和振海， 孫印國， 羅忠榮， 姜成業(yè)

(1.云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司， 云南 普洱 665000； 2.中鐵開發(fā)投資集團有限公司， 昆明 650500；3.中國科學院 武漢巖土力學研究所， 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 4.中國科學院大學，北京 100083)

隨著中國高速公路的發(fā)展，許多公路要在崇山峻嶺中穿過，連拱隧道成為此地形區(qū)域的首選方案[1]。連拱隧道的中墻是其重要的組成部分和承重結構，隧道中墻又分為整體式中墻和復合式中墻，其中復合式中墻較整體式中墻有較好的防排水系統(tǒng)，兩洞相對獨立等優(yōu)點在國內外得到廣泛的應用[2]。在連拱隧道施工安全監(jiān)測方面，李五紅[3]根據(jù)工程實際結合數(shù)值模擬計算分析出拱頂最大沉降量為20 mm，在開挖后30～40 d后，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。周丁恒等[4]研究各階段施工中墻應力分布特征得出兩洞上臺階開挖引起的支護體系應力分布變化大，對于大斷面大跨度連拱隧道，應早做二次襯砌結構。何桂珍等[5]提出相對于傳統(tǒng)的收斂變形的監(jiān)測方法，地面激光掃描技術極大地提高

工作效率，具有更好的準確性。楊果林等[6]依托實際工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測分析得出，復合式曲中墻連拱隧道的中墻荷載主要由主洞的上臺階開挖產生，其中強度不是中墻設計的控制因數(shù)，中墻最不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在主洞的非對稱開挖階段。付志鵬等[7]結合工程實際得出，V類圍巖平均下沉量較Ⅳ類圍巖大，且達到穩(wěn)定階段的時間也較長，隧道圍巖初期變形與時間基本呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)收斂模型，具有較好的可觀測性。邱軍領等[8]根據(jù)黃土連拱隧道工程監(jiān)測分析，中墻基底壓力兩邊大中間小，呈“馬鞍形”分布，基底壓力比中導洞頂部接觸壓力大；中墻鋼筋計軸力向底部增大，中墻受力上部較下部敏感。李納[9]通過研究越江公路隧道的沉降與收斂變形得出；接地處下沉較為明顯，越接近地面，下沉量越大；盾構段隧道累計沉降表現(xiàn)為整體上抬；盾構段收斂變形整體較小，尤其是豎向距離變化，橫徑變化方向為橫徑變長。瞿永等[10]得出：應變監(jiān)測是中隔墻監(jiān)測中的重點；中隔墻澆筑20 d左右，中導洞的圍巖應力釋放達到穩(wěn)定，中隔墻主要受到豎向的應力；對于中隔墻的穩(wěn)定性和安全性的考慮，最不利工況出現(xiàn)在非對稱開挖的時候。于建新等[11]通過現(xiàn)場監(jiān)測分析了公路隧道上穿既有供水隧道時，既有供水隧洞襯砌混凝土的表面應變與斷面收斂情況。李明等[12]提出了小波降噪和最小二乘法結合進行監(jiān)測數(shù)據(jù)預測的方法，此方法預測的結果準確可靠。潘家升等[13]依托實際工程，建立數(shù)值模擬，再結合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，來進行對隧道圍巖的分析。周丁恒等[14]通過監(jiān)測大跨度大斷面連拱隧道的支護體系，從而通過監(jiān)測的結果來調整施工方法。邱長林等[15]通過現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗得出，對于整體式中隔墻連拱隧道，上臺階開挖對頂部位移和中隔墻應力的影響大于下臺階開挖產生的影響。

上述文獻對隧道中墻和變形的監(jiān)測均采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法得到監(jiān)測結果，而通過智能監(jiān)測隧道變形的工程實例較為少見。本文以云南某高速公路實際工程為背景，通過智能監(jiān)測系統(tǒng)對隧道變形能力進行實時監(jiān)測及分析，相關監(jiān)測數(shù)據(jù)可指導隧道的施工與支護，并且可以及時地預防工程災害的發(fā)生。以期為此類監(jiān)測技術及隧道變形提供借鑒。

1 工程背景

依托高速公路全長246.37 km，項目按全封閉、全立交高速公路標準建設，雙向四車道，設計速度為80 km/h，路基寬度為25.5 m。其中選取路兩個隧道斷面進行測試，測試面樁號為1號隧道ZK212+890、YK212+905和2號隧道ZK216+120。隧道圍巖以碎石土、粉砂巖、石英砂巖為主，呈強-中風化，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈碎石狀體結構；巖體富水性較強，隧道開挖時可能存在較大量的滴水、滲水等現(xiàn)象。巖體自穩(wěn)能力差，開挖時不及時支護或支護(處理)不當易產生較大規(guī)模的坍塌，側壁穩(wěn)定性較差。連拱隧道進口如圖1所示。

隧道支護采用新奧法原理，采取復合式襯砌設計。初次襯砌系統(tǒng)包括錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土，二次襯砌采用鋼筋混凝土結構，支護結構參數(shù)見表1和表2。

表1 Ⅳ級圍巖復合式襯砌結構參數(shù)

表2 Ⅴ級圍巖復合式襯砌結構參數(shù)

連拱隧道施工按先行洞及后行洞進行施工組織，后行洞在先行洞二次襯砌完成不小于30 m并達到設計強度后再開挖，先行洞二次襯砌超前后行洞不小于30 m。Ⅳ級圍巖段先行洞采用臺階開挖，后行洞采用留核心土臺階開挖，Ⅳ級圍巖段落應采用控制爆破開挖掘進，后行洞開挖對先行洞二襯的爆破震動速度控制標準值應小于15 cm/s。左、右幅先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不得小于40 m。左、右洞中、下臺階兩側開挖宜錯開，錯開長度為5～10 m。Ⅴ級圍巖段先行洞和后行洞采用留核心土臺階開挖，Ⅴ級圍巖采用機械配合爆破施工，要求和Ⅳ級圍巖一致。

2 監(jiān)測方案

為構建高速公路連拱隧道在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，全程對復合式中墻連拱隧道單洞法施工過程中隧道變形進行現(xiàn)場觀測，對監(jiān)測結果進行分析與總結規(guī)律。根據(jù)項目要求，在1號隧道ZK212+890、YK212+905斷面和2號隧道ZK216+120斷面，拱頂沉降和水平收斂采用自動化監(jiān)測方法。每個監(jiān)測斷面布置隧道RSM-LES激光位移傳感器2支(圖2)。3個斷面處預埋RSM-LES激光位移傳感器，共計6支，并連接MCU數(shù)據(jù)自動采集箱和 LoRa 無線電臺遠程無線通信終端，實現(xiàn)遠程控制，如圖3所示。系統(tǒng)構建完畢后可長時間實時采集相關數(shù)據(jù)，現(xiàn)場無須人員值守操作，在任何地方只要上網(wǎng)登錄自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，或采用安卓系統(tǒng)手機安裝自動化MCU采集App，即可隨時查看、了解并更新監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。

圖2 隧道拱頂沉降、水平收斂監(jiān)測

圖3 數(shù)據(jù)采集與遠程監(jiān)控相關設備

RSM-LES激光位移傳感器是新一代的測距設備，專為工業(yè)測量市場設計。具極高的測試精度和穩(wěn)定性，通過發(fā)射激光束至目標物體，利用反射光束精確計算距離，可在不加反射靶的情況下，也可達到很遠的檢測距離，如加上反射板測量距離最長可達500 m，精度最高達1 mm。此位移傳感器可以24 h在線連續(xù)監(jiān)測，在無人值守的狀態(tài)下亦可得到連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

MCU采集儀功能強大，穩(wěn)定耐用，現(xiàn)場連接操

作簡單；自動化程度高，實現(xiàn)無人值守，斷電情況下能夠自動恢復采集的功能，同時提供實時人工控制功能；儀器精度高、可靠性好等優(yōu)點。

自動化監(jiān)測設備實際工作分為兩個部分：一個是洞內測站(監(jiān)測斷面)數(shù)據(jù)自動采集且由LoRa無線電臺接收信號；另一個是廊道口(洞口)發(fā)射信號且由無線通信終端傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)碼式多通道采集儀得到的數(shù)據(jù)實時上傳到智能數(shù)據(jù)云平臺，真正實現(xiàn)多個傳感器24 h連續(xù)數(shù)據(jù)采集上傳，足不出戶就可以看到現(xiàn)場每個傳感器的數(shù)據(jù)圖表結果。

數(shù)據(jù)云平臺采用阿里云平臺，數(shù)據(jù)云平臺不僅可以采集現(xiàn)場所布設的傳感器，并進行匯總、分析以及展示，并且平臺有自動上傳和手動上傳兩種方式，可以兼容上傳人工觀測的數(shù)據(jù)。同時可在監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生超限變化時對監(jiān)測人員以及業(yè)主進行預警。不僅如此，業(yè)主也可在需要的時候登陸平臺自行查閱本項目的相關資料，實時數(shù)據(jù)。在線智能監(jiān)測總體組織流程如圖4所示，系統(tǒng)平臺界面如圖5所示。

圖4 在線監(jiān)測總體組織流程

圖5 系統(tǒng)平臺界面

3 監(jiān)測結果分析

水平收斂和拱頂沉降是對隧道的圍巖變形最直觀的表現(xiàn)，在實際工程中具有重要的意義。結合高速公路1號隧道ZK212+890斷面、YK212+905斷面和2號隧道ZK216+120斷面的現(xiàn)場監(jiān)測結果，得到隧道水平收斂值和拱頂沉降與時間的變化曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 1號隧道YK212+890拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測結果

圖7 1號隧道YK212+905拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測結果

圖8 2號隧道ZK216+120拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測結果

1號隧道ZK212+890斷面監(jiān)測儀器埋設日期為2019年9月23日，2號隧道ZK216+120斷面監(jiān)測儀器埋設日期為2019年11月23日，1號隧道YK212+905斷面監(jiān)測儀器埋設日期為2020年3月 3日。

結合監(jiān)測結果分析，3個監(jiān)測斷面上，拱頂沉降和水平收斂的值均隨著時間的推移而逐漸變大。1號隧道ZK212+890斷面拱頂沉降最大值 15.55 mm，水平收斂最大值15.19 mm；1號隧道YK212+905斷面拱頂沉降最大值16.42 mm，水平收斂最大值14.33 mm；2號隧道ZK216+120斷面拱頂沉降最大值14.5 mm，水平收斂最大值15.3 mm。

1號隧道ZK212+890斷面和2號隧道ZK216+120斷面的水平收斂值比拱頂沉降值較大，但相差不明顯。而1號隧道YK212+905斷面的拱頂沉降值明顯比水平收斂值大。

3個監(jiān)測斷面，在監(jiān)測的時間段內沉降和收斂的最大值相差較小，約在1～2 mm。由各監(jiān)測斷面結果可以看出，各斷面的拱頂沉降和水平收斂的變化趨勢基本一致，可分為以下3個發(fā)展階段：

1)階段1：在開始監(jiān)測的后的2～3 d時間內，各斷面的水平收斂值和拱頂沉降值變化相對較大。相鄰兩個監(jiān)測時間段的監(jiān)測差值波動較大，變化值要大于2 mm。

2)階段2：在監(jiān)測的3～8 d內，各監(jiān)測斷面的拱頂沉降和水平收斂值減小。相鄰的兩個監(jiān)測時間段的監(jiān)測差值呈穩(wěn)定的下降，變化值穩(wěn)定在1～2 mm。

3)階段3：在開始監(jiān)測一周以后沉降值和收斂值變化無明顯改變，控制在1.0 mm以內，隧道的拱頂沉降和水平收斂隨著時間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結論

依托云南高速公路連拱隧道，對典型斷面的拱頂沉降和水平收斂采用RSM-LES激光位移傳感器進行現(xiàn)場監(jiān)測，得到以下結論：

1)通過構建隧道施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以對一些人員無法長期開展監(jiān)測的隧道斷面實現(xiàn)24 h無人監(jiān)測，通過遠程傳送數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集的實時性和準確性，同時并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能預警，現(xiàn)場實施效果良好。

2)隧道拱頂沉降值和水平收斂值隨著時間的推移其變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出：急劇變化-緩慢變化-趨于平穩(wěn)3個階段，保證了隧道的施工安全。

3)隧道各監(jiān)測斷面的拱頂沉降值和水平收斂值相差較小，隨著時間推移，拱頂沉降和水平收斂的值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，復合式中墻連拱隧道結構設計合理，施工方案可行，具有一定推廣性。