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        “多層次、可視化”預(yù)警體系在隧道施工中的應(yīng)用研究

        2022-07-12 08:39:58洪祥水蔣佳將
        交通世界 2022年13期
        關(guān)鍵詞:報警裝置報警器限位

        洪祥水,蔣佳將

        (浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司,浙江 杭州 310051)

        0 引言

        隧道工程屬于高風(fēng)險工程建設(shè)領(lǐng)域,具有高度多維不確定性,這些不確定性進(jìn)而會影響隧道工程建設(shè)的各個環(huán)節(jié)[1-2]?;谒淼拦こ碳夹g(shù)特點,如工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、取得精確數(shù)據(jù)困難等,其設(shè)計必須考慮多種容易發(fā)生變化的因素,包括關(guān)系繁雜的、數(shù)據(jù)繁多的、很難精確定量的工程地質(zhì)因素、自然氣象因素、施工因素等。其施工的實際工況也存在很大的變化性和高風(fēng)險性,必須從中找出最可靠、最經(jīng)濟(jì)的解決方案[3-5]。

        臨金高速第TJ04標(biāo)仰天洞隧道隧址區(qū)圍巖以炭質(zhì)泥巖為主,巖體破碎、飽水易軟化。隧道ZK58+250—ZK58+200 段在持續(xù)降雨天氣施工時,上臺階掌子面核心土和拱頂出現(xiàn)局部垮塌,ZK58+225 斷面拱頂最大累計沉降50cm,隧道出現(xiàn)下沉導(dǎo)致上臺階初支侵限。需要鑿除侵限的支護(hù)和圍巖,恢復(fù)原設(shè)計斷面,但鑿除的施工過程風(fēng)險極大,若處理不當(dāng)可能會引起塌方,甚至將隧道完全堵塞,極易造成施工人員傷亡和毀壞施工設(shè)備、增加工程成本、延誤工期[6]。本文結(jié)合仰天洞隧道出口左洞斷面恢復(fù)工程,開展塌方預(yù)警方法研究,開發(fā)了“多層次、可視化”預(yù)警體系,旨在直接服務(wù)于現(xiàn)場信息化施工,做到險情預(yù)警可視化、無延遲。

        1 “多層次、可視化”預(yù)警體系設(shè)計

        1.1 設(shè)計原則

        (1)安全保障和預(yù)警體系所需信息要便于采集和收集,設(shè)備應(yīng)便于現(xiàn)場安裝,數(shù)據(jù)要方便讀取。

        (2)安全保障和預(yù)警體系、預(yù)警過程應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù),提高預(yù)警的靈敏度,做到數(shù)據(jù)傳輸無延遲。

        (3)安全保障和預(yù)警體系應(yīng)盡量減少外部環(huán)境對預(yù)警效果的影響,盡量采用穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu),保證隧道預(yù)警的穩(wěn)定性。

        1.2 總體結(jié)構(gòu)

        “多層次、可視化”預(yù)警體系由3部分組成,如圖1所示。

        圖1 “多層次、可視化”預(yù)警體系構(gòu)成

        (1)隧道信息化監(jiān)測:在隧道內(nèi)布置監(jiān)測斷面,全程監(jiān)測圍巖拱部沉降和斷面收斂。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過專用軟件上傳到網(wǎng)絡(luò),手機(jī)App 可實時查看,當(dāng)監(jiān)控項目累計變形超過預(yù)警值時,手機(jī)App應(yīng)自動報警。

        (2)一種能夠失穩(wěn)報警的隧道斷面恢復(fù)施工支撐結(jié)構(gòu):斷面恢復(fù)施工前設(shè)置工字鋼桿件臨時支撐隧道拱部圍巖,在桿件底部安裝一種能夠?qū)簵U失穩(wěn)進(jìn)行報警的裝置。

        (3)隧道頂板安裝一種直觀監(jiān)測隧道圍巖頂部沉降的裝置:斷面恢復(fù)施工前在頂板安裝該裝置,實時觀測隧道拱頂下沉情況。

        1.2 工作原理

        1.2.1 隧道信息化監(jiān)測工作原理

        采用C#編程語言,結(jié)合Mysql 的數(shù)據(jù)存儲功能,對隧道施工監(jiān)測預(yù)警進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析以及大變形警情分析時,由C#語言從Mysql 數(shù)據(jù)庫中讀取所需內(nèi)容至內(nèi)存,調(diào)用由C#編寫的算法進(jìn)行計算,接著C#將計算結(jié)果保存至Mysql 數(shù)據(jù)庫中,然后通過C#與Mysql 的交互過程將分析結(jié)果反饋到手機(jī)App 上,供用戶查看。其運行原理如圖2所示。

        圖2 隧道監(jiān)測分析預(yù)警運行原理

        1.2.2 支撐桿失穩(wěn)報警裝置工作原理

        在已經(jīng)侵限的上臺階鋼架下方,架設(shè)工字鋼桿件臨時支撐隧道拱部圍巖,在桿件底部安裝報警裝置,桿件壓力達(dá)到失穩(wěn)臨界荷載(考慮了安全系數(shù))時即報警。報警裝置結(jié)構(gòu)見圖3 和圖4,包括:報警器(4)、壓力傳感器(5)、底座(6)、固定釘(7)。工字鋼支撐(1)的底端壓在壓力傳感器(5)上,壓力傳感器(5)放在底座(6)內(nèi),底座(6)利用固定釘(7)嵌入臨時仰拱(3)中;報警器(4)與壓力傳感器(5)相連接。通過理論計算獲得工字鋼(1)受壓失穩(wěn)時的臨界荷載,考慮安全系數(shù)后將其設(shè)置為壓力閾值,通過壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓閾值,并將電壓閾值設(shè)定為激發(fā)報警器的報警閾值。當(dāng)壓力荷載達(dá)到設(shè)定的壓力閾值時,報警器(4)發(fā)出警報,并亮紅光;反之,則表示工字鋼壓桿工作正常。

        圖3 支撐體系平面圖

        圖4 裝置結(jié)構(gòu)剖面圖

        1.2.3 直觀監(jiān)測拱部沉降的監(jiān)測裝置工作原理

        直觀監(jiān)測隧道圍巖頂部沉降的監(jiān)測裝置包括:(1)錨爪、(2)位移連接線、(3)附著在頂部的鐵爪、(4)孔口管、(5)環(huán)形觸片、(6)報警尺、(7)觸點、(8)限位扣、(9)導(dǎo)線、(10)報警器、(11)鉆孔、(12)限位螺絲、(13)限位管,如圖6~圖9所示。

        圖6 裝置結(jié)構(gòu)平面圖

        圖7 報警器結(jié)構(gòu)圖

        圖8 結(jié)構(gòu)安裝圖

        圖9 限位扣結(jié)構(gòu)圖

        2 “多層次、可視化”預(yù)警體系的現(xiàn)場應(yīng)用

        2.1 布設(shè)監(jiān)測點

        制定安全技術(shù)交底書,對施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底。檢查上部山體排水系統(tǒng),確保排水良好,無水坑無積水。雨天要加強(qiáng)山體排水觀測。根據(jù)仰天洞隧道施工進(jìn)度情況及時布設(shè)監(jiān)測斷面,設(shè)置洞內(nèi)外22個觀察斷面,3 個地表下沉觀測斷面,27 個拱頂下沉及周邊位移監(jiān)測斷面,見圖10~圖11。

        圖10 周邊位移測線布置圖

        圖11 拱頂下沉測線布置圖

        2.2 安裝可視化預(yù)警裝置

        上臺階仰拱中線位置每3m 設(shè)置一種用于隧道斷面恢復(fù)施工支撐桿失穩(wěn)的報警裝置壓力傳感器放在底座內(nèi),型鋼支撐的底端壓在壓力傳感器上,底座利用固定釘嵌入臨時仰拱中;報警器與壓力傳感器相連接,布置于臨時仰拱上,起到預(yù)警作用,見圖12。

        圖12 失穩(wěn)報警裝置現(xiàn)場安裝圖

        侵限范圍內(nèi)拱頂安裝一種用于監(jiān)測隧道頂部下沉的報警裝置,縱向間距為3m。先在隧道鋼拱架頂部鉆一個深孔,然后利用安裝桿將其頂入深孔的深部,適當(dāng)拉伸位移連接線,位移連接線從孔口管的中孔穿過,將孔口管放入深孔孔口,通過鐵爪卡住深孔孔壁,孔口管與隧道表面平齊。將位移連接線從報警尺的中孔穿過,將報警尺的0 刻度線與環(huán)形觸片對齊,對齊之后將限位扣在位移連接線上移至與報警尺接觸,擰緊限位扣鎖緊位移連接線。觸點布置于報警尺黃色段和紅色段的分界處,見圖13。

        圖13 位移直觀監(jiān)測裝置現(xiàn)場圖

        3 “多層次、可視化”預(yù)警體系應(yīng)用效果評價

        臨金高速第TJ04 標(biāo)仰天洞隧道左洞ZK58+250—ZK58+200 侵限段治理過程中,應(yīng)用了“多層次、可視化”預(yù)警體系。工程自2020 年10 月28 日開始,至2020 年12 月20 日結(jié)束,成功恢復(fù)了隧道設(shè)計斷面,未發(fā)生任何安全事故。由此可知,“多層次、可視化”預(yù)警體系可以有效減少隧道施工的安全隱患,保證施工安全。

        4 結(jié)論

        (1)“多層次、可視化”預(yù)警體系的應(yīng)用實現(xiàn)了隧道施工監(jiān)測預(yù)警可視化、無延遲,為隧道施工提供有力的安全保障。

        (2)壓桿失穩(wěn)報警裝置和隧道拱部沉降監(jiān)測裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)和操作、安全可靠、成本低的特點,可在隧道工程施工中廣泛應(yīng)用。

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