信息化技術(shù)在深凍結(jié)井施工中的應(yīng)用

齊善忠，付春梅

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 開封 475004）

0 引言

信息化施工是將施工中的各種數(shù)據(jù)，特別是與施工安全有關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，以保障施工安全的施工方式。 在信息化施工中，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)接近或超過規(guī)范要求時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，提醒施工人員采取有效技術(shù)措施，預(yù)防重大事故發(fā)生。

隨著凍結(jié)法施工深度和難度的增大，以及工程地質(zhì)條件的復(fù)雜，以前的施工經(jīng)驗(yàn)和理論相對(duì)來說已非常不足。 尤其是對(duì)于在沖積層厚度超過500 m的地區(qū)，用凍結(jié)法對(duì)煤礦豎井進(jìn)行施工，存在著更多未知的困難和問題。 這是因?yàn)閮鼋Y(jié)壓力的大小是隨開挖的深度、地層性質(zhì)及凍結(jié)狀態(tài)的不同而各異的，而且目前對(duì)深凍土力學(xué)的研究較少，還無法計(jì)算出深層與淺層凍土之間的差異，也無法從理論上來指導(dǎo)施工。 因此，特厚沖擊層和復(fù)雜條件下采用信息化施工是非常重要的。

1 信息化施工概況

1.1 信息化施工在我國(guó)的應(yīng)用情況

我國(guó)的信息化施工最早始于20 世紀(jì)80 年代初，當(dāng)時(shí)在深圳地區(qū)的第一個(gè)深基坑工程中率先采用了信息化施工，并從工程實(shí)踐證實(shí)了信息化施工的優(yōu)越性[2]。 在信息化施工應(yīng)用于深基坑的同時(shí)，地下結(jié)構(gòu)中的其他一些領(lǐng)域也逐漸意識(shí)到信息化施工的重要性，逐步應(yīng)用其成果，而且也都收到了較好的效果，例如：在地下隧洞工程中，可利用信息化施工檢測(cè)到的隧洞變形量，分析隧洞的受力和變形等；在軟土地基中，可利用信息化施工對(duì)軟基及其上部建筑物進(jìn)行檢測(cè)[3]。 但是，信息化施工在深凍結(jié)井中應(yīng)用卻很少，主要原因是：（1）在過去的凍結(jié)工程中，工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)埋深較淺，而且地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，黏土含量不多，可預(yù)見因素較多，憑借經(jīng)驗(yàn)就可以解決大部分的突發(fā)問題，即使不能解決，一般也不會(huì)產(chǎn)生大的事故。 （2）深凍結(jié)工程一般很難靠近檢測(cè)，需用到遠(yuǎn)程檢測(cè)技術(shù)或無線檢測(cè)技術(shù)，而這方面的測(cè)試儀器很少，且價(jià)格昂貴。 另外，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)或無線檢測(cè)的技術(shù)人員也缺乏。

對(duì)于深凍結(jié)井中的信息化施工，國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較成功的單位是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)和安徽理工大學(xué)。 其中，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電話撥號(hào)遠(yuǎn)距離測(cè)量和通過internet 網(wǎng)遙測(cè)， 并且指導(dǎo)了國(guó)內(nèi)沖擊層最深(567m)的龍固副井的施工，達(dá)到了對(duì)井壁進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。 同時(shí)，也提出了許多好的建議，如，何時(shí)套壁，何時(shí)縮小段高等，真正實(shí)現(xiàn)了通過信息化來指導(dǎo)施工的目的。

1.2 信息化施工的基本原理

信息化施工的基本原理是：在施工過程中，以控制質(zhì)量為目標(biāo)，通過對(duì)大量工程檢測(cè)信息的分類、分析與處理，提取施工參數(shù)等影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通過最有效、最短的途徑不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，指導(dǎo)施工全過程。 同時(shí)，依據(jù)前一步的施工監(jiān)測(cè)信息及施工參數(shù)的變化規(guī)律，推斷施工工況及其對(duì)施工質(zhì)量的影響和應(yīng)采取的控制方式。 該過程貫穿于整個(gè)施工過程，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程[1]。

1.3 信息化施工的特點(diǎn)

信息化施工主要有4 個(gè)特點(diǎn)：（1）安全可靠，并且可以節(jié)約建筑成本。 （2）先進(jìn)合理，符合現(xiàn)代化施工的基本理念。 （3）可以使設(shè)計(jì)者更放心大膽地設(shè)計(jì)。 （4）為一些未知的、不確定的領(lǐng)域提供了一個(gè)很好的方法， 從而為施工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)和保障。

1.4 信息化施工應(yīng)用于凍結(jié)工程的作用

為了施工的安全，我國(guó)目前在沖積層超過400 m的深凍結(jié)井中，或軟土中對(duì)變形要求嚴(yán)格的深基坑均采用了信息化施工方式，如：龍固煤礦副井井筒(沖積層567m),丁集煤礦主井、副井和風(fēng)井井筒(沖積層528 m)，趙樓煤礦主井井筒（沖積層473 m），深圳地鐵一期工程4A 標(biāo)段豎井工程等。 信息化施工應(yīng)用在深凍結(jié)工程中可以起到如下一些作用：（1） 可以為加強(qiáng)設(shè)計(jì)單位、掘砌施工單位和凍結(jié)施工單位之間的配合提供定量依據(jù)。 （2）能達(dá)到既保證掘進(jìn)工作面的凍結(jié)壁和井壁的強(qiáng)度與穩(wěn)定性， 又不浪費(fèi)冷量的目的，從而可提高工程施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性，提高施工的速度。

2 信息化施工在龍固煤礦副井中的應(yīng)用

2.1 工程概況

龍固煤礦位于山東省巨野縣境內(nèi)，隸屬于新汶礦業(yè)集團(tuán)。 龍固副井由山東濟(jì)南煤礦設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)，井筒設(shè)計(jì)凈直徑7.0 m，井筒全深877.8 m，其中沖積層厚567.7 m，沖積層段及基巖上部含水層段采用凍結(jié)法施工[4]。 龍固副井井筒是目前國(guó)內(nèi)施工難度最大、設(shè)計(jì)最復(fù)雜的礦井，其特點(diǎn)為：（1）表土層最厚（567.7 m），凍結(jié)深度最深（650 m）。 （2）黏土層層多而厚。 單巨厚黏土層就有4 層，最厚一層黏土層厚達(dá)79.5 m。（3）使用的鋼筋直徑最大（Φ32）。（4）混凝土標(biāo)號(hào)最高 （C70）。 （5） 開挖前凍結(jié)時(shí)間最長(zhǎng)（160d）[3]。 （4）龍固副井信息化監(jiān)測(cè)層位也是國(guó)內(nèi)最多的，共埋設(shè)傳感器7 層。

2.2 監(jiān)測(cè)方法[4]

為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性，監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)采用精度高、抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的振弦式傳感元件作為一次儀表，二次儀表應(yīng)選用國(guó)外進(jìn)口的data Taker。 鋼筋的受力采用鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)。 混凝土應(yīng)變采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)，凍結(jié)壓力采用壓力盒監(jiān)測(cè)。 井壁和凍結(jié)壁溫度采用熱電耦串進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 各測(cè)量元件埋設(shè)如圖1 所示。 并建立高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖2 所示。

2.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和目的

監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括溫度、土壓力、井壁的內(nèi)力和變形。（1）溫度的監(jiān)測(cè)。包括凍結(jié)壁內(nèi)溫度和井壁內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)。 通過凍結(jié)壁內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)，可以明確凍結(jié)壁的凍結(jié)和融化的時(shí)間規(guī)律，給外壁的受力分析提供依據(jù)。 通過井壁內(nèi)溫度的監(jiān)測(cè)，可以明確混凝土的養(yǎng)護(hù)環(huán)境， 定性的分析其強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律。（2）土壓力監(jiān)測(cè)（即凍土側(cè)壓力的監(jiān)測(cè)）。 通過此項(xiàng)的監(jiān)測(cè)， 可以直接測(cè)出混凝土井壁所受外力的大小。通過長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以找出井壁側(cè)壓的變化規(guī)律，為井壁混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)控制、井壁配筋、井壁厚度設(shè)計(jì)，以及合理的施工工藝提供可靠依據(jù)。 （3）井壁的內(nèi)力和變形監(jiān)測(cè)。 包括鋼筋的環(huán)向、豎向、徑向的受力監(jiān)測(cè)，以及混凝土應(yīng)變的監(jiān)測(cè)。通過此項(xiàng)的監(jiān)測(cè)， 可以直接得出鋼筋的受力及混凝土應(yīng)變數(shù)值，為信息化施工提供了最為直接的數(shù)據(jù)。

圖1 信息化測(cè)量元件埋設(shè)照片F(xiàn)ig.1 Informatization measurement element burying photos

圖2 信息化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Informatization supervision system network structure

以上3 個(gè)方面的監(jiān)測(cè)均需要在監(jiān)測(cè)層位埋設(shè)傳感器。 考慮到井下工作環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于二次儀表、測(cè)試元件的防水要求較高，走線和監(jiān)測(cè)路線的保護(hù)難度較大，而且一旦損壞很難檢修，或無法檢修。所以，應(yīng)選擇盡可能優(yōu)化的方式進(jìn)行井壁的監(jiān)測(cè)。對(duì)于沒有監(jiān)測(cè)的井壁，可以通過已經(jīng)監(jiān)測(cè)井壁的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，推算其安全性。 在這里，經(jīng)驗(yàn)就顯得尤為重要。

2.4 檢測(cè)結(jié)果對(duì)工程的指導(dǎo)作用

在井壁施工到大約400 m 深時(shí)，通過檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在大約380 m 處的混凝土應(yīng)變發(fā)生了突變(突然減小)，按照推理，此處的混凝土應(yīng)該是發(fā)生了開裂。 最后這一推理得到了證實(shí)，并采取了補(bǔ)救措施，更改了施工方案。 試想，如果不進(jìn)行信息化施工，檢查不到應(yīng)力-應(yīng)變的異常變化，井壁一旦被破壞，其后果不堪設(shè)想。

3 結(jié)語

信息化施工技術(shù)在深凍結(jié)井中的應(yīng)用尚處于初步階段，經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)均不足，許多方面還很不完善，這些都有待進(jìn)一步改進(jìn)。但是隨著電子科技的發(fā)展和測(cè)量?jī)x器各方面性能的改進(jìn)，以及經(jīng)驗(yàn)的進(jìn)一步積累，信息化施工在深凍結(jié)井中的應(yīng)用會(huì)越來越成熟，應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。 在工程中的指導(dǎo)作用，也會(huì)使它變得越來越重要。

[1] 袁媛， 張慧東， 地鐵車站深基坑支護(hù)監(jiān)測(cè)與信息化施工［J］. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2009(8)：124-127.

[2] 謝國(guó)強(qiáng). 地下工程信息化施工發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策［J］. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008 (21)：15-17.

[3] 建筑工程學(xué)院巖土工程研究所. 工程測(cè)試與結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)［M］. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：4-5.

[4] 王衍森. 特厚沖擊層中凍結(jié)井外層井壁的強(qiáng)度增長(zhǎng)及其受力與變形規(guī)律研究［D］. 徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2005.