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        自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)在月光巖隧道中的應(yīng)用

        2021-01-06 12:31:08黃軍榮魯光銀白冬鑫
        黑龍江交通科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:測點(diǎn)預(yù)警斷面

        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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410083)

        0 引 言

        隨著“一帶一路”政策的大力實(shí)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(shí)也帶來了挑戰(zhàn),因?yàn)樗淼雷陨硎且粋€(gè)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(jì)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(xiǎn)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(xiàng)目中占比最高的事故類型,比例高達(dá)43%。張軍偉統(tǒng)計(jì)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??梢钥闯?,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(shí)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(chǔ)與處理方面,多由人工記錄,然后輸入EXCEL軟件進(jìn)行存儲(chǔ)及成圖處理,一旦數(shù)據(jù)量增大,查詢及存儲(chǔ)難度也會(huì)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(gè)重要手段就是建立自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái),彌補(bǔ)傳統(tǒng)量測手段的不足,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)地對隧道進(jìn)行量測,并實(shí)時(shí)地對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理,按照規(guī)范要求及工程實(shí)際對量測數(shù)據(jù)做風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,按等級(jí)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(jì),做到監(jiān)控量測與施工設(shè)計(jì)相互指導(dǎo)、相互驗(yàn)證。本文結(jié)合自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)在龍瑯高速月光巖隧道的應(yīng)用情況對隧道自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(hào)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(diǎn)段位于田沖村北偏西的山坡坡腰處,接長肖村大橋,終點(diǎn)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(jí)、IV級(jí)、V級(jí)圍巖組成,其中III級(jí)圍巖占比34.8%,IV級(jí)圍巖占比37.3%,V級(jí)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(shí)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(xiǎn)。

        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(shí),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(dòng)化監(jiān)測設(shè)計(jì)

        2.1 平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

        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(dòng)化監(jiān)測儀器的破壞。為了解決這一問題,本平臺(tái)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(dòng)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(dòng)終端及全站儀;在二襯施作后,改為使用全自動(dòng)方案,量測設(shè)備包括全自動(dòng)激光掃描儀及網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備。自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)的整體工作流程見圖1。

        圖1 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警工作流程

        2.2 自動(dòng)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(shí)際及經(jīng)濟(jì)成本,決定采用半自動(dòng)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(dòng)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(jì)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(diǎn)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行審核,確認(rèn)測點(diǎn)未受到破壞、數(shù)據(jù)無誤后,可直接上報(bào)上級(jí)部門,迅速對險(xiǎn)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(shí)時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)啟動(dòng),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(diǎn)布置信息)由手機(jī)端直接進(jìn)行設(shè)置,可根據(jù)圍巖級(jí)別進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)的調(diào)整,圖2是手機(jī)端半自動(dòng)量測V級(jí)圍巖的測點(diǎn)布置圖。

        圖2 半自動(dòng)量測V級(jí)圍 圖3 手機(jī)量測時(shí)的巖測點(diǎn)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(dòng)化效果更好的監(jiān)測設(shè)備。本系統(tǒng)選用全自動(dòng)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(dòng)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(dòng)映射后存儲(chǔ)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,而后對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理及成圖。一旦數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí),服務(wù)器自動(dòng)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(diǎn)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(jì)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(jí)告警級(jí)別,具體的等級(jí)設(shè)置見表1。

        表1 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)告警級(jí)別

        其中B為隧道跨度,U1B=65%Uo,U2B=90%Uo。

        3 預(yù)警實(shí)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(jí)圍巖,根據(jù)五級(jí)圍巖的測點(diǎn)布置要求,布置了三個(gè)拱頂點(diǎn),兩條收斂線,具體的測點(diǎn)布置與圖2相同。其中測點(diǎn)01點(diǎn)與03點(diǎn)不僅作為拱頂點(diǎn)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(hào)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(shí),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(diǎn)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(dòng)將量測數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器,自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)對數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行處理,繪制累計(jì)變化值曲線如圖5所示。平臺(tái)檢測到累計(jì)變形量已達(dá)到紅色預(yù)警級(jí)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(diǎn)累計(jì)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(huì)議,最后根據(jù)實(shí)際工況及施工進(jìn)度選擇采用臨時(shí)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(diǎn),利用監(jiān)測平臺(tái)繼續(xù)對該測點(diǎn)進(jìn)行量測,平臺(tái)顯示該測點(diǎn)累計(jì)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(xiǎn)情得以解除。

        圖6 ZK12+451(重新布設(shè)后)拱頂點(diǎn)累計(jì)變化量曲線圖

        4 結(jié) 論

        (1)將自動(dòng)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(shí)際的同時(shí)節(jié)省了人力物力成本,保證了量測數(shù)據(jù)的及時(shí)有效。

        (2)自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理、自動(dòng)成圖、自動(dòng)預(yù)警,可按不同的預(yù)警級(jí)別實(shí)現(xiàn)多級(jí)告警。

        (3)自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)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。

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