周水、羅毅、葉保權(quán)、張文勰、李玖琨

（1.云南鳳云高速公路有限公司，云南 臨滄677000；2.云南航天工程物探檢測股份有限公司，云南 昆明650000；3.云南交投集團(tuán)投資有限公司，云南 昆明650000）

0 引言

隨著隧道工程的不斷建設(shè)，“多、長、大、深”已經(jīng)成為隧道發(fā)展的總趨勢，深埋長大公路隧道工程發(fā)展前景被看好。深埋長大隧道埋深大、距離長，施工周期長、成本高，多經(jīng)過地形復(fù)雜區(qū)域、施工困難，在修建過程中將會遇到一系列地質(zhì)災(zāi)害問題。

由于云南省所處的地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜，許多隧道面臨著“三高”（即高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度）和“四活躍”（即活躍的新構(gòu)造運(yùn)動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程）等一系列工程地質(zhì)問題，其修建過程具有極大的挑戰(zhàn)性，發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險極大，且這些災(zāi)害很難被預(yù)測，這對施工安全造成巨大威脅。為此，要采取實(shí)時動態(tài)監(jiān)控測量的方式，確保能夠第一時間發(fā)現(xiàn)異常情況，采取針對性的控制措施，避免發(fā)生質(zhì)量安全事故。

1 監(jiān)控量測技術(shù)在隧道施工過程中的應(yīng)用價值

隧道施工過程中，為了避免軟巖大變形造成的塌方等災(zāi)害，根據(jù)國家規(guī)范設(shè)計要求，應(yīng)使用儀器實(shí)時監(jiān)測圍巖的位移、應(yīng)力等變化，目前常規(guī)的監(jiān)測手段包括：使用水準(zhǔn)儀及全站儀對隧道拱頂進(jìn)行沉降量測；使用收斂計對隧道周邊進(jìn)行收斂量測；使用壓力計對圍巖壓力進(jìn)行量測以及使用鋼筋應(yīng)力計進(jìn)行鋼筋應(yīng)力量測等。以上技術(shù)統(tǒng)稱為監(jiān)控量測技術(shù)，是隧道工程“動態(tài)設(shè)計”的重要依據(jù)，已經(jīng)被列入隧道工程施工規(guī)范內(nèi)，用于洞室穩(wěn)定性監(jiān)測與反饋指導(dǎo)施工。

雖然常規(guī)的監(jiān)測手段在理論狀況下操作簡單并且實(shí)用，然而隧道施工掘進(jìn)時無法避免超挖或者欠挖的現(xiàn)象，導(dǎo)致這些監(jiān)測手段就很難發(fā)揮預(yù)警作用，并且隧道常規(guī)監(jiān)測的方法通常需人工介入，會發(fā)生監(jiān)測不及時、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確和數(shù)據(jù)量匱乏等問題，由此造成隧道施工過程中塌方災(zāi)害頻發(fā)。

2 工程概況

云縣至鳳慶高速公路的安石隧道，位于鳳慶縣鳳山鎮(zhèn)安石村～勐佑鎮(zhèn)中河村，為分離式特長隧道，在建隧道呈曲線形展布，隧道總體軸線方向約278；左線隧道起訖樁號ZK38+265～ZK43+603，全長5338m，設(shè)計高程1861.745m～1812.24m，隧道最大埋深約453.11m，位于ZK40+520 處；右線隧道起訖樁號K38+330～K43+593，全長5263m，設(shè)計高程1863.147m～181.244m，隧道最大埋深約449.81m，位于K40+540處。云鳳高速公路安石隧道圍巖巖性為第四系覆蓋層，為全新統(tǒng)坡積成因（Q4dl）粉質(zhì)黏土及全新統(tǒng)殘積成因（Q4el）砂質(zhì)黏性土，下伏基巖為前半段為燕山期（γ52）侵入花崗巖，后半段為前奧陶系大田丫口組（AnOd）石英片巖。圍巖巖石有板狀構(gòu)造、片理狀構(gòu)造，說明構(gòu)造應(yīng)力使地層巖性發(fā)生了動力變質(zhì)作用，隧道圍巖中殘存的構(gòu)造應(yīng)力，在隧道開挖中，易使堅硬巖石產(chǎn)生巖爆、極軟巖產(chǎn)生塑性變形。

3 隧道施工監(jiān)控量測傳統(tǒng)模式

隧道施工監(jiān)控量測是指在隧道施工過程中使用儀表和工具，對圍巖和支護(hù)襯砌的變形、受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。目前，隧道施工監(jiān)控量測項目包括必測項和選測項兩部分：必測項包括周邊位移量測、拱頂下沉、地表位移監(jiān)測；選測項包括土壓力、應(yīng)力、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、孔隙水壓隧道土壓力、應(yīng)力、巖體位移、滲流等。

選測項主要針對變形較大的斷面，安裝土壓力盒、應(yīng)力計、滲流計等傳感器，檢測人員定期通過振弦式采集儀對傳感器進(jìn)行采集?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入計算公式進(jìn)行計算，并提供檢測報告。

傳統(tǒng)的隧道監(jiān)控量測方法操作煩瑣，監(jiān)控量測工作須在隧道施工過程中實(shí)時跟進(jìn)，測點(diǎn)布置對施工進(jìn)度有較大的影響，同時由于隧道施工中存在較多大型機(jī)械施工，混凝土中的預(yù)埋件可能被破壞，造成測量數(shù)據(jù)錯誤。本文將重點(diǎn)對自動監(jiān)控量測選測項進(jìn)行討論。

4 基于無線振弦采集儀和隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)的隧道自動監(jiān)控量測選測項實(shí)時預(yù)警解決方案

航天檢測振弦采集儀可全天候周期24 小時自動采集數(shù)據(jù)（采集頻率可遠(yuǎn)程配置），并上報隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)，支持隧道監(jiān)控量測選測項的數(shù)據(jù)監(jiān)測。監(jiān)測參數(shù)包括土壓力、應(yīng)力、圍巖內(nèi)部位移、錨桿軸力、孔隙水壓等，通過無線振弦采集儀對監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行采集，通過自組網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿淼朗┕ぐ踩A(yù)警系統(tǒng)，全面覆蓋監(jiān)測隧道斷面完整變化周期。

監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時上報隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)不同類型傳感器類型自動將采集的頻率值轉(zhuǎn)換為監(jiān)測物理量，如果上報的設(shè)備協(xié)議數(shù)據(jù)包含溫度數(shù)據(jù)可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。數(shù)據(jù)可通過Web 端或微信小程序圖形化直觀展示變化規(guī)律，也可快速查找歷史數(shù)據(jù)，總覽較長時間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)變化。隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，通過系統(tǒng)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合研判，分等級輸出預(yù)警信息，對被監(jiān)測隧道斷面變化趨勢進(jìn)行預(yù)判，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)變化過快或超出設(shè)定閾值，可通過郵件或短信推送預(yù)警信息。

4.1 監(jiān)控量測選測項目監(jiān)測內(nèi)容

第一，圍巖壓力監(jiān)測；

第二，鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測；

第三，圍巖內(nèi)部位移監(jiān)測；

第四，錨桿軸力監(jiān)測；

第五，二次襯砌混凝土應(yīng)力監(jiān)測。

4.2 監(jiān)控量測振弦設(shè)備安裝布設(shè)圖

如圖1 所示，隧道中通過無線振弦自動采集儀連接現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備（壓力計、鋼筋計、錨桿軸力計等），然后通過無線中繼自組網(wǎng)絡(luò)連接到洞外的無線網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，圖2 為安石特長隧道監(jiān)控量測選測項現(xiàn)場安裝效果圖。

圖1 監(jiān)控量測振弦設(shè)備安裝布設(shè)圖

圖2 安石隧道現(xiàn)場安裝效果圖

4.3 設(shè)備測點(diǎn)布設(shè)

此次監(jiān)控量測選測項在安石隧道不良地質(zhì)段中選取了30 個監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)8～13 個監(jiān)測傳感器，基本上覆蓋了隧道所有不良地質(zhì)段的不穩(wěn)定襯砌斷面監(jiān)控。安石隧道左幅不良地質(zhì)段集中在K39+856～K42+996 里程段，右幅不良地質(zhì)段集中在K39+808～K43+000 里程段，左右幅分別布設(shè)15 個監(jiān)測斷面，斷面位于Ⅴ級圍巖地質(zhì)段附近，斷面布點(diǎn)情況見表1。

表1 斷面布點(diǎn)情況

4.4 監(jiān)控量測振弦設(shè)備與隧道洞內(nèi)自組網(wǎng)設(shè)備

安石隧道屬于特長隧道，全程超5km，洞內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸通過自組網(wǎng)形式完成，無線振弦采集儀與洞內(nèi)多個無線中繼器的Wi-Fi 相連接，無線中繼器最后與洞外的4G 無線網(wǎng)關(guān)相連，最終通過4G 無線網(wǎng)關(guān)將無線振弦采集儀采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器的系統(tǒng)中。特長隧道洞內(nèi)自組網(wǎng)方式傳輸設(shè)備安裝方便，且可拆卸復(fù)用，為特長復(fù)雜隧道施工洞內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信提供了可靠服務(wù)。此次安石隧道監(jiān)控量測選測項監(jiān)測中，通過無線振弦采集儀采集設(shè)備包含：長沙金碼的土壓力盒、錨桿軸力計、鋼筋計，基康的表面式應(yīng)變計、鋼弦式單點(diǎn)位移計。所有設(shè)備通過無線振弦采集儀按10 分鐘每次的采樣評率自動采集，數(shù)據(jù)24 小時自動采集上傳到云端服務(wù)器。

4.5 隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)

如圖3 所示，通過洞內(nèi)自組網(wǎng)將監(jiān)控量測選測項數(shù)據(jù)上報到隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警分析，超出閾值會通知業(yè)主和施工方。

圖3 數(shù)據(jù)與軟件集成流程圖

隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)中,可以查詢監(jiān)控量測選測項的布設(shè)斷面、斷面監(jiān)測布點(diǎn)圖等，結(jié)合隧道圍巖級別，綜合進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)警，如圖4 所示。

圖4 安石隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)

在隧道不良地質(zhì)段中選取穩(wěn)定性較差斷面，安裝土壓力盒、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計，將測量數(shù)據(jù)換算成相應(yīng)的接觸壓力，應(yīng)力大小在隧道施工安全云系統(tǒng)進(jìn)行展示，觀測壓力、應(yīng)力及應(yīng)變隨時間變化情況。應(yīng)變應(yīng)力可以利用插值算法展現(xiàn)受力熱力場圖，位移變化趨勢可以通過多項式擬合進(jìn)行趨勢分析。

4.6 移動端查詢監(jiān)控量測數(shù)據(jù)

依托微信平臺，用戶可通過微信一鍵登錄，通過圖文方式、表格、手機(jī)地圖、進(jìn)度狀態(tài)多種方式跟蹤隧道施工進(jìn)程，發(fā)生預(yù)警時第一時間推送到移動端。通過隧道施工安全監(jiān)測APP，可以實(shí)時查詢隧道的監(jiān)控量測選測項數(shù)據(jù)，隨時掌握隧道襯砌監(jiān)測變形和受力情 況，如圖5 所 示。

圖5 安石隧道施工安全預(yù)警APP 系統(tǒng)監(jiān)控量測選測項展示

5 結(jié)語

綜上所述，經(jīng)過實(shí)踐得出，云南航天工程物探檢測股份有限公司“基于無線振弦采集儀和隧道施工安全預(yù)警系統(tǒng)的隧道自動監(jiān)控量測選測項實(shí)時預(yù)警解決方案”被成功應(yīng)用于云南云鳳高速安石特長隧道工程施工監(jiān)測預(yù)警過程中，保障了隧道施工過程的安全，在未來發(fā)展中，將繼續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，切實(shí)發(fā)揮監(jiān)控量測技術(shù)的潛在價值，以期在未來隧道施工安全預(yù)警中得到越來越廣泛的應(yīng)用。