隧道管壁在切削作用下逐漸變薄, 橫向變形逐漸增加直至到達(dá)平衡狀態(tài). 第三階段初, 由于切削環(huán)管片出現(xiàn)破洞, 應(yīng)力集中在洞口附近, 因此標(biāo)準(zhǔn)環(huán)上受到的頂推力減小, 管片橫向變形出現(xiàn)回升狀態(tài). 由于砂土間無黏聚力, 導(dǎo)致在第一階段盾構(gòu)機(jī)挖去較多管片側(cè)面砂土后, 管片豎向土壓力大于橫向土壓力, 豎向變形縮短了34μm. 最終隨著管片完全破洞, 管片應(yīng)力發(fā)生重分布, 管片變形再次達(dá)到平衡狀態(tài).

由于隧道由管片拼接而成, 因此需要對(duì)環(huán)與環(huán)之間的裂隙變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè). 圖10(a)為切削環(huán)與切削環(huán)之間裂隙的變化情況, 可以發(fā)現(xiàn)環(huán)間裂隙變化并不明顯, 在-1～1μm之間. 這是由于在切削時(shí), 頂推力作用于切削環(huán)上, 切削環(huán)間受力相差不大, 不會(huì)產(chǎn)生較大的裂隙. 圖10(b)為切削環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)之間裂隙的變化情況, 可以發(fā)現(xiàn)裂隙在第一階段并沒有很大的增長, 主要因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)在砂土中掘進(jìn), 沒有直接接觸到管片. 第二階段, 盾構(gòu)機(jī)開始切削管片后環(huán)間裂隙隨之緩慢增長, 增長幅度為5μm. 第三階段, 由于隧道破洞, 環(huán)間受到的頂推力減小, 使得隧道裂隙不再增長, 且隧道側(cè)邊砂土缺失, 導(dǎo)致隧道豎向和橫向土壓力不平衡, 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與切削環(huán)之間被擠緊, 裂隙長度縮短至-2μm. 第四階段為盾構(gòu)機(jī)結(jié)束切削繼續(xù)向前頂進(jìn)階段, 此時(shí)盾構(gòu)機(jī)頂推力不再作用于管片上, 兩者之間只有盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)儀器金屬筒與管片洞口之間的摩擦力, 隧道裂隙不再產(chǎn)生比較明顯的變化.

(3)傾角

整個(gè)切削過程中隧道切削環(huán)管片轉(zhuǎn)動(dòng)情況如圖11所示.

圖11 管片傾角變化曲線

在第一階段, 由于盾構(gòu)機(jī)頂推力并未直接作用于管片上, 而是通過砂土傳遞到管片上, 隨著掘進(jìn)長度不斷增加, 作用在管片上的力也不斷增加, 使得管片的傾角也不斷增加, 但增加的幅度不大, 只有0.01°. 在第二階段初, 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頂?shù)焦芷跁r(shí), 因?yàn)轫斖屏鋈皇┘佑诠芷? 管片產(chǎn)生一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)動(dòng), 沿著軸和軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)了0.075°, 但該轉(zhuǎn)動(dòng)隨即恢復(fù). 這是由于隧道在第一階段時(shí)并未與管片后方的土緊密接觸, 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頂?shù)焦芷瑫r(shí), 巨大的頂推力使得管片與后方的砂土接觸力增加, 從而使得管片恢復(fù)至原來狀態(tài). 且因管片左側(cè)的砂土缺失, 側(cè)面土壓力減小, 管片沿著軸和軸方向轉(zhuǎn)回的角度略大于被接觸時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度. 在盾構(gòu)機(jī)不斷切削管片的過程中, 由于盾構(gòu)機(jī)頂推力與土壓力之間保持平衡, 使得管片并未產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng). 在第三階段, 由于盾構(gòu)機(jī)鉆穿管片導(dǎo)致切削環(huán)處管片內(nèi)部的應(yīng)力集中與應(yīng)力重分布, 引起管片產(chǎn)生了0.0625°的轉(zhuǎn)動(dòng). 在第四階段, 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)鉆穿隧道管片后頂推力不再作用于管片, 此時(shí)管片主要受到右側(cè)的土壓力, 管片轉(zhuǎn)動(dòng)至-0.012°后整個(gè)體系恢復(fù)平衡, 管片不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng).

(4)振動(dòng)

整個(gè)切削過程中隧道切削環(huán)管片振動(dòng)情況如圖12所示. 為了避免切削時(shí)破壞振動(dòng)傳感器, 將傳感器設(shè)置在第6環(huán). 在第一階段, 盾構(gòu)機(jī)切削加速度通過砂土傳到管片上, 因此管片產(chǎn)生了輕微的振動(dòng). 在第二階段, 由于管片第6環(huán)與第7環(huán)間存在縫隙且混凝土向外傳遞振動(dòng)時(shí)會(huì)削減一部分振動(dòng), 因此第二階段振動(dòng)強(qiáng)度與第一階段相差不大. 但隨著掘進(jìn)的進(jìn)行, 盾構(gòu)機(jī)與第6環(huán)之間的橫向距離逐漸縮短, 在第二階段快結(jié)束時(shí), 加速度呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì). 在第三階段, 當(dāng)管片出現(xiàn)破洞時(shí), 振動(dòng)迅速增強(qiáng), 這是因?yàn)楣芷磺衅坪螽a(chǎn)生應(yīng)力重分布, 引起振動(dòng)強(qiáng)度迅速增加, 增加大小約為0.01m·s-2. 在第四階段, 盾構(gòu)機(jī)完全貫穿管片后, 兩者之間只有盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)儀器金屬筒與管片洞口之間的摩擦力, 此時(shí)管片振動(dòng)減小至0.

圖12 管片振動(dòng)變化曲線

上述試驗(yàn)結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相關(guān)數(shù)據(jù)的無線實(shí)時(shí)傳輸以及預(yù)處理, 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果所采集到的隧道變形及應(yīng)力變化情況與實(shí)際隧道變化相吻合[14], 證明該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠有效, 可用于機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道工程的施工監(jiān)測(cè).

3 結(jié)語

(1)針對(duì)機(jī)械法聯(lián)絡(luò)通道施工過程中可能出現(xiàn)的諸多風(fēng)險(xiǎn), 提出了一種無線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 該系統(tǒng)可對(duì)隧道管片的振動(dòng)、應(yīng)力、位移、裂隙以及周圍土層的沉降、土壓力、孔隙水壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè), 并可通過設(shè)定預(yù)警值對(duì)施工過程進(jìn)行安全預(yù)警, 以保證施工過程安全可靠.

(2)通過模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn), 主隧道管片應(yīng)力在第二和第三階段時(shí)變化主要呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì). 在第三階段初隧道破洞時(shí), 切削環(huán)管片產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 應(yīng)力出現(xiàn)突增.

(3)整個(gè)切削過程中隧道橫向位移明顯大于豎向位移; 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)與切削環(huán)之間的裂隙在破洞階段發(fā)展較迅速, 但總體來說整個(gè)試驗(yàn)過程中隧道變形不是很大; 隧道管片在盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)到管壁上和第三階段破洞后切削時(shí)產(chǎn)生輕微轉(zhuǎn)動(dòng), 總體傾斜程度不是很大; 隧道振動(dòng)僅在第三階段時(shí)變化劇烈. 因?yàn)楸驹囼?yàn)所采用的裝置為縮尺模型試驗(yàn)平臺(tái), 且隧道管片環(huán)與環(huán)之間不是整體澆筑, 而是拼接在一起的, 因此環(huán)間傳遞會(huì)損耗較多的能量, 導(dǎo)致隧道振動(dòng)開裂情況不是很明顯. 而且隧道埋放在砂土內(nèi), 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)頂推力、剪切力等作用于管片上時(shí), 管片附近的砂土以及管片之間的連接件會(huì)阻止其發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng), 導(dǎo)致隧道傾斜情況不是很明顯.

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Mechanical construction monitoring of contact channel based on scale test

ZHENG Shiyi, ZHENG Rongyue*, YANG Jiadong, DENG Yuebao, ZHU Yaohong

( Collaborative Innovation Center of Coastal Urban Rail Transit, Ningbo University, Ningbo 315211, China )

As a new construction method of underground structure, it is of great significance to study the monitoring technology of mechanical connection passageway. Aiming at the problems of insufficient integration of monitoring targets and low information level in current engineering, a complete online intelligent monitoring system for the construction safety of contact channel is proposed based on the Ningbo Metro mechanical contact channel project. The system is divided into application layer, transmission layer and perception layer, and has sampling, storage, transmission, data processing and early warning functions. The development law of deformation and stress during the excavation of the contact channel is tested by scale model test, and the reliability of the monitoring system is verified. The test results show that the system can achieve real-time monitoring, wireless transmission and other objectives, meet the monitoring needs of practical engineering, and can be further extended to practical engineering.

contact channel; mechanical construction; wireless monitoring; scale model test

TU91

A

1001-5132（2023）03-0079-08

2022?12 ?26.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

北侖區(qū)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目（2022001）; 寧波市重大科技攻關(guān)暨揭榜掛帥項(xiàng)目（2022Z063）.

鄭詩怡（1999－）, 女, 浙江寧波人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 地下工程. E-mail: zhengsymail@qq.com

通信作者:鄭榮躍（1964－）, 男, 浙江寧波人, 教授, 主要研究方向: 軟土地基處理. E-mail: rongyue@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 韓 超）