段興明 冉 華 魏 通 謝家林

（1.云南交投公路建設(shè)第一工程有限公司，云南昆明 650034；2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引言

豎井施工監(jiān)控量測是豎井施工管理的重要組成部分，它不僅監(jiān)測各施工階段圍巖動(dòng)態(tài)，確保施工安全，而且通過現(xiàn)場監(jiān)測獲得圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)，為修正初期支護(hù)參數(shù)、確定二次襯砌施作時(shí)間提供信息依據(jù)，還能為隧道豎井工程設(shè)計(jì)與施工積累資料，為今后的設(shè)計(jì)和施工提供類比依據(jù)。

由于豎井的豎直結(jié)構(gòu)和施工場地限制，監(jiān)控量測人員只能在掌子面附近工作，無法到達(dá)離掌子面較遠(yuǎn)的斷面，而在掌子面附近的工作平臺(tái)上，也無法使用常規(guī)的監(jiān)控量測技術(shù)，如水準(zhǔn)儀、全站儀等，導(dǎo)致豎井施工監(jiān)控量測成為一個(gè)難題。

水平隧道施工監(jiān)控量測的研究成果較多。馮陳楷[1]依托京臺(tái)建甌至閩侯高速公路寧德市境 A2 合同段中平隧道工程，對施工過程進(jìn)行監(jiān)控量測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了圍巖的穩(wěn)定性。秦朝輝[2]對某高速公路隧道施工工程進(jìn)行監(jiān)控量測，分析了支護(hù)效果。劉熙媛等[3]對公路隧道施工監(jiān)控量測方法進(jìn)行對比研究，研究表明人工輔助瞄準(zhǔn)多測回三維坐標(biāo)量測是較好的方法。劉春等[4]在隧道施工中研究了三維激光全斷面掃描的監(jiān)測方法，取得了一定效果。牛帥斌[5]結(jié)合大斷面軟巖隧道施工監(jiān)測實(shí)踐，通過施工監(jiān)測分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。吳乃龍[6]通過對運(yùn)營期隧道監(jiān)控量測，處理相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到隧道結(jié)構(gòu)的變化形態(tài)。和振海等[7]依托某高速公路隧道，建立隧道施工智能監(jiān)測系統(tǒng)，采集拱頂沉降和水平收斂數(shù)據(jù)，分析了隧道變形特點(diǎn)。

針對豎井施工監(jiān)控量測的研究成果相對較少。田正[8]對秦嶺公路隧道2 號(hào)豎井中隔板監(jiān)控量測，分析了中隔板的穩(wěn)定性。朱江偉等[9]對某地鐵隧道豎井開挖及支護(hù)過程監(jiān)控量測，分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)。黃珂等[10]對某市政管道越江隧道豎井施工過程監(jiān)控量測，分析了地表沉降。

公路隧道通風(fēng)豎井一般為大直徑深豎井，受豎直結(jié)構(gòu)和施工空間的限制，常規(guī)的監(jiān)控量測技術(shù)可操作性差，一直以來成為豎井施工監(jiān)測的難題。為解決這一難題，依托云南墨臨高速公路泰和隧道豎井工程，對豎井施工自動(dòng)化監(jiān)測方法開展了研究。通過實(shí)施泰和隧道豎井施工自動(dòng)化監(jiān)測方案，得到了泰和隧道豎井施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)反映了各施工階段圍巖動(dòng)態(tài)。本文的豎井自動(dòng)化監(jiān)控量測方案可以給類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

泰和隧道左幅和右幅正常運(yùn)營工況采用全射流縱向通風(fēng)方式，消防排煙工況采用豎井分段排煙方式，于隧道右線K203+408 兩幅隧道正中間設(shè)置一座排煙豎井，設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓直徑5.0 m，設(shè)計(jì)深度279.55 m。豎井施工吊桶如圖1 所示。

圖1 豎井施工吊桶

根據(jù)地勘報(bào)告，豎井圍巖分為Ⅴ1、Ⅳ3、Ⅳ2 三個(gè)級別。豎井深0～20 m 段為Ⅴ1 級圍巖，圍巖以粉質(zhì)黏土、粉砂巖、泥巖為主；豎井深20～50 m 段為Ⅳ3 級圍巖，圍巖以粉砂巖、泥巖為主；豎井深50～279.55 m 段為Ⅳ2 級圍巖，圍巖以泥巖、粉砂巖為主。

豎井井身段采用鉆機(jī)反井正向擴(kuò)挖法施工，先用天井鉆機(jī)在井位中心自上而下鉆導(dǎo)向孔，直達(dá)聯(lián)絡(luò)通道頂，待井下聯(lián)絡(luò)通道與豎井貫通后，在隧道中拆除鉆頭換成擴(kuò)孔刀頭，由下而上，反向擴(kuò)挖形成直徑1.4 m 的出渣孔，最后再用鉆爆法從上往下擴(kuò)挖到設(shè)計(jì)尺寸。

2 豎井自動(dòng)化監(jiān)測方法研究

隧道常規(guī)的監(jiān)控量測使用水準(zhǔn)儀、全站儀，由于隧道豎井結(jié)構(gòu)和施工空間限制，常規(guī)監(jiān)測手段可操作性差，需要采用自動(dòng)化監(jiān)控量測技術(shù)。自動(dòng)化監(jiān)控量測技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：受施工干擾小，同一斷面只需安裝一次；安裝成功后，人員可不需再次下井，在井上便可完成監(jiān)測工作。

2.1 自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備及原理

監(jiān)控量測采用的測試元件為振弦式傳感器，振弦式傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備簡單，性能可靠；（2）數(shù)據(jù)穩(wěn)定，受溫度、電磁干擾影響??；（3）可預(yù)埋，也可表面安裝；（4）適合施工監(jiān)測等長期觀測。振弦式傳感器是以拉緊的金屬弦作為敏感元件的諧振式傳感器。當(dāng)弦的長度確定之后，其固有振動(dòng)頻率的變化量即可表征弦所受拉力的大小。通過相應(yīng)的測量電路，就可得到與拉力成一定關(guān)系的電信號(hào)，其振動(dòng)頻率按式（1）計(jì)算：

式中：f為震動(dòng)頻率；L為振弦的長度；σ為振弦截面上的拉應(yīng)力；ρ振弦材料的密度。

豎井井壁位移和圍巖壓力是判斷圍巖是否安全穩(wěn)定的重要依據(jù)。地下水會(huì)軟化圍巖，降低圍巖的強(qiáng)度，引起圍巖的變形破壞。因此，有必要對井壁位移、圍巖壓力和滲水壓力進(jìn)行監(jiān)測。圍巖壓力的測量采用TGH 型振弦式土壓力盒（見圖2），豎井井壁位移采用WYGH-Ⅱ型頂板位移計(jì)測量（見圖3），滲水壓力通過SYGJ 型振弦式滲壓計(jì)監(jiān)測（見圖4）。上述儀器的主要技術(shù)參數(shù)滿足監(jiān)測要求（見表1）。

表1 振弦式傳感器主要技術(shù)參數(shù)

圖2 TGH 型振弦式土壓力盒

圖3 WYGH-Ⅱ型頂板位移計(jì)

圖4 SYGJ 型振弦式滲壓計(jì)

2.2 測點(diǎn)布置

豎井監(jiān)測斷面布置如圖5 所示。在同一個(gè)斷面上布置3 個(gè)土壓力盒、3 個(gè)位移計(jì)和1 個(gè)滲壓計(jì)，壓力盒、位移計(jì)于井壁圓周均勻設(shè)置（見圖6）。泰和隧道豎井自動(dòng)化監(jiān)控量測的項(xiàng)目、測點(diǎn)數(shù)量及測點(diǎn)布置表見表2。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)數(shù)量及測點(diǎn)布置

圖5 監(jiān)測斷面布置示意圖

圖6 斷面測點(diǎn)布置示意圖

2.3 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)簡介

數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集通過傳感器及DQ-n 多點(diǎn)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。DQ-n 多點(diǎn)采集系統(tǒng)在總結(jié)長期工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用更高性能的采集單元和更先進(jìn)的設(shè)計(jì)，整合操作靈活、功能豐富的采集軟件，提高了系統(tǒng)可靠性、安全性，適合在室外總線組網(wǎng)，集中數(shù)據(jù)，在工程施工前后長期提供豐富詳實(shí)的監(jiān)測信息。

DQ-n 多點(diǎn)采集系統(tǒng)的工作原理：DQ-8 多點(diǎn)采集器（見圖7）與振弦式傳感器連接，通過內(nèi)部電路激發(fā)接受傳感器的頻率信號(hào)，并輸送給工控機(jī)。工控機(jī)與多個(gè)串聯(lián)的DQ-8 多點(diǎn)采集器通過485 總線連接，在工控機(jī)上安裝有采集軟件，高速采集各個(gè)DQ-8 多點(diǎn)采集器的頻率信號(hào)并分析處理。

圖7 DQ-8 實(shí)物圖

DQ-n 多點(diǎn)采集系統(tǒng)由多個(gè)DQ-8 多點(diǎn)采集器、DQ 供電存儲(chǔ)單元、485 收發(fā)模塊、振弦傳感器、工控機(jī)組成。采集器和工控機(jī)采用總線拓?fù)?。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖8，DQ-n 型多點(diǎn)采集器電腦軟件界面見圖9、圖10。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 分站信息界面

圖10 數(shù)據(jù)采集界面

2.4 豎井自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

豎井自動(dòng)化監(jiān)測儀器按照以下順序進(jìn)行安裝：（1）在井口附近安裝好計(jì)算機(jī)和DQ-n 型多點(diǎn)采集器微機(jī)軟件；（2）鉆爆法開挖到設(shè)計(jì)高度后，安裝土壓力盒、位移計(jì)和滲壓計(jì)；（3）通過數(shù)據(jù)線連接傳感器和DQ-8 采集器，計(jì)算機(jī)與DQ-8，DQ-8 之間用數(shù)據(jù)線連接；（4）已建立連接的傳感器，即可在井口附近的計(jì)算機(jī)上查詢到監(jiān)測數(shù)據(jù)。豎井自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)全局見圖11。

圖11 豎井自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)全局圖

3 現(xiàn)場測點(diǎn)布置及監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場測點(diǎn)布置

由于現(xiàn)場施工與監(jiān)測儀器安裝存在相互影響，綜合考慮之后，決定將安裝儀器的時(shí)機(jī)選擇在掛好鋼筋網(wǎng)之后，噴射混凝土之前。噴射混凝土?xí)r，將儀器一起噴在初支里面。

（1）土壓力盒安裝：選擇適當(dāng)?shù)膰鷰r面，使土壓力盒緊貼圍巖壁面，緊貼后把其數(shù)據(jù)線綁在鋼筋網(wǎng)上，沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點(diǎn)采集器（見圖12）。

圖12 土壓力盒現(xiàn)場布置

（2）位移計(jì)安裝：選擇適當(dāng)?shù)膰鷰r面，水平往里面鉆孔，鉆孔深度2.1 m，直徑60 mm，成孔后將位移計(jì)安裝好，并沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點(diǎn)采集器（見圖13）。

圖13 位移計(jì)現(xiàn)場布置

（3）滲壓計(jì)安裝：選擇適當(dāng)?shù)膰鷰r面，水平往里面鉆孔，鉆孔深度30 cm，直徑60 mm，成孔后將滲壓計(jì)安裝好，并沿著環(huán)向走線至該斷面的DQ-8 多點(diǎn)采集器。

（4）DQ-8 多點(diǎn)采集器安裝：選擇合適的位置，一般是在上下兩鋼拱架連接筋與鋼筋網(wǎng)之間，用鐵絲將其固定好。豎井里有地下水，必須注意儀器的防水問題。

3.2 豎井井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

豎井施工從2020 年7 月開始，至2020 年11 月結(jié)束，自動(dòng)化監(jiān)控量測從2020 年8 月開始，本文應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集于2020 年11 月以前。目前自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)仍在運(yùn)行，所用儀器基本完好，數(shù)據(jù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)。圖14 為典型斷面（埋深210 m）的井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。

圖14 井壁位移監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

從圖14 中監(jiān)測結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

（1）隨著開挖時(shí)間的推移，周邊位移在逐漸增大，這是由于隧道硐室空間效應(yīng)，掌子面附近的圍巖變形釋放需要一定的時(shí)間。

（2）周邊位移值在開挖后30 天開始收斂，監(jiān)測到的位移變化較小，圍巖基本穩(wěn)定。

3.3 圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖15 為典型斷面（埋深210 m）的圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線。從圖中監(jiān)測結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

圖15 圍巖壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

（1）隨著開挖時(shí)間的推移，圍巖壓力在逐漸增大，這是由于隧道硐室空間效應(yīng)，掌子面附近的圍巖壓力釋放需要一定的時(shí)間。

（2）在開挖后第30 天圍巖壓力大致穩(wěn)定。

4 豎井自動(dòng)化監(jiān)測注意事項(xiàng)

受豎井結(jié)構(gòu)和施工空間限制，豎井自動(dòng)化監(jiān)測方案應(yīng)盡量縝密，具體實(shí)施時(shí)應(yīng)注意如下事項(xiàng)：

（1）由于豎井施工的特殊性，儀器安裝應(yīng)一步到位，并保證質(zhì)量；

（2）豎井里有較大的地下水，應(yīng)注意儀器防水問題；

（3）相關(guān)儀器的數(shù)據(jù)線很多，應(yīng)提前做好線路規(guī)劃，使走線盡量少。

5 結(jié)論

（1）在泰和隧道豎井工程中，通過實(shí)施豎井施工自動(dòng)化監(jiān)測方案，對井壁位移、圍巖壓力和滲水壓力實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)完整地反映了各施工階段圍巖的動(dòng)態(tài)，為豎井動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工提供了可靠依據(jù)。

（3）考慮豎井結(jié)構(gòu)和施工空間特點(diǎn)，豎井自動(dòng)化監(jiān)測方案應(yīng)盡量縝密，具體實(shí)施時(shí)應(yīng)提前做好線路規(guī)劃，儀器安裝應(yīng)一步到位，同時(shí)需做好儀器防水。