復(fù)合式中墻連拱隧道施工監(jiān)測(cè)與分析

和振海， 孫印國(guó)， 羅忠榮， 姜成業(yè)

(1.云南勐綠高速公路投資開發(fā)有限公司， 云南 普洱 665000； 2.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司， 昆明 650500；3.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所， 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071； 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100083)

隨著中國(guó)高速公路的發(fā)展，許多公路要在崇山峻嶺中穿過，連拱隧道成為此地形區(qū)域的首選方案[1]。連拱隧道的中墻是其重要的組成部分和承重結(jié)構(gòu)，隧道中墻又分為整體式中墻和復(fù)合式中墻，其中復(fù)合式中墻較整體式中墻有較好的防排水系統(tǒng)，兩洞相對(duì)獨(dú)立等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用[2]。在連拱隧道施工安全監(jiān)測(cè)方面，李五紅[3]根據(jù)工程實(shí)際結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算分析出拱頂最大沉降量為20 mm，在開挖后30～40 d后，拱頂沉降逐漸趨于穩(wěn)定。周丁恒等[4]研究各階段施工中墻應(yīng)力分布特征得出兩洞上臺(tái)階開挖引起的支護(hù)體系應(yīng)力分布變化大，對(duì)于大斷面大跨度連拱隧道，應(yīng)早做二次襯砌結(jié)構(gòu)。何桂珍等[5]提出相對(duì)于傳統(tǒng)的收斂變形的監(jiān)測(cè)方法，地面激光掃描技術(shù)極大地提高

工作效率，具有更好的準(zhǔn)確性。楊果林等[6]依托實(shí)際工程，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析得出，復(fù)合式曲中墻連拱隧道的中墻荷載主要由主洞的上臺(tái)階開挖產(chǎn)生，其中強(qiáng)度不是中墻設(shè)計(jì)的控制因數(shù)，中墻最不穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)在主洞的非對(duì)稱開挖階段。付志鵬等[7]結(jié)合工程實(shí)際得出，V類圍巖平均下沉量較Ⅳ類圍巖大，且達(dá)到穩(wěn)定階段的時(shí)間也較長(zhǎng)，隧道圍巖初期變形與時(shí)間基本呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)收斂模型，具有較好的可觀測(cè)性。邱軍領(lǐng)等[8]根據(jù)黃土連拱隧道工程監(jiān)測(cè)分析，中墻基底壓力兩邊大中間小，呈“馬鞍形”分布，基底壓力比中導(dǎo)洞頂部接觸壓力大；中墻鋼筋計(jì)軸力向底部增大，中墻受力上部較下部敏感。李納[9]通過研究越江公路隧道的沉降與收斂變形得出；接地處下沉較為明顯，越接近地面，下沉量越大；盾構(gòu)段隧道累計(jì)沉降表現(xiàn)為整體上抬；盾構(gòu)段收斂變形整體較小，尤其是豎向距離變化，橫徑變化方向?yàn)闄M徑變長(zhǎng)。瞿永等[10]得出：應(yīng)變監(jiān)測(cè)是中隔墻監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)；中隔墻澆筑20 d左右，中導(dǎo)洞的圍巖應(yīng)力釋放達(dá)到穩(wěn)定，中隔墻主要受到豎向的應(yīng)力；對(duì)于中隔墻的穩(wěn)定性和安全性的考慮，最不利工況出現(xiàn)在非對(duì)稱開挖的時(shí)候。于建新等[11]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析了公路隧道上穿既有供水隧道時(shí)，既有供水隧洞襯砌混凝土的表面應(yīng)變與斷面收斂情況。李明等[12]提出了小波降噪和最小二乘法結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的方法，此方法預(yù)測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確可靠。潘家升等[13]依托實(shí)際工程，建立數(shù)值模擬，再結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，來進(jìn)行對(duì)隧道圍巖的分析。周丁恒等[14]通過監(jiān)測(cè)大跨度大斷面連拱隧道的支護(hù)體系，從而通過監(jiān)測(cè)的結(jié)果來調(diào)整施工方法。邱長(zhǎng)林等[15]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)得出，對(duì)于整體式中隔墻連拱隧道，上臺(tái)階開挖對(duì)頂部位移和中隔墻應(yīng)力的影響大于下臺(tái)階開挖產(chǎn)生的影響。

上述文獻(xiàn)對(duì)隧道中墻和變形的監(jiān)測(cè)均采用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法得到監(jiān)測(cè)結(jié)果，而通過智能監(jiān)測(cè)隧道變形的工程實(shí)例較為少見。本文以云南某高速公路實(shí)際工程為背景，通過智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道變形能力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分析，相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可指導(dǎo)隧道的施工與支護(hù)，并且可以及時(shí)地預(yù)防工程災(zāi)害的發(fā)生。以期為此類監(jiān)測(cè)技術(shù)及隧道變形提供借鑒。

1 工程背景

依托高速公路全長(zhǎng)246.37 km，項(xiàng)目按全封閉、全立交高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬度為25.5 m。其中選取路兩個(gè)隧道斷面進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試面樁號(hào)為1號(hào)隧道ZK212+890、YK212+905和2號(hào)隧道ZK216+120。隧道圍巖以碎石土、粉砂巖、石英砂巖為主，呈強(qiáng)-中風(fēng)化，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，多呈碎石狀體結(jié)構(gòu)；巖體富水性較強(qiáng)，隧道開挖時(shí)可能存在較大量的滴水、滲水等現(xiàn)象。巖體自穩(wěn)能力差，開挖時(shí)不及時(shí)支護(hù)或支護(hù)(處理)不當(dāng)易產(chǎn)生較大規(guī)模的坍塌，側(cè)壁穩(wěn)定性較差。連拱隧道進(jìn)口如圖1所示。

隧道支護(hù)采用新奧法原理，采取復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)。初次襯砌系統(tǒng)包括錨桿、鋼筋網(wǎng)和噴射混凝土，二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 Ⅴ級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

連拱隧道施工按先行洞及后行洞進(jìn)行施工組織，后行洞在先行洞二次襯砌完成不小于30 m并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再開挖，先行洞二次襯砌超前后行洞不小于30 m。Ⅳ級(jí)圍巖段先行洞采用臺(tái)階開挖，后行洞采用留核心土臺(tái)階開挖，Ⅳ級(jí)圍巖段落應(yīng)采用控制爆破開挖掘進(jìn)，后行洞開挖對(duì)先行洞二襯的爆破震動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)小于15 cm/s。左、右幅先行隧道二襯完成段與后行隧道掌子面的距離不得小于40 m。左、右洞中、下臺(tái)階兩側(cè)開挖宜錯(cuò)開，錯(cuò)開長(zhǎng)度為5～10 m。Ⅴ級(jí)圍巖段先行洞和后行洞采用留核心土臺(tái)階開挖，Ⅴ級(jí)圍巖采用機(jī)械配合爆破施工，要求和Ⅳ級(jí)圍巖一致。

2 監(jiān)測(cè)方案

為構(gòu)建高速公路連拱隧道在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，全程對(duì)復(fù)合式中墻連拱隧道單洞法施工過程中隧道變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析與總結(jié)規(guī)律。根據(jù)項(xiàng)目要求，在1號(hào)隧道ZK212+890、YK212+905斷面和2號(hào)隧道ZK216+120斷面，拱頂沉降和水平收斂采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置隧道RSM-LES激光位移傳感器2支(圖2)。3個(gè)斷面處預(yù)埋RSM-LES激光位移傳感器，共計(jì)6支，并連接MCU數(shù)據(jù)自動(dòng)采集箱和 LoRa 無線電臺(tái)遠(yuǎn)程無線通信終端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，如圖3所示。系統(tǒng)構(gòu)建完畢后可長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)無須人員值守操作，在任何地方只要上網(wǎng)登錄自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，或采用安卓系統(tǒng)手機(jī)安裝自動(dòng)化MCU采集App，即可隨時(shí)查看、了解并更新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化。

圖2 隧道拱頂沉降、水平收斂監(jiān)測(cè)

圖3 數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程監(jiān)控相關(guān)設(shè)備

RSM-LES激光位移傳感器是新一代的測(cè)距設(shè)備，專為工業(yè)測(cè)量市場(chǎng)設(shè)計(jì)。具極高的測(cè)試精度和穩(wěn)定性，通過發(fā)射激光束至目標(biāo)物體，利用反射光束精確計(jì)算距離，可在不加反射靶的情況下，也可達(dá)到很遠(yuǎn)的檢測(cè)距離，如加上反射板測(cè)量距離最長(zhǎng)可達(dá)500 m，精度最高達(dá)1 mm。此位移傳感器可以24 h在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，在無人值守的狀態(tài)下亦可得到連續(xù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

MCU采集儀功能強(qiáng)大，穩(wěn)定耐用，現(xiàn)場(chǎng)連接操

作簡(jiǎn)單；自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)無人值守，斷電情況下能夠自動(dòng)恢復(fù)采集的功能，同時(shí)提供實(shí)時(shí)人工控制功能；儀器精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)際工作分為兩個(gè)部分：一個(gè)是洞內(nèi)測(cè)站(監(jiān)測(cè)斷面)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集且由LoRa無線電臺(tái)接收信號(hào)；另一個(gè)是廊道口(洞口)發(fā)射信號(hào)且由無線通信終端傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)碼式多通道采集儀得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到智能數(shù)據(jù)云平臺(tái)，真正實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器24 h連續(xù)數(shù)據(jù)采集上傳，足不出戶就可以看到現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)圖表結(jié)果。

數(shù)據(jù)云平臺(tái)采用阿里云平臺(tái)，數(shù)據(jù)云平臺(tái)不僅可以采集現(xiàn)場(chǎng)所布設(shè)的傳感器，并進(jìn)行匯總、分析以及展示，并且平臺(tái)有自動(dòng)上傳和手動(dòng)上傳兩種方式，可以兼容上傳人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)。同時(shí)可在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生超限變化時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)人員以及業(yè)主進(jìn)行預(yù)警。不僅如此，業(yè)主也可在需要的時(shí)候登陸平臺(tái)自行查閱本項(xiàng)目的相關(guān)資料，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在線智能監(jiān)測(cè)總體組織流程如圖4所示，系統(tǒng)平臺(tái)界面如圖5所示。

圖4 在線監(jiān)測(cè)總體組織流程

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)界面

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

水平收斂和拱頂沉降是對(duì)隧道的圍巖變形最直觀的表現(xiàn)，在實(shí)際工程中具有重要的意義。結(jié)合高速公路1號(hào)隧道ZK212+890斷面、YK212+905斷面和2號(hào)隧道ZK216+120斷面的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到隧道水平收斂值和拱頂沉降與時(shí)間的變化曲線，如圖6～圖8所示。

圖6 1號(hào)隧道YK212+890拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7 1號(hào)隧道YK212+905拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 2號(hào)隧道ZK216+120拱頂沉降和水平收斂監(jiān)測(cè)結(jié)果

1號(hào)隧道ZK212+890斷面監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)日期為2019年9月23日，2號(hào)隧道ZK216+120斷面監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)日期為2019年11月23日，1號(hào)隧道YK212+905斷面監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)日期為2020年3月 3日。

結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上，拱頂沉降和水平收斂的值均隨著時(shí)間的推移而逐漸變大。1號(hào)隧道ZK212+890斷面拱頂沉降最大值 15.55 mm，水平收斂最大值15.19 mm；1號(hào)隧道YK212+905斷面拱頂沉降最大值16.42 mm，水平收斂最大值14.33 mm；2號(hào)隧道ZK216+120斷面拱頂沉降最大值14.5 mm，水平收斂最大值15.3 mm。

1號(hào)隧道ZK212+890斷面和2號(hào)隧道ZK216+120斷面的水平收斂值比拱頂沉降值較大，但相差不明顯。而1號(hào)隧道YK212+905斷面的拱頂沉降值明顯比水平收斂值大。

3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，在監(jiān)測(cè)的時(shí)間段內(nèi)沉降和收斂的最大值相差較小，約在1～2 mm。由各監(jiān)測(cè)斷面結(jié)果可以看出，各斷面的拱頂沉降和水平收斂的變化趨勢(shì)基本一致，可分為以下3個(gè)發(fā)展階段：

1)階段1：在開始監(jiān)測(cè)的后的2～3 d時(shí)間內(nèi)，各斷面的水平收斂值和拱頂沉降值變化相對(duì)較大。相鄰兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段的監(jiān)測(cè)差值波動(dòng)較大，變化值要大于2 mm。

2)階段2：在監(jiān)測(cè)的3～8 d內(nèi)，各監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降和水平收斂值減小。相鄰的兩個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段的監(jiān)測(cè)差值呈穩(wěn)定的下降，變化值穩(wěn)定在1～2 mm。

3)階段3：在開始監(jiān)測(cè)一周以后沉降值和收斂值變化無明顯改變，控制在1.0 mm以內(nèi)，隧道的拱頂沉降和水平收斂隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

依托云南高速公路連拱隧道，對(duì)典型斷面的拱頂沉降和水平收斂采用RSM-LES激光位移傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，得到以下結(jié)論：

1)通過構(gòu)建隧道施工智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)一些人員無法長(zhǎng)期開展監(jiān)測(cè)的隧道斷面實(shí)現(xiàn)24 h無人監(jiān)測(cè)，通過遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，同時(shí)并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能預(yù)警，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果良好。

2)隧道拱頂沉降值和水平收斂值隨著時(shí)間的推移其變化趨勢(shì)基本一致，均呈現(xiàn)出：急劇變化-緩慢變化-趨于平穩(wěn)3個(gè)階段，保證了隧道的施工安全。

3)隧道各監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降值和水平收斂值相差較小，隨著時(shí)間推移，拱頂沉降和水平收斂的值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定，復(fù)合式中墻連拱隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，施工方案可行，具有一定推廣性。