黃軍榮，魯光銀，白冬鑫，李 濤，董 潔

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引 言

隨著“一帶一路”政策的大力實施，我國的基礎(chǔ)建設(shè)得到大力推進(jìn)，高速公路的里程在快速增加，隧道作為公路的重要組成部分也得到了快速發(fā)展，總里程每年新增達(dá)1 500 km以上。隧道數(shù)量和長度的加大給隧道發(fā)展帶來機(jī)遇的同時也帶來了挑戰(zhàn)，因為隧道自身是一個地質(zhì)條件復(fù)雜、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不明朗的灰色系統(tǒng)，很難在隧道施工設(shè)計階段，就通過現(xiàn)有地質(zhì)勘查手段對隧道內(nèi)不良地質(zhì)體等可能造成施工危險的因素一一排查，易發(fā)生無法預(yù)知的工程地質(zhì)災(zāi)害。李皓燃搜集2002年～2016年期間246起隧道施工案例，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道事故發(fā)生總數(shù)逐年增加，其中坍塌是施工項目中占比最高的事故類型，比例高達(dá)43%。張軍偉統(tǒng)計了2006年～2016年間發(fā)生的49起隧道施工事故，共造成208人死亡，47人受傷。可以看出，隨著隧道建設(shè)數(shù)量和規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道建設(shè)過程中各類工程事故頻繁發(fā)生，如果不能很好地做好預(yù)警工作，就容易造成重大經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。

目前，我國使用最廣泛的隧道施工方法是二十世紀(jì)六十年代自國外引入的“新奧法”，“新奧法”的四大基本準(zhǔn)則之一就是“勤量測”，主張通過監(jiān)測手段反映隧道圍巖與支護(hù)的受力變形情況，據(jù)此判斷圍巖穩(wěn)定性，進(jìn)而指導(dǎo)施工、保證施工安全，盡可能地減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隧道預(yù)警離不開對隧道的及時量測，因而可以認(rèn)為隧道預(yù)警技術(shù)的發(fā)展依賴于隧道量測技術(shù)的發(fā)展。

受隧道施工環(huán)境的影響，隧道的量測工作多由人工完成，存在數(shù)據(jù)采集頻率低、人員工作量大、易產(chǎn)生人為誤差等不足。在數(shù)據(jù)存儲與處理方面，多由人工記錄，然后輸入EXCEL軟件進(jìn)行存儲及成圖處理，一旦數(shù)據(jù)量增大，查詢及存儲難度也會快速增大，數(shù)據(jù)的安全和有效性都得不到保障。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展的背景下，隧道信息化施工的理念也逐漸深入人心。隧道信息化施工的一個重要手段就是建立自動化監(jiān)測預(yù)警平臺，彌補(bǔ)傳統(tǒng)量測手段的不足，可實現(xiàn)自動實時地對隧道進(jìn)行量測，并實時地對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理，按照規(guī)范要求及工程實際對量測數(shù)據(jù)做風(fēng)險識別，按等級向隧道各部門發(fā)出預(yù)警，最大程度地發(fā)揮隧道施工、量測、管理等部門的效用，有效結(jié)合施工與設(shè)計，做到監(jiān)控量測與施工設(shè)計相互指導(dǎo)、相互驗證。本文結(jié)合自動化監(jiān)測預(yù)警平臺在龍瑯高速月光巖隧道的應(yīng)用情況對隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

月光巖隧道位于安平鎮(zhèn)田沖村與巖下村之間，屬于越嶺隧道，由左右分離的兩座隧道組成。左線隧道里程號由ZK12+331～ZK13+000，全長669 m，屬于中長隧道，最大埋深108.89 m；右線由K12+329～K12+900，全長671 m，最大埋深100.39 m。勘察場地地貌類型屬于丘陵地貌，為山嶺重丘區(qū)。隧道起點段位于田沖村北偏西的山坡坡腰處，接長肖村大橋，終點段位于梨子坳村東北山坡坡腰處。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，勘察區(qū)內(nèi)地層為第四系殘坡積層及二疊系下統(tǒng)棲霞組。左右線隧道主要由III級、IV級、V級圍巖組成，其中III級圍巖占比34.8%，IV級圍巖占比37.3%，V級圍巖占比27.9%。月光巖隧址區(qū)受區(qū)域構(gòu)造影響發(fā)育兩條斷層，與路線走向大角度相交，隧道區(qū)構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，對隧道影響較大。斷層帶內(nèi)巖溶發(fā)育明顯，主要表現(xiàn)為巖溶漏斗，帶內(nèi)發(fā)育溶溝、溶洞、溶槽與地下暗河，地下水水量豐富，水位較高，屬于高壓富水帶。開挖時很有可能出現(xiàn)滲水、突水、涌泥等現(xiàn)象，對隧道施工存在較大風(fēng)險。

該隧道穿越一帶狀山體，總體上中間高，兩側(cè)低，局部緩坡帶，該段地勢相對低洼，兩側(cè)山坡上匯集的坡面水流較大，在雨季來臨時，地表水量較大。隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙潛水與巖溶水。

2 自動化監(jiān)測設(shè)計

2.1 平臺的總體設(shè)計

隧道施工過程中，隧道掌子面的爆破、隧道掌子面附近的混凝土噴射、施工車輛的頻繁來往等行為極易造成隧道自動化監(jiān)測儀器的破壞。為了解決這一問題，本平臺以二襯施作為分界分別選擇兩種監(jiān)測方案。在二襯施作前初支施作后，采用半自動方式對隧道斷面進(jìn)行監(jiān)控量測，量測設(shè)備主要包括移動終端及全站儀；在二襯施作后，改為使用全自動方案，量測設(shè)備包括全自動激光掃描儀及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。自動化監(jiān)測預(yù)警平臺的整體工作流程見圖1。

圖1 自動化監(jiān)測預(yù)警工作流程

2.2 自動化監(jiān)測方案

(1)二襯施作前監(jiān)測方案

二襯施作前，掌子面附近易受爆破、噴射混凝土等施工因素影響，考慮到工程實際及經(jīng)濟(jì)成本，決定采用半自動量測方案，即通過手機(jī)端量測軟件向藍(lán)牙全站儀發(fā)送測量指令及數(shù)據(jù)返回指令(本系統(tǒng)采用的是Leica TS30全站儀，配合徠卡Geocom協(xié)議對全站儀進(jìn)行控制)，再由手機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理并成圖。全站儀響應(yīng)后，量測人員可以立刻查看到量測值、累計變化量、單詞變化量，一旦數(shù)據(jù)異常，量測人員可在檢查測點后對數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，確認(rèn)測點未受到破壞、數(shù)據(jù)無誤后，可直接上報上級部門，迅速對險情作出反應(yīng)。

服務(wù)器端及手機(jī)端都安裝有各自的數(shù)據(jù)庫，均可以實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、查詢及成圖操作。手機(jī)端可對服務(wù)器數(shù)據(jù)庫進(jìn)行緩存操作，以防止隧道內(nèi)出現(xiàn)無網(wǎng)絡(luò)情況，在網(wǎng)絡(luò)條件恢復(fù)后可實現(xiàn)自動同步功能。再由服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，一旦數(shù)據(jù)異常，預(yù)警服務(wù)自動啟動，服務(wù)器立刻下發(fā)告警信息至施工單位、管理單位、量測單位等部門。

斷面信息(包括測點布置信息)由手機(jī)端直接進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)圍巖級別進(jìn)行測點數(shù)的調(diào)整，圖2是手機(jī)端半自動量測V級圍巖的測點布置圖。

圖2 半自動量測V級圍 圖3 手機(jī)量測時的巖測點布置圖 預(yù)警提示

(2)二襯施作后的監(jiān)測方案

二襯施作后，隧道環(huán)境相對較好，監(jiān)測設(shè)備不易受到損壞，可以布設(shè)自動化效果更好的監(jiān)測設(shè)備。本系統(tǒng)選用全自動激光掃描儀搭配綜合數(shù)據(jù)采集儀的方式對待測斷面進(jìn)行分角度掃描，掃描頻率及掃描角度均可通過現(xiàn)場及遠(yuǎn)程進(jìn)行設(shè)置，掃描過程如圖4所示。

圖4 全自動掃描儀掃描過程圖

斷面數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(WLAN、網(wǎng)線、蜂窩數(shù)據(jù)等)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動映射后存儲至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，而后對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理及成圖。一旦數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，服務(wù)器自動觸發(fā)告警服務(wù)，立刻向各部門發(fā)出異常斷面信息及異常測點數(shù)據(jù)。

(3)預(yù)警指標(biāo)

參照《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程(QCR9218-2015)》位移控制基準(zhǔn)及《公路隧道設(shè)計細(xì)則(JTG-T+D70-2010)》位移控制基準(zhǔn)，本系統(tǒng)根據(jù)極限相對位移值Uo設(shè)立3級告警級別，具體的等級設(shè)置見表1。

表1 自動化監(jiān)測預(yù)警平臺告警級別

其中B為隧道跨度，U1B=65%Uo，U2B=90%Uo。

3 預(yù)警實例

月光巖隧道出口左洞ZK12+451斷面距左線出口120 m，所處圍巖為V級圍巖，根據(jù)五級圍巖的測點布置要求，布置了三個拱頂點，兩條收斂線，具體的測點布置與圖2相同。其中測點01點與03點不僅作為拱頂點記錄沉降值，還作為周邊收斂線記錄水平變化值。

斷面ZK12+451斷面自2018年6月14日創(chuàng)建后，在6月18號前上下午各進(jìn)行一次斷面量測，而后每天進(jìn)行一次斷面量測。6月23日上午進(jìn)行正常量測時，手機(jī)端直接對監(jiān)測人員預(yù)警提示，預(yù)警界面如圖3所示?，F(xiàn)場量測人員在確定測點未受破壞，數(shù)據(jù)測量無誤后，直接通過手機(jī)端對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，手機(jī)自動將量測數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，自動化監(jiān)測預(yù)警平臺對數(shù)據(jù)自動進(jìn)行處理，繪制累計變化值曲線如圖5所示。平臺檢測到累計變形量已達(dá)到紅色預(yù)警級別，觸發(fā)告警程序，施工單位、管理單位、監(jiān)理單位等相關(guān)單位均收到短信通知。

圖5 ZK12+451拱頂點累計變化量曲線圖

各單位針對隧道可能失穩(wěn)的原因及應(yīng)對措施召開了緊急會議，最后根據(jù)實際工況及施工進(jìn)度選擇采用臨時增設(shè)仰拱配合超前導(dǎo)管支護(hù)的加固措施。加固后，量測單位重新布設(shè)了該斷面測點，利用監(jiān)測平臺繼續(xù)對該測點進(jìn)行量測，平臺顯示該測點累計變形量變化較小，具體見圖6。從圖中可以看出，該隧道斷面已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，險情得以解除。

圖6 ZK12+451(重新布設(shè)后)拱頂點累計變化量曲線圖

4 結(jié) 論

(1)將自動化監(jiān)測方案分為二襯施作前監(jiān)測方案和二襯施作后監(jiān)測方案，貼合工程實際的同時節(jié)省了人力物力成本，保證了量測數(shù)據(jù)的及時有效。

(2)自動化監(jiān)測預(yù)警平臺可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理、自動成圖、自動預(yù)警，可按不同的預(yù)警級別實現(xiàn)多級告警。

(3)自動化監(jiān)測預(yù)警平臺可迅速完成對施工方、監(jiān)測方、隧道管理層等多方的告警，充分發(fā)揮各部門綜合處理的優(yōu)勢，有效避免大型事故的發(fā)生，為正常施工保駕護(hù)航，將隧道事故可能帶來的損失降到最低。