費(fèi)廣海，吳小萍，李文榮，唐冬冬，楊獻(xiàn)章

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.湖南省張桑高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 張家界 427000)

?

CMIMS:鉆爆法隧道施工監(jiān)測(cè)與多元信息管理系統(tǒng)

費(fèi)廣海1,2，吳小萍1,2，李文榮1,2，唐冬冬1,2，楊獻(xiàn)章3

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.湖南省張桑高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 張家界 427000)

摘要:由于隧道建設(shè)中的施工數(shù)據(jù)繁雜且多種信息不明確，有必要對(duì)隧道施工的多元信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理?；谝酝墓こ探?jīng)驗(yàn)和現(xiàn)行的監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立一個(gè)集信息管理、分析預(yù)測(cè)及安全預(yù)警等功能于一體的隧道施工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以對(duì)隧道信息進(jìn)行有效管理、準(zhǔn)確分析和及時(shí)反饋。依據(jù)淺埋隧道鉆爆法施工的信息監(jiān)測(cè)要求，系統(tǒng)設(shè)置了數(shù)據(jù)收集、分析處理和信息反饋3個(gè)主要模塊，分別對(duì)開(kāi)挖前的地質(zhì)與水文信息、開(kāi)挖后的爆破信息、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的變形信息和受力信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，并將各類(lèi)信息及時(shí)反饋，以確保隧道的施工安全和工程質(zhì)量。系統(tǒng)在麻栗埡隧道工程中實(shí)現(xiàn)了部分功能的應(yīng)用，泊松模型可對(duì)該斷面的水平收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地?cái)M合與預(yù)測(cè)。開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能廣泛用于各類(lèi)隧道工程尤其是鉆爆法施工隧道，對(duì)隧道施工的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)識(shí)別及應(yīng)對(duì)措施的選擇等具有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：隧道；鉆爆法；施工監(jiān)測(cè)；信息管理

作為隧道施工的一個(gè)重要組成部分，監(jiān)控量測(cè)在各類(lèi)隧道施工中一直備受研究人員的重視。從1963年Rabcewicz提出通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，到今天的各種信息化施工方法，隧道施工監(jiān)測(cè)的研究不斷發(fā)展。在隧道變形監(jiān)測(cè)(預(yù)測(cè))與控制方面：周丁恒等[1-2]分析了不同巖層下的隧道變形規(guī)律，并提出控制隧道變形的工程措施；Adoko等[3]用多元回歸分析模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)隧道的凈空收斂進(jìn)行預(yù)測(cè)；Sharifzadeh等[4]對(duì)施工過(guò)程中隧道變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，確定了合理的開(kāi)挖方法及開(kāi)挖順序；張運(yùn)良等[5-6]也分別研究了小凈距隧道和偏壓隧道的施工監(jiān)測(cè)和數(shù)值分析。在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與安全決策的研究方面：Wu等[7]提出基于動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)決策方法，為隧道建設(shè)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)安全分析提供指導(dǎo)；Ding等[8-9]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的提前預(yù)警。在信息監(jiān)測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面：葉英等[10-11]開(kāi)發(fā)了隧道監(jiān)測(cè)信息管理和安全預(yù)警系統(tǒng)，確保了施工過(guò)程的安全性和管理的高效性；Li[12]開(kāi)發(fā)了用于盾構(gòu)法隧道施工的Web-GIS系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)施工信息管理、二維和三維可視化、地理空間分析和隧道實(shí)時(shí)分析等功能；蒲浩等[13]研發(fā)的三維實(shí)時(shí)交互可視化信息平臺(tái)集隧道三維場(chǎng)景的快速構(gòu)建、交互式漫游、信息查詢(xún)于一體；Wang等[14]建立了用于監(jiān)控各種巖土工程項(xiàng)目的關(guān)聯(lián)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)輸入和處理、CAD圖形可視化、數(shù)據(jù)建模和預(yù)測(cè)、提前預(yù)警等功能；Fekete等[15]將三維激光掃描技術(shù)用于隧道鉆爆法的施工監(jiān)測(cè)中，可遠(yuǎn)程獲取詳細(xì)的巖體、地質(zhì)及開(kāi)挖信息。以上研究極大地促進(jìn)了隧道施工監(jiān)測(cè)的發(fā)展，但是這些研究主要適用于其對(duì)應(yīng)的工程，并未全面考慮各類(lèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。例如在鉆爆法施工中震動(dòng)監(jiān)測(cè)和有害氣體監(jiān)測(cè)必須予以考慮，在淺埋隧道中地表變形也是必測(cè)項(xiàng)目之一，因此有必要開(kāi)發(fā)一種既適合淺埋偏壓隧道又適合鉆爆法施工的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以對(duì)各類(lèi)隧道的多元施工信息進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行有效管理、準(zhǔn)確分析和及時(shí)反饋。

1監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

為了確保隧道與地下工程施工的安全和質(zhì)量，需要對(duì)相關(guān)的施工信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于海量的施工信息和數(shù)據(jù)，沒(méi)必要對(duì)所有的項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控和分析。依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)和《公路隧道施工技術(shù)監(jiān)測(cè)規(guī)范》(征求意見(jiàn)稿)[16-17]等公路隧道施工規(guī)范，選擇能判別圍巖穩(wěn)定狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的重點(diǎn)量測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而在保證施工安全的前提下節(jié)省工程費(fèi)用。相關(guān)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和方法如表1所示。

表1　監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)方法

2系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)收集模塊、分析處理模塊和信息反饋模塊，系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

3監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)須具備風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和安全評(píng)價(jià)功能，因此必須事先依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和規(guī)范[16-22]建立一套符合規(guī)范和工程實(shí)際的管理與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)

為了限制爆破有害震動(dòng)效應(yīng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，確保人員和建(構(gòu))筑物的安全，依據(jù)文獻(xiàn)和規(guī)范[18-20]確定爆破震動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖1　CMIMS系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Architecture for the CMIMS

保護(hù)對(duì)象安全允許震動(dòng)速度交通隧道10～20cm/s新澆大體積混凝土初凝～3d2～3cm/s3～7d3～7cm/s7～28d7～12cm/s

3.2瓦斯?jié)舛认拗浦导俺尢幚泶胧?/p>

相關(guān)規(guī)范[17-18]規(guī)定隧道穿越有害氣體地層或采用鉆爆法施工時(shí)，必須進(jìn)行有害氣體監(jiān)測(cè)，并按照表3所示措施進(jìn)行處理。

表3隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛认拗浦导俺尢幚泶胧?/p>

Table 3 Admissible value of the gas and treatment measures

序號(hào)地點(diǎn)限值/%超限處理措施1低瓦斯工區(qū)任意處0.520m范圍內(nèi)立即停工,加強(qiáng)通風(fēng)監(jiān)測(cè)2局部瓦斯積聚(V>0.5m3)2.0附近20m停工,斷電,撤人,加強(qiáng)通風(fēng)3開(kāi)挖工作面風(fēng)流中1.01.5停止電鉆鉆孔停工,斷電,撤人,加強(qiáng)通風(fēng)4放炮地點(diǎn)附近20m風(fēng)流中1.0嚴(yán)禁裝藥放炮5鉆孔排放瓦斯1.5斷電,撤人,調(diào)整風(fēng)量6局扇及電氣開(kāi)關(guān)20m范圍內(nèi)0.5停機(jī),通風(fēng),處理7回風(fēng)巷1.0停工,撤人,處理

3.3變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理等級(jí)

由于高速公路隧道和雙線鐵路隧道的跨距都在7 m以上，參考幾部規(guī)范[16-17,21-22]，決定采用《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121—2007)[21]中跨度7～12 m隧道的位移控制基準(zhǔn)(見(jiàn)表4～5)。

表4　變形管理等級(jí)

注：1.U為實(shí)測(cè)變形值，U0為允許變形值，U0按表5計(jì)算；2.當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面距離小于1倍洞徑時(shí)，U0應(yīng)按計(jì)算值的65%選取；如果小于等于2倍洞徑時(shí)應(yīng)按計(jì)算值的90%選取；距離較遠(yuǎn)時(shí)取100%。

表5　跨度7～12 m隧道允許相對(duì)位移值

注：1.表中數(shù)據(jù)適用于初期支護(hù)，硬巖取小值、軟巖取大值；2.水平允許相對(duì)位移值指收斂位移累計(jì)值與測(cè)點(diǎn)間距離之比，拱頂相對(duì)下沉指拱頂下沉值與原拱頂至遂底高度之比(因?yàn)閷?shí)踐中很難對(duì)隧道的整體位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，故此處不用減去隧道整體下沉值)；3.表4的U0就為表5中數(shù)值乘以測(cè)點(diǎn)間距或隧道凈高，計(jì)算出來(lái)的水平允許位移為拱腳測(cè)點(diǎn)間凈空變化值，拱腰處允許位移為此值乘以1.1～1.2；另外地表允許沉降值參考此處計(jì)算的拱頂下沉允許值。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1數(shù)據(jù)收集模塊

如圖1，數(shù)據(jù)收集模塊包括數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2個(gè)子模塊。數(shù)據(jù)輸入可以借助SQL Server導(dǎo)入導(dǎo)出向?qū)?，采用文件?dǎo)入方式實(shí)現(xiàn)(直接導(dǎo)入Excel表格)?？紤]到用戶(hù)需求，也設(shè)置了直接輸入界面供用戶(hù)輸入(修改)初始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要是處理變形監(jiān)測(cè)和受力監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)方法采用不同的轉(zhuǎn)換模型[22]。

4.1.1以水準(zhǔn)測(cè)量、收斂計(jì)為量測(cè)工具的轉(zhuǎn)換模型

1)拱頂下沉值(水準(zhǔn)測(cè)量)

Hn=(H0+Ht后+Ht前)-(H0+H(t+1)后+H(t+1)前)

(1)

2)地表沉降值(水準(zhǔn)測(cè)量)：

Hn=(H0+Ht后-Ht前)-(H0+H(t+1)后-H(t+1)前)

(2)

式(1)～(2)中：H0為基準(zhǔn)點(diǎn)高程；Ht后和H(t+1)后為t時(shí)刻(t+1時(shí)刻)后視尺讀數(shù)；Ht前和H(t+1)前為t時(shí)刻(t+1時(shí)刻)前視尺讀數(shù)。

3)周邊位移收斂值(收斂計(jì))

Sn=(Rt+Nt)-(Rt+1+Nt+1)+σ(Tt+1-Tt)Gt+1

(3)

式中：Rt和Rt+1為t時(shí)刻(t+1時(shí)刻)收斂計(jì)尺讀數(shù)；Nt和Nt+1為t時(shí)刻(t+1時(shí)刻)數(shù)顯窗口讀數(shù)；Tt和Tt+1為t時(shí)刻(t+1時(shí)刻)溫度；Gt+1為t+1時(shí)刻的鋼尺掛孔長(zhǎng)度；σ為收斂計(jì)鋼尺線膨脹系數(shù)。

4.1.2以全站儀為量測(cè)工具的轉(zhuǎn)換模型

如圖2所示，設(shè)后視基準(zhǔn)點(diǎn)為A(Xa,Ya,Za)，B(Xb,Yb,Zb)，p點(diǎn)為全站儀架設(shè)點(diǎn)，1為待測(cè)點(diǎn)，LPA，LPB和LP1為測(cè)得的斜距，VA，VB和V1為測(cè)得的豎直角，PB與PA，P1與PA的水平角分別為αAPB和αAP1。

圖2　全站儀測(cè)量示意圖Fig.1 Sketch of measurement

(4)

(5)

(6)

AP的方位角為：αAP=αAB+αBAP

(7)

(8)

P1的方位角為(左角為正，右角為負(fù))：

αp1=αAP+1800±αAP1

(9)

(10)

由上述各式(式中各物理量含義前面已介紹)分別求出各觀測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，再按下述各式求位移變化值。

1)周邊位移收斂值

Sn=St-St+1

(11)

(12)

2)拱頂(地表)沉降值

H=Zt-Zt+1

(13)

式(11)～(13)中：(Xl,Yl,Zl)和(Xr,Yr,Zr)為左右2個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；St和St+1為前后2次測(cè)線長(zhǎng)度；Zt和Zt+1為前后2次高程。

4.1.3受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模型

(14)

式中：f為傳感器的量測(cè)頻率，Hz；f0為傳感器的初始頻率，Hz；k為傳感器標(biāo)定系數(shù)；P為相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變值。

4.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理

系統(tǒng)主要對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警與預(yù)測(cè)，對(duì)其他類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。對(duì)于變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將實(shí)測(cè)值與預(yù)警等級(jí)(累計(jì)位移量、位移速率和變化趨勢(shì)等)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而評(píng)價(jià)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性；另外，可利用系統(tǒng)選擇合適的函數(shù)和模型進(jìn)行回歸分析，并預(yù)測(cè)測(cè)點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大位移值和最終穩(wěn)定時(shí)間。

4.2.1安全預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)

安全預(yù)警功能模塊包括警戒值設(shè)置子模塊和數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)子模塊。警戒值設(shè)置就是前文第3節(jié)提到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置，用戶(hù)可以對(duì)不同的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)工程經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)子模塊中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)待檢測(cè)數(shù)據(jù)逐一檢查，如果有超過(guò)警戒值的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，并將結(jié)果反饋給用戶(hù)。

安全預(yù)警功能是以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)而進(jìn)行的，基于工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的各類(lèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理等級(jí)，若有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值，系統(tǒng)能自動(dòng)提示用戶(hù)采取相關(guān)措施以減小風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率和風(fēng)險(xiǎn)造成的損失。

4.2.2變形數(shù)據(jù)回歸分析及常用函數(shù)模型

結(jié)合C#環(huán)境和MATLAB環(huán)境對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，先在MATLAB中編制分析模型并生成相關(guān)文件，然后在C#環(huán)境中添加對(duì)分析模型.DLL文件的引用。常用的回歸分析函數(shù)模型有以下幾種。

對(duì)數(shù)函數(shù)：u=a+b·ln(t+1)；

指數(shù)函數(shù)：u=a·e-b/t，u=a·(1-e-bt)；

上述4個(gè)模型中：u為位移值；a,b和c為回歸常數(shù)；t為初讀數(shù)后的時(shí)間，d。

通過(guò)數(shù)據(jù)擬合和分析，求出回歸常數(shù)，確定最優(yōu)擬合函數(shù)，為下一步的變形預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。

4.2.3變形預(yù)測(cè)

變形預(yù)測(cè)是系統(tǒng)的一個(gè)重要功能，先選取要進(jìn)行回歸分析及預(yù)測(cè)的點(diǎn)位和數(shù)據(jù)，再選用合適的并能反映隧道內(nèi)變形發(fā)展的回歸函數(shù)模型后，利用已有數(shù)據(jù)和最優(yōu)擬合函數(shù)對(duì)隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)的主要任務(wù)是初步確定最終穩(wěn)定時(shí)間和最終累計(jì)變形量，以評(píng)估圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而指導(dǎo)二次襯砌的施做時(shí)間。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和大量工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，大部分變形在45～60 d都將趨于穩(wěn)定，所以一般運(yùn)用已確定的擬合函數(shù)和數(shù)據(jù)對(duì)45～60 d內(nèi)的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)即可。另外，預(yù)測(cè)值應(yīng)該為二次襯砌施做時(shí)機(jī)提供指導(dǎo)，二次襯砌施做時(shí)機(jī)依據(jù)以下原則進(jìn)行確定：

1)變形明顯收斂，圍巖基本穩(wěn)定，實(shí)測(cè)變形值達(dá)到預(yù)計(jì)總位移量的80%～90%；

2)周邊位移速率小于0.1～0.2 mm/d，拱頂下沉速率小于0.07～0.15 mm/d；

3)淺埋、膨脹巖、軟巖地段實(shí)測(cè)值超過(guò)允許位移值時(shí)，應(yīng)及時(shí)實(shí)施二次襯砌。

4.2.4其他類(lèi)數(shù)據(jù)對(duì)比檢測(cè)功能

地質(zhì)與水文類(lèi)數(shù)據(jù)的處理主要是將這些數(shù)據(jù)整理以對(duì)圍巖的基本性質(zhì)進(jìn)行判斷并對(duì)成災(zāi)可能性進(jìn)行評(píng)估；爆破類(lèi)數(shù)據(jù)及力學(xué)數(shù)據(jù)的處理主要是將這些數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，以檢測(cè)其是否超過(guò)安全允許標(biāo)準(zhǔn)。

4.3信息反饋模塊

信息反饋模塊包含地質(zhì)與水文信息、爆破信息、變形信息、受力信息的反饋，反饋內(nèi)容主要用于指導(dǎo)施工并保障施工安全。

4.3.1地質(zhì)與水文信息反饋

如圖3所示，地質(zhì)與水文信息反饋內(nèi)容主要包含掌子面的基本信息，巖性特征，圍巖級(jí)別判定，不良地質(zhì)，水文地質(zhì)，圍巖穩(wěn)定性分析，不良地質(zhì)與成災(zāi)可能性評(píng)價(jià)等。

圖3　地質(zhì)與水文信息反饋Fig.3 Hydrogeology and engineering geology information

4.3.2爆破信息反饋

如圖4所示，爆破信息反饋包括掌子面附近、洞口周?chē)牡刭|(zhì)與支護(hù)情況的反饋，有害氣體信息和震動(dòng)信息的反饋。

圖4　爆破信息反饋Fig.4 Blasting information after excavation

4.3.3變形信息反饋

變形信息反饋主要是位移隨時(shí)間、空間(與開(kāi)挖面距離)變化而形成的時(shí)程曲線和空間曲線的反饋，以及回歸分析、變形預(yù)測(cè)及安全預(yù)警的反饋。變形分析、預(yù)測(cè)和預(yù)警的內(nèi)容在4.2節(jié)論述清楚，不再贅述。圖5是以周邊位移為例的反饋界面。

圖5　變形信息反饋Fig.5 Deformation information

4.3.4受力信息反饋

將受力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力、應(yīng)變或壓力類(lèi)數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將其處理并按照?qǐng)D6所示進(jìn)行力學(xué)信息反饋。

圖6　力學(xué)信息反饋Fig.6 Mechanics information

1)錨桿軸力

依據(jù)錨桿極限抗拉強(qiáng)度與錨桿應(yīng)力的比值K(安全系數(shù))做出判斷，K≥1是合適的；并根據(jù)錨桿軸力分布的峰值位置和峰值大小適當(dāng)修正錨桿長(zhǎng)度。

2)拱架內(nèi)(外)力

3)接觸壓力

接觸壓力的反饋和施工指導(dǎo)分3種情況：接觸壓力較大且變形量也大，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)以限制變形和壓力增長(zhǎng)；接觸壓力較大但變形量較小，說(shuō)明支護(hù)時(shí)機(jī)過(guò)早或支護(hù)剛度太大，應(yīng)修正支護(hù)時(shí)機(jī)和支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)；接觸壓力較小但變形量較大，說(shuō)明圍巖將失穩(wěn)，應(yīng)立即停止開(kāi)挖并加強(qiáng)支護(hù)或加固處理。

4)襯砌內(nèi)應(yīng)力

若噴層應(yīng)力太大，出現(xiàn)明顯裂損或剝落、起鼓等現(xiàn)象，應(yīng)適當(dāng)增加初始噴層厚度；若噴層較厚，還是出現(xiàn)上述現(xiàn)象，應(yīng)增強(qiáng)錨桿并改變施工措施。

5CMIMS在麻栗埡隧道工程中的簡(jiǎn)單應(yīng)用

5.1麻栗埡隧道工程概況

依托工程為張?zhí)浦剌d鐵路付營(yíng)子隧道(雙線隧道)和張桑高速公路麻栗埡隧道(雙車(chē)道)，限于篇幅，以麻栗埡隧道為例對(duì)CMIMS的部分功能(分析處理模塊中的變形數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè))進(jìn)行介紹。麻栗埡隧道建筑限界為10.25 m(凈寬)×5 m(凈高)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范[22]，隧道凈空斷面的尺寸為1 090 cm×695 cm。隧道圍巖為風(fēng)化砂質(zhì)頁(yè)巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)，隧道所處位置地質(zhì)復(fù)雜且有部分淺埋偏壓段。

依據(jù)3.3節(jié)的變形監(jiān)測(cè)控制基準(zhǔn)，覆土層厚度小于50 m，取Ⅴ級(jí)圍巖下的大值，求得拱腰處凈空收斂的允許值為：

U0=10 900mm×0.50%×1.1=59.95mm；

觀測(cè)點(diǎn)距開(kāi)挖面的距離大于2倍洞徑，依次求得不同等級(jí)位移基準(zhǔn)為：

U0/3=19.98mm，2U0/3=39.96mm。

因此確定該隧道工程相應(yīng)的預(yù)警等級(jí)及工程對(duì)策如表6所示。

表6　變形監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)及工程對(duì)策

5.2安全預(yù)警與分析、預(yù)測(cè)功能

麻栗埡隧道某斷面1個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)的水平凈空收斂變形數(shù)據(jù)如表7所示。

5.2.1安全預(yù)警

如表7，由累計(jì)變形數(shù)據(jù)和預(yù)警等級(jí)可知在第15，16 d左右達(dá)到橙色預(yù)警，應(yīng)該通知施工單位加強(qiáng)支護(hù)。變形速率的最大值也出現(xiàn)在第15，16 d，分別為2.55和2.14 mm/d，但變形速率未達(dá)到預(yù)警值。為了保證安全，系統(tǒng)還是會(huì)在第15，16 d向施工單位發(fā)出橙色警報(bào)。

表7水平凈空收斂累計(jì)變形數(shù)據(jù)

Table 7 Cumulative deformation data of the circumjacent convergence

mm

5.2.2回歸分析

應(yīng)用CMIMS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，不同函數(shù)模型的分析結(jié)果如圖7所示。

圖7　不同函數(shù)模型的回歸分析Fig.7 Regression analysis of different function models

如圖7，S型函數(shù)(泊松模型)為該斷面變形數(shù)據(jù)的最優(yōu)擬合函數(shù)，函數(shù)式為：

u=33.98/[1+40.27exp(-0.26t)]

5.2.3變形預(yù)測(cè)

依據(jù)上述最優(yōu)擬合函數(shù)，對(duì)21～40 d的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值如表7所示。由該函數(shù)模型也很容易求出最終累計(jì)變形量為33.98 mm，最終穩(wěn)定時(shí)間大致在第45 d。另外，在第33,34,35 d，變形速率連續(xù)小于0.1 mm/d，據(jù)此可確定二次襯砌的施做時(shí)機(jī)。

6結(jié)論

1)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息包含開(kāi)挖前的地質(zhì)與水文信息、開(kāi)挖后的爆破信息、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的變形數(shù)據(jù)和受力數(shù)據(jù)等；

2)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)收集、分析處理、信息反饋3個(gè)主要模塊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工程施工信息的采集、分析、預(yù)測(cè)、反饋等功能；

3)CMIMS在麻栗埡隧道工程中實(shí)現(xiàn)了部分功能的應(yīng)用，泊松模型可對(duì)該斷面的水平收斂變形數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地?cái)M合與預(yù)測(cè)，該斷面最終累計(jì)變形量為33.98 mm，最終穩(wěn)定時(shí)間在第45 d，二次襯砌的施做時(shí)機(jī)在第35 d；

4)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目全面，并能處理不同監(jiān)測(cè)儀器的采集數(shù)據(jù)，能適用于各類(lèi)隧道工程和多種施工方法的信息監(jiān)測(cè)與管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周丁恒，曹力橋，曲海鋒，等.不同圍巖情況下特大斷面公路隧道施工變形監(jiān)測(cè)與控制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009, 28(12):2510-2019.

ZHOU Dingheng, CAO Liqiao, QU Haifeng, et al. Deformation monitoring and control of super lager section highway tunnel with different surrounding rocks [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(12):2510-2019.

[2] 寧方端，姚愛(ài)軍，王天佐，等.土巖復(fù)合地層中CRD隧道施工的變形監(jiān)測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)控制[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2014, 34(3):383-388.

NING Fangduan, YAO Aijun, WANG Tianzuo, et al. Deformation monitoring and risk control of CRD tunnel construction in compound rock and soil strata [J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2014，34(3):383-388.

[3] Adoko Amoussou-Coffi, Jiao Yuyong, Wu Li, et al. Predicting tunnel convergence using multivariate adaptive regression spline and artificial neural network[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013(38):368-376.

[4] Sharifzadeh M, Kolivand F, Ghorbani M, et al. Design of sequential excavation method for large span urban tunnels in soft ground-Niayesh tunnel [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 35:178-188.

[5] 張運(yùn)良，王昌勝，路 平，等. 小凈距隧道施工監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011,8(6):50-53.

ZHANG Yunliang, WANG Changsheng, LU Ping, et al. Monitoring measurement technology and numerical analysis for neighborhood tunnel [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2011,8(6):50-53.

[6] 雷金山，陽(yáng)軍生，楊 峰，等. 大跨度偏壓連拱隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與受力分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010,7(4):31-35.

LEI Jinshan, YANG Junsheng, YANG Feng, et al. In-situ monitoring and mechanical analysis of large-span unsymmetrical loading multi-arch tunnel [J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010,7(4):31-35.

[7] Wu Xianguo, Liu Huitao, Zhang Limao, et al. A dynamic Bayesian network based approach to safety decision support in tunnel construction [J]. Reliability Engineering and System Safety, 2015(134):157-168.

[8] Ding L Y, Zhou C, Deng Q X, et al. Real-time safety early warning system for cross passage construction in Yangtze Riverbed Metro Tunnel based on the internet of things [J]. Automation in Construction, 2013, 36:25-37.[9] Ding L Y, Yu H L, Li H, et al. Safety risk identification system for metro construction on the basis of construction drawings [J]. Automation in Construction, 2012(27):120-137.

[10] 葉英，穆千祥，張成平. 隧道施工多元信息預(yù)警與安全管理系統(tǒng)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009, 28(5):900-907.

YE Ying, MU Qianxiang, ZHANG Chengping. Tunnel construction multivariate information forewarning and safety management system research [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(5):900-907.

[11] 王麗華，仇玉良，姚紅志，等.隧道監(jiān)測(cè)信息管理與預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012, 8(6):1287-1291.WANG Lihua, QIU Yuliang, YAO Hongzhi, et al. Development of monitoring information management and early warning system for tunnel [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2012, 8(6):1287-1291.[12] Li Xiaojun, Zhu Hehua. Development of a web-based information system for shield tunnel construction projects [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013(37):146-156.

[13] 蒲浩，彭永，徐源，等.隧道工程監(jiān)控三維實(shí)時(shí)交互可視化信息平臺(tái)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(3):91-96.

PU Hao, PENG Yong, XU Yuan, et al. Research on the 3D real～time interactive visualization information platform for tunnel engineering monitoring [J]. Journal of Railway Engineering Society, 2014(3):91-96.

[14] Wang Hao, Li Li, Jiao Yuyong, et al. A relationship-based and object-oriented software for monitoring management during geotechnical excavation [J]. Advances in Engineering Software, 2014(71):34-45.

[15] Fekete S, Diederichs M, Lato M. Geotechnical and operational applications for 3-dimensional laser scanning in drill and blast tunnels [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(5):614-628.

[16] JTG F60—2009, 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

JTG F60—2009, Technical specifications for construction of highway tunnel[S].

[17] 公路隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(征求意見(jiàn)稿)[S].

Monitoring and measurement specifications for construction of highway tunnel[S].

[18] GB 6722—2011, 爆破安全規(guī)程[S].

GB 6722—2011, Safety regulations for blasting[S].

[19] Jiang N, Zhou C. Blasting vibration safety criterion for a tunnel liner structure [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012(32):52-57.

[20] 蔣楠，周傳波，羅鋼，等.鐵路隧道混凝土襯砌爆破振動(dòng)安全判據(jù)[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012, 43(7):2746-2750.

JIANG Nan, ZHOU Chuanbo, LUO Gang, et al. Blasting vibration safety criterion of railway tunnel concrete lining [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(7):2746-2750.

[21] TB10121—2007, 鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

TB10121—2007, Technical code for monitoring measurement of railway tunnel[S].

[22] 廖朝華, 郭小紅. 公路隧道設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012.

LIAO Chaohua, GUO Xiaohong. Manual for design of highway tunnel [M]. Beijing: China Communications Press, 2012.

CMIMS: construction monitoring and informationmanagement system for drill and blast tunnelsFEI Guanghai1,2，WU Xiaoping1,2，LI Wenrong1,2，TANG Dongdong1,2，YANG Xianzhang3

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. Hunan Zhang-Sang Expressway Construction and Development Co. Ltd., Zhangjiajie 427000, China)

Abstract:It is necessary to monitor and manage the multivariate information during tunnel construction because of the mass monitoring data and the insufficient information. Based on the experiences of existing tunnels and current monitoring technologies, an information management, forecasting and safety warning software system for tunnel construction was presented, which can manage the monitoring information efficiently, analyze accurately and feedback timely. According to the requirements of monitoring in shallow tunnel, the CMIMS contain three main modules which were data collection, analysis and feedback. The construction monitoring data include hydrogeology and engineering geology information before excavation, blasting information after excavation, deformation and mechanics information. The system is intended to enable effective construction information collection, analysis and feedback, which can improve the safety and quality during tunnel construction. The applied case—Maliya tunnel, indicates that the Logistic regression can fit and predict the deformation data effectively. The CMIMS can be widely applied to monitor the sites of various tunnel construction projects, and it has an important meaning for dynamic design, risk identification and engineering measure choices.

Key words:tunnel; drilling and blasting method; construction monitoring; information management

中圖分類(lèi)號(hào)：U456.3；U25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0775-08

通訊作者：吳小萍(1965-)，女，四川雅安人，教授，博士，從事道路與鐵道工程、隧道與地下工程等方面的研究；E-mail:csurailwayfgh@163.com

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014G005-A)；湖南省交通科技項(xiàng)目(201436)；中南大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015165，YC2015600)

收稿日期：2015-08-09