尚海松,申志軍,薛 斌,汪 濤

(1.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,成都 610031;2.鐵道部宜萬鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

1 項(xiàng)目概況

宜(昌)萬(州)鐵路全線約 70%的隧道位于灰?guī)r地區(qū),巖溶地層分布廣、地質(zhì)條件復(fù)雜,巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,補(bǔ)給水源豐富,其主要表現(xiàn)為:連通暗河地段的構(gòu)造、大型富水溶腔、高壓裂隙水、大規(guī)模的空溶腔等,屬世界罕見。有關(guān)巖溶條件下的隧道修建技術(shù)研究成果,特別是在巖溶、富水、高壓條件下隧道修建技術(shù)的研究成果不多,可供借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)也較少,同時(shí)在隧道修建過程中巖溶突水突泥風(fēng)險(xiǎn)程度、規(guī)模和工程處理難度也相當(dāng)大,特別是在有高壓涌突水危險(xiǎn)地段隧道進(jìn)行了特殊工程處理措施,并采用了新型結(jié)構(gòu)形式,這些成果應(yīng)用的可靠性還將經(jīng)受實(shí)際運(yùn)營(yíng)的考驗(yàn)。我國(guó)目前對(duì)長(zhǎng)大巖溶富水區(qū)修建的隧道施工后運(yùn)營(yíng)階段的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的監(jiān)測(cè)極少,并對(duì)現(xiàn)有防排水情況下的水壓對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響研究也較少,針對(duì)巖溶這種特殊復(fù)雜地質(zhì)情況下采取的防排水系統(tǒng)在隧道運(yùn)營(yíng)中的狀態(tài)也是我們相當(dāng)關(guān)注的問題。

根據(jù)中國(guó)工程院院士考察宜萬鐵路遂渝鐵路建設(shè)意見,通過對(duì)隧道施工及運(yùn)營(yíng)過程中的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化狀況的監(jiān)測(cè),及時(shí)分析了解隧道結(jié)構(gòu)的受力特性,對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全狀況做出評(píng)估,為隧道的施工處理和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供決策依據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

針對(duì)宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)宜萬鐵路齊岳山隧道 F11高壓富水?dāng)鄬佣?平導(dǎo)和正洞)、馬鹿箐隧道 DK255+978大型溶洞段(Ⅰ線和Ⅱ線)、云霧山隧道 DK247+562大型充填型溶洞段(Ⅰ線)、云霧山隧道 DK245+617大型溶洞段(Ⅰ線)、大支坪隧道 DK132+990大型溶洞段(Ⅰ線)、野三關(guān)隧道 DK124+602大型溶洞段(Ⅰ線)、龍麟宮隧道 DK232+467大型溶洞段及石院子隧道塌方段等 8個(gè)復(fù)雜工點(diǎn)進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè),各工點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面、項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭示實(shí)際地質(zhì)情況及處理措施適時(shí)調(diào)整。

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況

根據(jù)宜萬鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況,結(jié)合專家審查意見,確定對(duì)上述 8個(gè)工點(diǎn)分別實(shí)施以下 9個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目(表1),具體工點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在實(shí)施監(jiān)測(cè)過程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同工點(diǎn)情況經(jīng)甲方同意后對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

表1 隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

以齊岳山隧道 F11高壓富水?dāng)鄬佣握幢O(jiān)測(cè)為例。

齊岳山隧道位于湖北省利川市,全長(zhǎng)10 528 m,最大埋深 670 m,區(qū)內(nèi)發(fā)育 15條斷層和多條暗河系統(tǒng),其中位于得勝場(chǎng)槽谷段的 F11斷層規(guī)模宏大,位于隧道頂 220 m的得勝場(chǎng)暗河規(guī)模最大,水量豐富,暗河水極有可能被斷層導(dǎo)入隧道,造成重大地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害,風(fēng)險(xiǎn)極大。F11斷層破碎帶在隧道位置約 245 m寬,斷層內(nèi)巖性成分復(fù)雜,具有飽和含水的含碎石粉質(zhì)黏土或碎石土的類似工程性質(zhì),導(dǎo)水能力強(qiáng),圍巖強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差,圍巖等級(jí) Ⅴ ～Ⅵ級(jí)(圖1)。設(shè)計(jì)采取“以堵為主、限量排放”的設(shè)計(jì)原則,采用超前帷幕注漿、超前密排大管棚等預(yù)支護(hù)和加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)等綜合措施進(jìn)行處理。齊岳山隧道F11斷層監(jiān)測(cè)段施工進(jìn)度見圖2。

圖1 齊岳山隧道F11斷層得勝場(chǎng)槽谷段工程地質(zhì)縱斷面

圖2 齊岳山隧道F11斷層段監(jiān)測(cè)段施工進(jìn)度形象(單位:m)

鑒于齊岳山隧道 F11斷層段地質(zhì)條件復(fù)雜、工程環(huán)境特殊、隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜等特點(diǎn),該段正洞設(shè)置 4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每斷面設(shè)置 6個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,分別為:隧道圍巖及結(jié)構(gòu)間滲水壓力監(jiān)測(cè)、圍巖與初期支護(hù)間接觸壓力監(jiān)測(cè)、初期支護(hù)型鋼內(nèi)力監(jiān)測(cè)、初期支護(hù)與二次襯砌間接觸壓力監(jiān)測(cè)、二次襯砌鋼筋內(nèi)力監(jiān)測(cè)、隧道基底沉降監(jiān)測(cè);其中 1個(gè)斷面增設(shè)注漿加固圈位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,同時(shí)在正洞 F11斷層段設(shè)置 3處注漿加固圈的滲水流量監(jiān)測(cè)斷面(圖3)。

圖3 齊岳山隧道F11斷層段監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意

2.2 測(cè)試元件的要求與選擇

在隧道的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中,由于運(yùn)營(yíng)及地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性,對(duì)監(jiān)測(cè)元件和測(cè)試儀器的可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等要求較高,要求所選用測(cè)試元件防水、防潮;在含水或潮濕的環(huán)境下工作穩(wěn)定;防腐蝕性強(qiáng);耐久性好;抗干擾性強(qiáng)、便于埋設(shè)等。本項(xiàng)目選用基康公司生產(chǎn)的振弦式應(yīng)力(變)計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。測(cè)試元件見表2。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目測(cè)試元件

在元件布設(shè)安裝過程中,嚴(yán)格按照測(cè)試和布設(shè)要求,保護(hù)好測(cè)點(diǎn),力求達(dá)到元件最大成活率和最佳測(cè)試效果,如:滲水壓力計(jì)應(yīng)埋設(shè)在圍巖內(nèi)部一定的深度,同時(shí)做好過濾保護(hù);圍巖與初支接觸壓力盒應(yīng)埋設(shè)在圍巖較平坦表面處,保證圍巖面與壓力盒承壓面的密貼性;測(cè)線的引出要盡量避免施工干擾等。

2.3 監(jiān)測(cè)頻率

根據(jù)合同與方案要求,為準(zhǔn)確獲取隧道各階段受力狀態(tài)情況,在隧道開挖施工期間,測(cè)試頻率為 1次/d,隧道施工完畢以后,測(cè)試頻率為 1次/周,運(yùn)營(yíng)期間測(cè)試頻率為 1次/半月,特殊情況下根據(jù)要求增加測(cè)試頻率。從而獲得大量的一手?jǐn)?shù)據(jù),為隧道結(jié)構(gòu)受力安全性分析提供數(shù)據(jù)保障。

2.4 階段性成果

以齊岳山隧道 DK365+111斷面圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力和圍巖與初期支護(hù)接觸壓力監(jiān)測(cè)為例,如圖4,圖5所示。

圖4 圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力時(shí)態(tài)曲線

圖5 圍巖與初期支護(hù)接觸壓力時(shí)態(tài)曲線

根據(jù)圖形可以看出,近期圍巖與結(jié)構(gòu)間滲水壓力和接觸壓力方面測(cè)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。在本年度雨季,測(cè)試數(shù)值出現(xiàn)小幅度的增加波動(dòng),最大滲水壓力和最大接觸壓力值分別為0.065 2MPa、114.87 kPa(在結(jié)構(gòu)允許值范圍內(nèi)),均出現(xiàn)在隧道仰拱位置,主要是由于 2010年 4月 14日隧道區(qū)域突降暴雨,地表水匯入,致使隧道周圍水壓上升,結(jié)構(gòu)承受壓力增加,降雨過后,隨著地下水的逐步排出,水壓力也逐步減小,結(jié)構(gòu)承受接觸壓力也漸漸減小,趨于平穩(wěn),隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2.5 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)宜萬鐵路復(fù)雜巖溶隧道的修建及運(yùn)營(yíng)過程,采取結(jié)構(gòu)應(yīng)力、水壓等監(jiān)控信息的自動(dòng)化采集、網(wǎng)絡(luò)化傳輸,并設(shè)定危險(xiǎn)報(bào)警值,在出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)自動(dòng)預(yù)警,為宜萬鐵路的安全運(yùn)營(yíng)提供保證,為在復(fù)雜巖溶地質(zhì)環(huán)境下修建隧道提供數(shù)據(jù)并積累經(jīng)驗(yàn)。

本項(xiàng)目采用 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)及配套的 BGKLogger軟件系統(tǒng)進(jìn)行用戶管理、測(cè)量管理、數(shù)據(jù)管理和通訊管理,保障工程自動(dòng)化測(cè)量和管理。測(cè)量系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、BGK-MICRO-MCU分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量單元、智能式儀器(可獨(dú)立作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的儀器)等組成,通過相應(yīng)配套的軟件完成工程監(jiān)測(cè)的自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、圖標(biāo)制作和異常測(cè)值報(bào)警等工作。如圖6所示。

圖6 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)組成(網(wǎng)型式)

現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)測(cè)試斷面布設(shè)足夠的數(shù)據(jù)采集通道,采用 BGK-Micro-VW測(cè)量模塊,匯總至數(shù)據(jù)采集箱 BGKMicro-40MCU測(cè)量單元,再通過數(shù)據(jù)總線連接到洞外監(jiān)測(cè)站,洞外監(jiān)測(cè)站采集的數(shù)據(jù)通過 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)定時(shí)傳輸數(shù)據(jù)至中心計(jì)算機(jī),在中心計(jì)算機(jī)上設(shè)數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng),對(duì)每類監(jiān)測(cè)量設(shè)預(yù)警值輸入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。如圖7、圖8所示。

圖7 BGK-MICRO分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)組成示意

圖8 GPRS無限組網(wǎng)示意

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

3.1 網(wǎng)絡(luò) GIS功能

利用 GIS(地理信息系統(tǒng))的強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)隧道監(jiān)測(cè),應(yīng)用數(shù)據(jù)庫理論,建立了隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)管理信息系統(tǒng),從而生成隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谒淼肋\(yùn)營(yíng)過程中的時(shí)態(tài)關(guān)系曲線,由此判斷圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定情況,從而指導(dǎo)隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)。其信息處理的方式主要是圖形方式,沿線隧道、斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布及彼此之間的拓?fù)潢P(guān)系一目了然。系統(tǒng)以隧道平面布置圖和各測(cè)點(diǎn)布置圖為基礎(chǔ),用矢量圖形象地展現(xiàn)出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)等分布情況,通過圖形實(shí)現(xiàn)信息的查詢及預(yù)警等工作,動(dòng)態(tài)管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),形成圖文雙向查詢,并根據(jù)實(shí)際需要準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地將信息呈現(xiàn)給用戶。

3.2 實(shí)時(shí)分析查詢監(jiān)測(cè)信息

因?yàn)樽詣?dòng)監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)具有兩個(gè)特點(diǎn):一是數(shù)據(jù)量特別大;二是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的頻率不一樣,是個(gè)動(dòng)態(tài)的過程。針對(duì)這兩個(gè)特點(diǎn),必須對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取動(dòng)態(tài)分析的辦法,系統(tǒng)通過單純用數(shù)學(xué)方法和結(jié)合施工參數(shù)進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)兩種方法來對(duì)隧道施工安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

可以利用各種手段方便地查詢當(dāng)前和歷史的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。實(shí)時(shí)生成各類報(bào)表、時(shí)程曲線等。

3.3 實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

在本系統(tǒng)中,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的曲線圖包含 3類:變化量曲線圖、累計(jì)變化量曲線圖以及變化速率曲線圖。在設(shè)計(jì)中,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量、變化速率及累計(jì)變化量一般都有控制值與警戒值。當(dāng)隧道工程出現(xiàn)異常時(shí),一定時(shí)段的變化速率曲線圖和累計(jì)變化量曲線圖都會(huì)出現(xiàn)明顯異常情況。在隧道運(yùn)營(yíng)中,若發(fā)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在相同位置的監(jiān)測(cè)曲線圖異常或超過報(bào)警值,可判斷工程存在潛在危險(xiǎn)。數(shù)據(jù)服務(wù)器實(shí)時(shí)分析各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過短消息和在平臺(tái)發(fā)布信息等多種形式組成預(yù)警、報(bào)警系統(tǒng)。只要有監(jiān)測(cè)異常發(fā)生,系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行個(gè)性化的報(bào)警提示;同時(shí)能夠在網(wǎng)絡(luò)地圖上清晰地表現(xiàn)各工點(diǎn)、各測(cè)點(diǎn)的預(yù)警情況。

根據(jù)隧道工程的運(yùn)營(yíng)狀況,將實(shí)測(cè)值與報(bào)警值進(jìn)行比較,將其預(yù)警報(bào)警的等級(jí)分為四個(gè)等級(jí):安全狀態(tài)、三級(jí)警戒(關(guān)注)、二級(jí)警戒(預(yù)警)和一級(jí)警戒(報(bào)警)。針對(duì)不同的警戒等級(jí),分別給出對(duì)應(yīng)的施工控制措施,確保隧道工程安全。

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境要求

監(jiān)測(cè)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡(luò)接入自有服務(wù)器機(jī)房的方式,帶寬至少 1 M。其設(shè)備配置推薦如下:

服務(wù)器:雙 CPU至強(qiáng) CPU 2.0 GHz以上,1 GB內(nèi)存,500 GB硬盤。操作系統(tǒng)支持 Window SERVER 2000以上;數(shù)據(jù)庫支持 SQL SERVER 2000以上。

客戶端:采用一般 PC即可,CPU P4 1.2 GHz以上,256MB內(nèi)存,120 GB剩余硬盤空間,操作系統(tǒng)支持Window 2000以上。

4 監(jiān)測(cè)信息反饋

根據(jù)采集的數(shù)據(jù),與參建各方緊密聯(lián)系(通過短消息或在平臺(tái)發(fā)布信息等多種形式),分析結(jié)構(gòu)受力安全性狀況,共同商討相關(guān)隧道結(jié)構(gòu)受力安全性狀況,提出相關(guān)整治建議,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)。

[1] 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌至萬州段復(fù)雜巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)專項(xiàng)設(shè)計(jì)[Z].武漢:2009.

[2] 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段巖溶隧道結(jié)構(gòu)安全性監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)[Z].成都:2010.

[3] 中鐵西南科學(xué)研究院有限公司.新建鐵路宜萬線宜昌東至萬州段隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案[Z].成都:2010.

[4] 王建宇.隧道工程的技術(shù)進(jìn)步[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.