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。