曾春濤

(保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣州 510620)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)交通出行的需求越來(lái)越大，隧道工程的建設(shè)項(xiàng)目也越來(lái)越多，面臨的挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。如川藏鐵路等一系列大規(guī)模隧道群的涌現(xiàn)，使得隧道工程面臨著許多新的挑戰(zhàn)[1-3]。受勘察技術(shù)經(jīng)濟(jì)的影響，在隧道工程的建設(shè)之中會(huì)出現(xiàn)塌方等事故，對(duì)隧道施工人員的生命安全和企業(yè)效益造成難以估量的危害。預(yù)防塌方事故的發(fā)生，對(duì)于保障施工人員的生命安全有著極其重要的意義。楊紅麗和邱國(guó)俊[4-5]等通過(guò)施工管理對(duì)隧道建設(shè)過(guò)程中的防坍塌措施進(jìn)行探討。汪君君[6]等針對(duì)隧道淺埋段坍塌的預(yù)防技術(shù)進(jìn)行了分析和探討。熊燕[7]等在技術(shù)交底、施工要點(diǎn)、安全教育、管理措施等方面討論預(yù)防坍塌的技術(shù)措施。寧紹吉[8]針對(duì)大斷面軟巖隧道，結(jié)合隧道的地質(zhì)情況，對(duì)其變形控制技術(shù)、塌方預(yù)防措施和突水突泥的處理進(jìn)行了探索?？梢钥闯觯絾?wèn)題已經(jīng)成為制約隧道施工進(jìn)度的重要因素。針對(duì)炭質(zhì)泥巖軟巖大變形問(wèn)題，研究如何有效及時(shí)地監(jiān)測(cè)已支護(hù)段落的穩(wěn)定性，預(yù)防隧道發(fā)生坍塌，確保施工安全，成了一個(gè)迫切的問(wèn)題。

本文依托梅大高速公路梅州東環(huán)支線項(xiàng)目其古頂隧道，在施工過(guò)程中應(yīng)用防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了異常，有效預(yù)防了坍塌安全事故的發(fā)生，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

其古頂隧道設(shè)計(jì)為分離式(洞口小凈距)隧道(圖1)，左線起訖樁號(hào)L1K9+368～L1K11+519，長(zhǎng)2 151m，Ⅳ級(jí)圍巖1 040m，V級(jí)圍巖1 077m；右線起訖樁號(hào)K9+364～K11+528，長(zhǎng)2 164m，Ⅳ級(jí)圍巖904m，V級(jí)圍巖1 224m。設(shè)計(jì)Ⅴ級(jí)圍巖比例為55%，與隧道工程相關(guān)的斷裂構(gòu)造為Fm4及Fm7斷層，小斷層f2及f4。

圖1 其古頂隧道平面

其古頂隧道自2017年9月開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，遭遇廣東省罕有的炭質(zhì)泥巖軟大變形問(wèn)題，施工難度較大。隧道在完成初期支護(hù)后，仍然有較大的沉降，初支支護(hù)出現(xiàn)了環(huán)向開(kāi)裂、縱向鼓包、噴射混凝土網(wǎng)狀開(kāi)裂、混凝土剝落、圍巖坍塌失穩(wěn)及初支侵入二襯限界等大變形災(zāi)害(圖2～圖4)。監(jiān)控量測(cè)沉降最大達(dá)274mm/d(2018年5月16日，左洞L1K9+575斷面)，累計(jì)沉降最大達(dá)1 100mm(右洞K11+474斷面)，施工過(guò)程中多段發(fā)生侵限，其中2018年出口右洞換拱率接近80%。

圖2 初支侵限換拱

圖3 初支混凝土環(huán)向開(kāi)裂

圖4 拱架鼓包變形

圖5 其古頂隧道支護(hù)段落變形情況

掌子面圍巖多為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，軟弱滑層較多，層間結(jié)合較差，圍巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力較差，開(kāi)挖受擾動(dòng)后拱頂易發(fā)生掉塊和小塌方(圖6～圖7)。

圖6 滑塌體將拱架砸壞

圖7 掌子面經(jīng)常發(fā)生小塌方

2 開(kāi)挖過(guò)程中揭露炭質(zhì)泥巖特性分析

根據(jù)開(kāi)挖揭露圍巖，其古頂隧道洞口段圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，由巖粉、壓碎的巖石碎屑、碎片等組成，呈薄片狀，有大量密集的節(jié)理，圍巖內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ較低。具有膨脹性，開(kāi)挖后易風(fēng)化，風(fēng)化后很快就分解為鱗片狀或粉末狀，遇水軟化、崩解，呈泥糊狀。

圖8 全風(fēng)化炭質(zhì)泥巖風(fēng)化后成粉末狀

圖9 局部構(gòu)造作用存在擠壓小褶皺

其古頂隧道洞身圍巖主要為強(qiáng)-中風(fēng)化炭質(zhì)泥巖組成，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，常見(jiàn)扭曲小褶皺，巖體較破碎，巖層間多為光滑鏡面層理，巖體的抗剪強(qiáng)度低，對(duì)爆破振動(dòng)影響很敏感。對(duì)于有地下滲水段，由于層間多夾雜軟弱風(fēng)化層，被水浸泡后，圍巖整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性受到影響，經(jīng)常出現(xiàn)異常沉降的問(wèn)題。炭質(zhì)泥巖具有以下特點(diǎn)：

(1)強(qiáng)度低，裂隙層理密集發(fā)育。

(2)抗剪強(qiáng)度低。由于巖粉石屑存在，其以炭質(zhì)滑膜的形式存在于層理之間，致使層理之間摩擦系數(shù)很小，幾乎為零，極易滑移。

(3)易軟化，在水的浸潤(rùn)下，極易軟化，經(jīng)常變成泥糊狀。

(4)易崩解，碎后的形狀均為鱗片狀或粉末狀。

(5)炭質(zhì)泥巖的各向異性和炭質(zhì)滑膜的綜合因素，使圍巖的變形具有強(qiáng)烈的非對(duì)稱性。炭質(zhì)泥巖的塑性變形范圍較大，導(dǎo)致隧道周邊形成松散破碎區(qū)、塑性變形區(qū)。

3 工程應(yīng)用背景

隧道施工素有“怕軟不怕硬”之說(shuō)，隧道工程軟巖大變形問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)仍是一個(gè)較難的工程問(wèn)題。目前，專門(mén)針對(duì)炭質(zhì)泥巖隧道和地下工程的研究較少，實(shí)踐上和理論上均存在著一定的不足，炭質(zhì)泥巖軟巖大變形的施工方法仍處于不斷探索的一個(gè)過(guò)程。由于隧道圍巖屬于不均質(zhì)體，在不同區(qū)域位置，圍巖差異性較大，施工后沉降亦有區(qū)別。雖然研究者們?cè)诟髯缘难芯款I(lǐng)域分別進(jìn)行了大變形的研究，提出了不同的解決方法，但仍然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)施工方法，完全限制炭質(zhì)泥巖的變形。在其古頂隧道施工過(guò)程中，針對(duì)炭質(zhì)泥巖大變形問(wèn)題，盡管采取了很多措施，但變形依然沒(méi)有完全得到有效抑制，支護(hù)完成后，變形依舊存在。

針對(duì)炭質(zhì)泥巖軟巖大變形的問(wèn)題，須研究如何有效及時(shí)地監(jiān)測(cè)已支護(hù)段落的穩(wěn)定性，預(yù)防隧道發(fā)生坍塌，以確保施工安全。

4 隧道施工防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

針對(duì)其古頂隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在施工過(guò)程中結(jié)合防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，及時(shí)跟蹤了解圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的指導(dǎo)，使其古頂隧道每一步的施工更加安全、科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理。通過(guò)實(shí)時(shí)的初支變形監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工工序、步驟，能為定性判斷隧道初支的穩(wěn)定性提供客觀科學(xué)的依據(jù)。防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)具有造價(jià)相對(duì)低廉、不易損壞、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)。

4.1 技術(shù)原理

防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，主要通過(guò)布設(shè)于隧道初支面上的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其古頂隧道軟弱炭質(zhì)泥巖初支位移變化的情況。當(dāng)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形時(shí)，傳感器會(huì)感應(yīng)到結(jié)構(gòu)變形的信息，假如變化值超過(guò)設(shè)置的預(yù)警值，即可發(fā)送短信或通過(guò)APP反饋至現(xiàn)場(chǎng)管理人員，并將預(yù)警信息傳送至隧道洞內(nèi)，通過(guò)安裝在作業(yè)臺(tái)車上的報(bào)警喇叭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員發(fā)出警告，接到信息后作業(yè)人員及時(shí)撤離。

圖10 防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)工作原理

圖11 防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)工作過(guò)程

4.2 工程應(yīng)用

根據(jù)其古頂隧道初支變形及掌子面超前鉆探情況，隧道出口右洞K11+460～K11+410長(zhǎng)度范圍的隧道圍巖基本為全-強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，鉆探揭露隧道結(jié)構(gòu)附近巖芯軟塑，潮濕，地質(zhì)條件差，存在施工生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，因此選擇該段實(shí)施防塌方預(yù)警，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)長(zhǎng)度50m。在隧道掌子面后方的初支處，沿隧道軸向按10m間距在洞周布設(shè)預(yù)警監(jiān)測(cè)斷面。

4.2.1 隧道無(wú)線預(yù)警傳感器及無(wú)線發(fā)射裝置

將傳感器豎向安裝在初期支護(hù)的工字鋼表面，每個(gè)斷面安裝3個(gè)傳感器，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A位于拱頂、面向掌子面左右兩側(cè)拱腰分別對(duì)應(yīng)B、C監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖12 傳感器布置

圖13 傳感器實(shí)物及安裝

在隧道內(nèi)合適的位置，安裝無(wú)線中繼器，通過(guò)無(wú)線中繼器傳輸埋設(shè)在初支內(nèi)傳感器的變形信息。中繼器沿隧道縱向每180m安裝1臺(tái)。

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的聯(lián)網(wǎng)及多終端的傳輸，在隧道口安裝1臺(tái)無(wú)線監(jiān)測(cè)基站，將變形數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)終端。

圖14 防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

4.2.2 隧道無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警

當(dāng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，任意一傳感器滿足以下條件之一時(shí)，即表示所測(cè)段的隧道發(fā)生了變形，發(fā)出初步預(yù)警。

(1)傳感器讀數(shù)>1.5倍精度值。

(2)傳感器加速度值a連續(xù)1h大于0。

(3)結(jié)合隧道變形情況，監(jiān)測(cè)頻率可適時(shí)調(diào)整，隧道變形時(shí)可加密至1次/(30s)。

(4)有異常變形時(shí)及時(shí)提交預(yù)警報(bào)告。

4.2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

2018年8月16日下午隧址區(qū)突降暴雨，當(dāng)日晚19：00，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示其古頂隧道出口右洞K11+475段斷面沉降量突變，其中A點(diǎn)沉降81.4mm、B點(diǎn)沉降100.3mm、C點(diǎn)沉降113.6mm，監(jiān)測(cè)軟件向參建各方發(fā)出預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)暫停施工。

現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)其古頂隧道右洞K11+475、K11+480.4附近初支面出現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫寬度約5～8mm；K11+480.4初支面混凝土有明顯的層狀剝落。經(jīng)地表踏勘之后發(fā)現(xiàn)，地表處有1～2cm的縱環(huán)向裂縫。

暫停施工后，連續(xù)數(shù)日的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示該斷面沉降仍未穩(wěn)定，有塌方失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。隧道無(wú)線監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警告，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

5 效果分析

5.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)應(yīng)用隧道防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，只需要將監(jiān)測(cè)傳感器安裝在初期支護(hù)的工字鋼拱架上，通過(guò)信號(hào)發(fā)射器發(fā)送到中轉(zhuǎn)接收器中，實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”傳輸。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，避免了因?yàn)槔|線損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)失效的問(wèn)題。

(2)隧道防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)專門(mén)的解譯程序，將初期支護(hù)變形的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的數(shù)據(jù)及直觀的預(yù)警聲音，減少了數(shù)據(jù)處理及分析的時(shí)間，及時(shí)將信息反饋至現(xiàn)場(chǎng)。

(3)能夠多終端接收預(yù)警信息，直接將初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的信息反饋給現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)人員，及時(shí)預(yù)警，避免冒險(xiǎn)作業(yè)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

(4)解決了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段中遇到的容易被損壞、監(jiān)測(cè)儀器復(fù)雜、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難以便利傳輸、信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)、信號(hào)不穩(wěn)定等難題。

5.2 安全優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的隧道初支變形數(shù)據(jù)需要測(cè)量人員用全站儀測(cè)得原始數(shù)據(jù)，再進(jìn)行整理、對(duì)比分析后才能得出結(jié)果，因此傳統(tǒng)的人工定期監(jiān)測(cè)措施不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、更不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)塌方等一些突發(fā)變形情況，且測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定的人為誤差。防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)提高了其古頂隧道軟弱炭質(zhì)泥巖初支大變形的監(jiān)測(cè)效率，及時(shí)、準(zhǔn)確掌握隧道初支實(shí)際的穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)可能發(fā)生的塌方進(jìn)行預(yù)警，對(duì)隧道初支變形的實(shí)時(shí)掌控和提升隧道施工的安全性具有重要作用。

6 結(jié)語(yǔ)

其古頂隧道在施工過(guò)程中，遭遇了我省罕見(jiàn)的炭質(zhì)泥巖軟大變形問(wèn)題，炭質(zhì)泥巖軟巖大變形在國(guó)內(nèi)仍屬于一個(gè)技術(shù)難題。經(jīng)過(guò)不斷探索和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，順利完成了四個(gè)洞口的淺埋偏壓段施工以及洞身段斷層破碎帶施工。其古頂隧道施工應(yīng)用隧道防坍塌智能無(wú)線監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了異常，有效預(yù)防了坍塌安全事故的發(fā)生，可為同類工程提供一定的參考。