祝安龍，答子虔，劉建友，劉道平

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055; 2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

引 言

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，復(fù)雜地質(zhì)條件下的長(zhǎng)、大隧道建設(shè)成為鐵路工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1-2]。在長(zhǎng)、大隧道施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由圍巖失穩(wěn)和結(jié)構(gòu)失效引起的隧道安全事故會(huì)導(dǎo)致極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面社會(huì)影響[3-5]。因此，高質(zhì)量的圍巖和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)是確保隧道工程安全的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)圍巖及結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)方法中，數(shù)據(jù)采集及處理的效率低，隨著人工智能技術(shù)的突破，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)與人工智能相結(jié)合，隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化監(jiān)測(cè)使得這一問(wèn)題得到解決。衛(wèi)建東、陳翔等學(xué)者采用TCA1800/2003測(cè)量機(jī)器人做了地鐵結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了地鐵隧道施工自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[6，7]。劉星、魏世玉等采用 TM30測(cè)量機(jī)器人，開(kāi)發(fā)了一套較成熟的地鐵建設(shè)自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)[8-9]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道變形監(jiān)測(cè)理論及其應(yīng)用研究上開(kāi)展了大量的工作[10-14]，但在智能化監(jiān)測(cè)方面的研究還存在不足[15-17]，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)不能及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，導(dǎo)致無(wú)法在第一時(shí)間采取有效措施避免安全事故的發(fā)生。

圖1 斷面位置分布示意

為了充分運(yùn)用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，考慮到京張高鐵八達(dá)嶺長(zhǎng)城站結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及工程的重要性，因此采用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，以確保工程施工和運(yùn)營(yíng)的安全。

1 八達(dá)嶺長(zhǎng)城站的特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)的必要性

京張高鐵新八達(dá)嶺隧道位于八達(dá)嶺長(zhǎng)城風(fēng)景名勝區(qū)，全長(zhǎng)12.01 km。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站位于隧道內(nèi)，距離隧道出口約3 km。車站總長(zhǎng)470 m，地下建筑面積36 143 m2，兩端各設(shè)長(zhǎng)163 m的大跨過(guò)渡段，開(kāi)挖跨度達(dá)到32.7 m。車站為三層地下結(jié)構(gòu)，自下而上分別為站臺(tái)層、進(jìn)站層及出站層，站臺(tái)層與進(jìn)站層豎向最小凈距僅4.5 m。站臺(tái)層采用3個(gè)分離的平行洞室，中間為正線，兩側(cè)分別為左、右到發(fā)線，各洞室最小水平凈距僅2.27 m。八達(dá)嶺長(zhǎng)城站為京張高鐵重點(diǎn)控制性工程之一，車站規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是目前國(guó)內(nèi)開(kāi)挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大，開(kāi)展八達(dá)嶺長(zhǎng)城站結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)是必要的。

2 圍巖及結(jié)構(gòu)的智能監(jiān)測(cè)

2.1 功能架構(gòu)

為保障八達(dá)嶺長(zhǎng)城站施工和運(yùn)營(yíng)全過(guò)程結(jié)構(gòu)安全，車站設(shè)置了隧道結(jié)構(gòu)智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共選擇14個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面(圖1)，包括大跨過(guò)渡段、三連拱段和小凈距段(圖2)，對(duì)錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、二次襯砌以及圍巖進(jìn)行應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)，并開(kāi)發(fā)了智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖3)，對(duì)地下車站、隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集，并圖形化展示，對(duì)各類傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)給出預(yù)警。

圖2 結(jié)構(gòu)受力量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的功能

(1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集功能

通過(guò)站級(jí)控制系統(tǒng)的通訊采集服務(wù)器，從下端傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)采集所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，軟件數(shù)據(jù)菜單包括自動(dòng)采集和手動(dòng)采集功能。手動(dòng)采集能夠按需對(duì)特定斷面的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并實(shí)現(xiàn)采集頻率及時(shí)間的人工控制。自動(dòng)采集只需自由設(shè)定監(jiān)測(cè)頻率和周期以進(jìn)行周期化采集。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及評(píng)價(jià)功能

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析及評(píng)價(jià)功能主要包含基于模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、可拓性理論、灰色理論的地下車站及隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)，每一個(gè)分析與評(píng)價(jià)均對(duì)應(yīng)一個(gè)分析預(yù)警模型。

(3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警、報(bào)警功能

采用各類分析與評(píng)價(jià)模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面的安全等級(jí)接近Ⅲ級(jí)危險(xiǎn)時(shí)，預(yù)警軟件將以聲音、動(dòng)畫(huà)、彈出對(duì)話框等報(bào)警方式給出預(yù)警提示，同時(shí)自動(dòng)提高該斷面的監(jiān)測(cè)頻率。

(4)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢管理功能

軟件平臺(tái)除實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)外，還能夠?qū)Ω鲾嗝?截面的傳感器歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析、統(tǒng)計(jì)及圖形化顯示、分析、對(duì)比等功能。

(5)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)表功能

規(guī)范格式報(bào)表制作：系統(tǒng)內(nèi)置了按照整編規(guī)程規(guī)定的格式定義各種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的整編報(bào)表母版，用戶只需要選擇測(cè)點(diǎn)和分量即可生成對(duì)應(yīng)的模板，利用報(bào)表模板即可生成整編報(bào)表。

(6)監(jiān)測(cè)設(shè)備管理功能

設(shè)備管理功能能夠展示地下車站、隧道結(jié)構(gòu)安全遠(yuǎn)程終端的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并顯示遠(yuǎn)程終端工作狀態(tài)。

(7)監(jiān)測(cè)畫(huà)面組態(tài)編輯功能

軟件平臺(tái)提供監(jiān)控畫(huà)面的組態(tài)編輯功能，提供的監(jiān)控畫(huà)面編輯工具能夠通過(guò)設(shè)置做到動(dòng)態(tài)增刪設(shè)備，以擴(kuò)展軟件平臺(tái)的功能。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為多層架構(gòu)體系，分為用戶界面、處理核心、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)底層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)庫(kù)層(圖4)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、曲線繪制、結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)、設(shè)備管理和用戶管理六大模塊構(gòu)成。

圖4 隧道圍巖智能監(jiān)測(cè)技術(shù)架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

(1)監(jiān)測(cè)斷面選擇采用三項(xiàng)原則：相同圍巖級(jí)別選擇洞室更為復(fù)雜的斷面，洞室同等復(fù)雜程度下選擇圍巖較差的斷面，當(dāng)洞室復(fù)雜程度和圍巖級(jí)別都相同時(shí)選擇跨度較大的斷面作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面。

(2)針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面構(gòu)建多維度智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從圍巖變形、洞周收斂、結(jié)構(gòu)受力等方面實(shí)施監(jiān)測(cè)，保證安全施工。

(3)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并繪制測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線圖、力學(xué)特征圖等，得到簡(jiǎn)潔直觀的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。針對(duì)不同斷面類型和不同監(jiān)測(cè)內(nèi)容提出相應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，并分成多個(gè)預(yù)警級(jí)別。

(4)構(gòu)建配套預(yù)警響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)預(yù)警，保障工作應(yīng)做到精確、及時(shí)、有序。

4 應(yīng)用案例及應(yīng)用效果

4.1 應(yīng)用情況

2017年3月啟動(dòng)隧道監(jiān)控量測(cè)工作。在京張高鐵新八達(dá)嶺隧道布設(shè)14個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，并對(duì)數(shù)據(jù)作了大量分析工作。監(jiān)測(cè)儀器布置見(jiàn)圖5，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)布置

圖6 京張高鐵新八達(dá)嶺隧道典型斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.2 應(yīng)用效果及評(píng)價(jià)

圍巖及結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)為保證安全施工做出了巨大貢獻(xiàn)，全面的覆蓋了隧道建設(shè)需要把握的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)段，由單一的洞周收斂監(jiān)測(cè)擴(kuò)展為多角度的圍巖及結(jié)構(gòu)的變形及受力監(jiān)測(cè)，做到了數(shù)據(jù)及時(shí)采集、分析、反饋、預(yù)警。對(duì)于預(yù)警斷面不僅可以及時(shí)采取針對(duì)性措施，而且可以向設(shè)計(jì)反饋，對(duì)設(shè)計(jì)做出調(diào)整和優(yōu)化。

對(duì)隧道加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)可以及時(shí)了解圍巖內(nèi)部變形情況以及洞周收斂情況，同時(shí)可以掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，通過(guò)多角度，多方面的監(jiān)控量測(cè)，可以保證圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)量工作的真實(shí)性以及及時(shí)性。當(dāng)某一監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，不僅可以迅速做出反應(yīng)，及時(shí)消除安全隱患，同時(shí)依據(jù)其他數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以對(duì)此數(shù)據(jù)異常作出評(píng)價(jià)，判斷是否會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，是否需要對(duì)其他襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。多角度全方位的圍巖及結(jié)構(gòu)智能監(jiān)測(cè)，大大提升了隧道風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和處理能力，為安全施工提供保障，降低了事故發(fā)生幾率。應(yīng)用結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的效果：

(1)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站張家口端大跨段結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)成果顯示，大跨段變形很小，32 m的大跨段Ⅴ級(jí)圍巖的拱頂沉降僅為19 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變形預(yù)測(cè)值，表明大跨段支護(hù)結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。北京端優(yōu)化錨索56束，節(jié)約材料成本10余萬(wàn)元。

(2)優(yōu)化了錨索的施工工藝

根據(jù)前期的錨索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，錨索的實(shí)際監(jiān)測(cè)拉力逐漸衰減并小于設(shè)計(jì)值，因此對(duì)錨索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。在錨索鋼絞線的錨固段增加了錨固節(jié)，提高鋼絞線與注漿體之間的握裹力；采用分段注漿工藝，首先對(duì)孔口段2 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿，待固結(jié)后再對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行高壓注漿，提高注漿體與圍巖之間的黏聚力；漿液采用硫鋁酸鹽快凝水泥，使注漿體在2 h內(nèi)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，實(shí)現(xiàn)錨索的快速施工，節(jié)約錨索工期約60 d。

5 結(jié)論

結(jié)合人工智能技術(shù)的隧道圍巖及結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以監(jiān)測(cè)圍巖變形、壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并進(jìn)行自動(dòng)化采集、實(shí)時(shí)傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的可視化實(shí)時(shí)顯示與預(yù)警。該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保了復(fù)雜圍巖條件下長(zhǎng)、大隧道及隧道群的施工期和運(yùn)營(yíng)期安全，并將準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和預(yù)警性與隧道施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了隧道施工的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，并為隧道安全運(yùn)營(yíng)提供支撐。

隧道圍巖及結(jié)構(gòu)安全智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在京張高鐵的成功應(yīng)用，提高了我國(guó)隧道安全建設(shè)的技術(shù)水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。今后，該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在以下方面進(jìn)行改善。

(1)應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速儲(chǔ)存、查詢和數(shù)據(jù)分析。通過(guò)對(duì)比已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)、預(yù)警。

(2)與BIM技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的三維可視化程度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端直觀展示圍巖及結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)。

(3)繼續(xù)提高人工智能技術(shù)的應(yīng)用水平，根據(jù)圍巖及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)智能化處理平臺(tái)給出處理建議，為現(xiàn)場(chǎng)提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。