隧道豎井施工自動化監(jiān)測方法研究

段興明 冉 華 魏 通 謝家林

（1.云南交投公路建設第一工程有限公司，云南昆明 650034；2.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074）

0 引言

豎井施工監(jiān)控量測是豎井施工管理的重要組成部分，它不僅監(jiān)測各施工階段圍巖動態(tài)，確保施工安全，而且通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得圍巖動態(tài)和支護工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，為修正初期支護參數(shù)、確定二次襯砌施作時間提供信息依據(jù)，還能為隧道豎井工程設計與施工積累資料，為今后的設計和施工提供類比依據(jù)。

由于豎井的豎直結構和施工場地限制，監(jiān)控量測人員只能在掌子面附近工作，無法到達離掌子面較遠的斷面，而在掌子面附近的工作平臺上，也無法使用常規(guī)的監(jiān)控量測技術，如水準儀、全站儀等，導致豎井施工監(jiān)控量測成為一個難題。

水平隧道施工監(jiān)控量測的研究成果較多。馮陳楷[1]依托京臺建甌至閩侯高速公路寧德市境 A2 合同段中平隧道工程，對施工過程進行監(jiān)控量測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了圍巖的穩(wěn)定性。秦朝輝[2]對某高速公路隧道施工工程進行監(jiān)控量測，分析了支護效果。劉熙媛等[3]對公路隧道施工監(jiān)控量測方法進行對比研究，研究表明人工輔助瞄準多測回三維坐標量測是較好的方法。劉春等[4]在隧道施工中研究了三維激光全斷面掃描的監(jiān)測方法，取得了一定效果。牛帥斌[5]結合大斷面軟巖隧道施工監(jiān)測實踐，通過施工監(jiān)測分析了支護結構設計的合理性。吳乃龍[6]通過對運營期隧道監(jiān)控量測，處理相應監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到隧道結構的變化形態(tài)。和振海等[7]依托某高速公路隧道，建立隧道施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，采集拱頂沉降和水平收斂數(shù)據(jù)，分析了隧道變形特點。

針對豎井施工監(jiān)控量測的研究成果相對較少。田正[8]對秦嶺公路隧道2 號豎井中隔板監(jiān)控量測，分析了中隔板的穩(wěn)定性。朱江偉等[9]對某地鐵隧道豎井開挖及支護過程監(jiān)控量測，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)。黃珂等[10]對某市政管道越江隧道豎井施工過程監(jiān)控量測，分析了地表沉降。

公路隧道通風豎井一般為大直徑深豎井，受豎直結構和施工空間的限制，常規(guī)的監(jiān)控量測技術可操作性差，一直以來成為豎井施工監(jiān)測的難題。為解決這一難題，依托云南墨臨高速公路泰和隧道豎井工程，對豎井施工自動化監(jiān)測方法開展了研究。通過實施泰和隧道豎井施工自動化監(jiān)測方案，得到了泰和隧道豎井施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了各施工階段圍巖動態(tài)。本文的豎井自動化監(jiān)控量測方案可以給類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

泰和隧道左幅和右幅正常運營工況采用全射流縱向通風方式，消防排煙工況采用豎井分段排煙方式，于隧道右線K203+408 兩幅隧道正中間設置一座排煙豎井，設計內(nèi)輪廓直徑5.0 m，設計深度279.55 m。豎井施工吊桶如圖1 所示。

圖1 豎井施工吊桶

根據(jù)地勘報告，豎井圍巖分為Ⅴ1、Ⅳ3、Ⅳ2 三個級別。豎井深0～20 m 段為Ⅴ1 級圍巖，圍巖以粉質(zhì)黏土、粉砂巖、泥巖為主；豎井深20～50 m 段為Ⅳ3 級圍巖，圍巖以粉砂巖、泥巖為主；豎井深50～279.55 m 段為Ⅳ2 級圍巖，圍巖以泥巖、粉砂巖為主。

豎井井身段采用鉆機反井正向擴挖法施工，先用天井鉆機在井位中心自上而下鉆導向孔，直達聯(lián)絡通道頂，待井下聯(lián)絡通道與豎井貫通后，在隧道中拆除鉆頭換成擴孔刀頭，由下而上，反向擴挖形成直徑1.4 m 的出渣孔，最后再用鉆爆法從上往下擴挖到設計尺寸。

2 豎井自動化監(jiān)測方法研究

隧道常規(guī)的監(jiān)控量測使用水準儀、全站儀，由于隧道豎井結構和施工空間限制，常規(guī)監(jiān)測手段可操作性差，需要采用自動化監(jiān)控量測技術。自動化監(jiān)控量測技術有如下優(yōu)點：受施工干擾小，同一斷面只需安裝一次；安裝成功后，人員可不需再次下井，在井上便可完成監(jiān)測工作。

2.1 自動化監(jiān)測設備及原理

監(jiān)控量測采用的測試元件為振弦式傳感器，振弦式傳感器有如下優(yōu)點：（1）設備簡單，性能可靠；（2）數(shù)據(jù)穩(wěn)定，受溫度、電磁干擾影響??；（3）可預埋，也可表面安裝；（4）適合施工監(jiān)測等長期觀測。振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當弦的長度確定之后，其固有振動頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小。通過相應的測量電路，就可得到與拉力成一定關系的電信號，其振動頻率按式（1）計算：

式中：f為震動頻率；L為振弦的長度；σ為振弦截面上的拉應力；ρ振弦材料的密度。

豎井井壁位移和圍巖壓力是判斷圍巖是否安全穩(wěn)定的重要依據(jù)。地下水會軟化圍巖，降低圍巖的強度，引起圍巖的變形破壞。因此，有必要對井壁位移、圍巖壓力和滲水壓力進行監(jiān)測。圍巖壓力的測量采用TGH 型振弦式土壓力盒（見圖2），豎井井壁位移采用WYGH-Ⅱ型頂板位移計測量（見圖3），滲水壓力通過SYGJ 型振弦式滲壓計監(jiān)測（見圖4）。上述儀器的主要技術參數(shù)滿足監(jiān)測要求（見表1）。

表1 振弦式傳感器主要技術參數(shù)

圖2 TGH 型振弦式土壓力盒

圖3 WYGH-Ⅱ型頂板位移計

圖4 SYGJ 型振弦式滲壓計

2.2 測點布置

豎井監(jiān)測斷面布置如圖5 所示。在同一個斷面上布置3 個土壓力盒、3 個位移計和1 個滲壓計，壓力盒、位移計于井壁圓周均勻設置（見圖6）。泰和隧道豎井自動化監(jiān)控量測的項目、測點數(shù)量及測點布置表見表2。

表2 監(jiān)測項目、測點數(shù)量及測點布置

圖5 監(jiān)測斷面布置示意圖

圖6 斷面測點布置示意圖

2.3 自動化監(jiān)測系統(tǒng)簡介

數(shù)據(jù)自動化采集通過傳感器及DQ-n 多點采集系統(tǒng)實現(xiàn)。DQ-n 多點采集系統(tǒng)在總結長期工程經(jīng)驗的基礎上，采用更高性能的采集單元和更先進的設計，整合操作靈活、功能豐富的采集軟件，提高了系統(tǒng)可靠性、安全性，適合在室外總線組網(wǎng)，集中數(shù)據(jù)，在工程施工前后長期提供豐富詳實的監(jiān)測信息。

DQ-n 多點采集系統(tǒng)的工作原理：DQ-8 多點采集器（見圖7）與振弦式傳感器連接，通過內(nèi)部電路激發(fā)接受傳感器的頻率信號，并輸送給工控機。工控機與多個串聯(lián)的DQ-8 多點采集器通過485 總線連接，在工控機上安裝有采集軟件，高速采集各個DQ-8 多點采集器的頻率信號并分析處理。

圖7 DQ-8 實物圖

DQ-n 多點采集系統(tǒng)由多個DQ-8 多點采集器、DQ 供電存儲單元、485 收發(fā)模塊、振弦傳感器、工控機組成。采集器和工控機采用總線拓撲。其系統(tǒng)結構見圖8，DQ-n 型多點采集器電腦軟件界面見圖9、圖10。

圖8 系統(tǒng)結構示意圖

圖9 分站信息界面

圖10 數(shù)據(jù)采集界面

2.4 豎井自動化監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

豎井自動化監(jiān)測儀器按照以下順序進行安裝：（1）在井口附近安裝好計算機和DQ-n 型多點采集器微機軟件；（2）鉆爆法開挖到設計高度后，安裝土壓力盒、位移計和滲壓計；（3）通過數(shù)據(jù)線連接傳感器和DQ-8 采集器，計算機與DQ-8，DQ-8 之間用數(shù)據(jù)線連接；（4）已建立連接的傳感器，即可在井口附近的計算機上查詢到監(jiān)測數(shù)據(jù)。豎井自動化監(jiān)測系統(tǒng)全局見圖11。

圖11 豎井自動化監(jiān)測系統(tǒng)全局圖

3 現(xiàn)場測點布置及監(jiān)測結果分析

3.1 現(xiàn)場測點布置

由于現(xiàn)場施工與監(jiān)測儀器安裝存在相互影響，綜合考慮之后，決定將安裝儀器的時機選擇在掛好鋼筋網(wǎng)之后，噴射混凝土之前。噴射混凝土時，將儀器一起噴在初支里面。

（1）土壓力盒安裝：選擇適當?shù)膰鷰r面，使土壓力盒緊貼圍巖壁面，緊貼后把其數(shù)據(jù)線綁在鋼筋網(wǎng)上，沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點采集器（見圖12）。

圖12 土壓力盒現(xiàn)場布置

（2）位移計安裝：選擇適當?shù)膰鷰r面，水平往里面鉆孔，鉆孔深度2.1 m，直徑60 mm，成孔后將位移計安裝好，并沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點采集器（見圖13）。

圖13 位移計現(xiàn)場布置

（3）滲壓計安裝：選擇適當?shù)膰鷰r面，水平往里面鉆孔，鉆孔深度30 cm，直徑60 mm，成孔后將滲壓計安裝好，并沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點采集器。

（4）DQ-8 多點采集器安裝：選擇合適的位置，一般是在上下兩鋼拱架連接筋與鋼筋網(wǎng)之間，用鐵絲將其固定好。豎井里有地下水，必須注意儀器的防水問題。

3.2 豎井井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

豎井施工從2020 年7 月開始，至2020 年11 月結束，自動化監(jiān)控量測從2020 年8 月開始，本文應用的數(shù)據(jù)采集于2020 年11 月以前。目前自動化監(jiān)測系統(tǒng)仍在運行，所用儀器基本完好，數(shù)據(jù)在小范圍內(nèi)波動。圖14 為典型斷面（埋深210 m）的井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

圖14 井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

從圖14 中監(jiān)測結果可以得到以下結論：

（1）隨著開挖時間的推移，周邊位移在逐漸增大，這是由于隧道硐室空間效應，掌子面附近的圍巖變形釋放需要一定的時間。

（2）周邊位移值在開挖后30 天開始收斂，監(jiān)測到的位移變化較小，圍巖基本穩(wěn)定。

3.3 圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖15 為典型斷面（埋深210 m）的圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。從圖中監(jiān)測結果可以得到以下結論：

圖15 圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

（1）隨著開挖時間的推移，圍巖壓力在逐漸增大，這是由于隧道硐室空間效應，掌子面附近的圍巖壓力釋放需要一定的時間。

（2）在開挖后第30 天圍巖壓力大致穩(wěn)定。

4 豎井自動化監(jiān)測注意事項

受豎井結構和施工空間限制，豎井自動化監(jiān)測方案應盡量縝密，具體實施時應注意如下事項：

（1）由于豎井施工的特殊性，儀器安裝應一步到位，并保證質(zhì)量；

（2）豎井里有較大的地下水，應注意儀器防水問題；

（3）相關儀器的數(shù)據(jù)線很多，應提前做好線路規(guī)劃，使走線盡量少。

5 結論

（1）在泰和隧道豎井工程中，通過實施豎井施工自動化監(jiān)測方案，對井壁位移、圍巖壓力和滲水壓力實現(xiàn)了自動化監(jiān)測。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)完整地反映了各施工階段圍巖的動態(tài)，為豎井動態(tài)設計和信息化施工提供了可靠依據(jù)。

（3）考慮豎井結構和施工空間特點，豎井自動化監(jiān)測方案應盡量縝密，具體實施時應提前做好線路規(guī)劃，儀器安裝應一步到位，同時需做好儀器防水。