上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114
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?yàn)檫@種類型的盾構(gòu)隧道施工難度低,更重要的一點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)受力均勻,管片制作工藝簡(jiǎn)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(gè)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(duì)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(gè)角點(diǎn)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(diǎn)部位是應(yīng)力集中最明顯的位置,也是結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的位置。
1.2.1 環(huán)境安全影響
與圓形/橢圓形盾構(gòu)機(jī)相比,矩形盾構(gòu)機(jī)上表面寬大而且平坦,上部土壓力垂直作用于機(jī)體,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)背土現(xiàn)象嚴(yán)重,即部分土體附著于機(jī)體,并隨盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)而同向移動(dòng),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(duì)地表的擾動(dòng)影響本就非常敏感,如果背土效應(yīng)嚴(yán)重,對(duì)近鄰環(huán)境土工安全的影響將大幅增加。
1.2.2 推進(jìn)姿態(tài)控制
在矩形盾構(gòu)推進(jìn)過程中,由于土質(zhì)不均勻、地面超載變化、推力作用點(diǎn)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(jìn)過程中產(chǎn)生側(cè)轉(zhuǎn)、偏離軸線等風(fēng)險(xiǎn)較大。對(duì)于矩形盾構(gòu)法隧道,矩形掘進(jìn)機(jī)發(fā)生側(cè)轉(zhuǎn),將直接影響管片的正常拼裝,同時(shí)可能會(huì)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(jī)的掘進(jìn)姿態(tài),并不斷地進(jìn)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(dòng)變形。
開發(fā)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法,是基于無線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可以實(shí)現(xiàn)地下工程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)化采集與傳輸,同時(shí)具備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單分析功能,用以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的發(fā)生。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由3 部分構(gòu)成。
采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(cè)量機(jī)器人(本次采用索佳NET05)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。
數(shù)據(jù)發(fā)射模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自測(cè)量端向安全平臺(tái)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(hào)的問題,GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式受到較大制約,為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了地下工程無信號(hào)區(qū)域數(shù)據(jù)自動(dòng)化傳輸,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性。
數(shù)據(jù)預(yù)分析模塊一方面對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)入下一個(gè)平臺(tái)——施工安全預(yù)警平臺(tái)。
圖1 數(shù)據(jù)初步分析界面
該平臺(tái)由3 部分組成:數(shù)據(jù)分析模塊、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(tái)的主要功能包括:數(shù)據(jù)整理與分析、數(shù)據(jù)評(píng)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(tái)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(shí)添加了智能分析功能,此功能由系統(tǒng)自動(dòng)完成。數(shù)據(jù)評(píng)估與預(yù)警功能方面,系統(tǒng)首先根據(jù)自動(dòng)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(jìn)行預(yù)警及報(bào)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(shì)并提出專家建議,形成超前預(yù)警。
圖2 安全預(yù)警平臺(tái)結(jié)構(gòu)
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(dòng)化監(jiān)控與超前預(yù)警平臺(tái)。該平臺(tái)由自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和施工安全預(yù)警平臺(tái)2 個(gè)大部分組成。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于無線電波傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了地下工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與發(fā)射;施工安全預(yù)警平臺(tái)對(duì)各種方式接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與深度分析、并根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行超前預(yù)判,形成超前預(yù)警,最終可形成評(píng)價(jià)報(bào)告與專家建議。本平臺(tái)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。