复合式中墙连拱隧道施工监测与分析

2021-10-29和振海孙印国罗忠荣姜成业

科技和产业 2021年9期

和振海，孙印国，罗忠荣，姜成业

(1.云南勐绿高速公路投资开发有限公司，云南普洱 665000； 2.中铁开发投资集团有限公司，昆明 650500；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071； 4.中国科学院大学，北京 100083)

随着中国高速公路的发展，许多公路要在崇山峻岭中穿过，连拱隧道成为此地形区域的首选方案[1]。连拱隧道的中墙是其重要的组成部分和承重结构，隧道中墙又分为整体式中墙和复合式中墙，其中复合式中墙较整体式中墙有较好的防排水系统，两洞相对独立等优点在国内外得到广泛的应用[2]。在连拱隧道施工安全监测方面，李五红[3]根据工程实际结合数值模拟计算分析出拱顶最大沉降量为20 mm，在开挖后30～40 d后，拱顶沉降逐渐趋于稳定。周丁恒等[4]研究各阶段施工中墙应力分布特征得出两洞上台阶开挖引起的支护体系应力分布变化大，对于大断面大跨度连拱隧道，应早做二次衬砌结构。何桂珍等[5]提出相对于传统的收敛变形的监测方法，地面激光扫描技术极大地提高

工作效率，具有更好的准确性。杨果林等[6]依托实际工程，通过现场监测分析得出，复合式曲中墙连拱隧道的中墙荷载主要由主洞的上台阶开挖产生，其中强度不是中墙设计的控制因数，中墙最不稳定状态出现在主洞的非对称开挖阶段。付志鹏等[7]结合工程实际得出，V类围岩平均下沉量较Ⅳ类围岩大，且达到稳定阶段的时间也较长，隧道围岩初期变形与时间基本呈现指数函数收敛模型，具有较好的可观测性。邱军领等[8]根据黄土连拱隧道工程监测分析，中墙基底压力两边大中间小，呈“马鞍形”分布，基底压力比中导洞顶部接触压力大；中墙钢筋计轴力向底部增大，中墙受力上部较下部敏感。李纳[9]通过研究越江公路隧道的沉降与收敛变形得出；接地处下沉较为明显，越接近地面，下沉量越大；盾构段隧道累计沉降表现为整体上抬；盾构段收敛变形整体较小，尤其是竖向距离变化，横径变化方向为横径变长。瞿永等[10]得出：应变监测是中隔墙监测中的重点；中隔墙浇筑20 d左右，中导洞的围岩应力释放达到稳定，中隔墙主要受到竖向的应力；对于中隔墙的稳定性和安全性的考虑，最不利工况出现在非对称开挖的时候。于建新等[11]通过现场监测分析了公路隧道上穿既有供水隧道时，既有供水隧洞衬砌混凝土的表面应变与断面收敛情况。李明等[12]提出了小波降噪和最小二乘法结合进行监测数据预测的方法，此方法预测的结果准确可靠。潘家升等[13]依托实际工程，建立数值模拟，再结合实际监测数据，来进行对隧道围岩的分析。周丁恒等[14]通过监测大跨度大断面连拱隧道的支护体系，从而通过监测的结果来调整施工方法。邱长林等[15]通过现场监测和模型试验得出，对于整体式中隔墙连拱隧道，上台阶开挖对顶部位移和中隔墙应力的影响大于下台阶开挖产生的影响。

上述文献对隧道中墙和变形的监测均采用传统的监测方法得到监测结果，而通过智能监测隧道变形的工程实例较为少见。本文以云南某高速公路实际工程为背景，通过智能监测系统对隧道变形能力进行实时监测及分析，相关监测数据可指导隧道的施工与支护，并且可以及时地预防工程灾害的发生。以期为此类监测技术及隧道变形提供借鉴。

1 工程背景

依托高速公路全长246.37 km，项目按全封闭、全立交高速公路标准建设，双向四车道，设计速度为80 km/h，路基宽度为25.5 m。其中选取路两个隧道断面进行测试，测试面桩号为1号隧道ZK212+890、YK212+905和2号隧道ZK216+120。隧道围岩以碎石土、粉砂岩、石英砂岩为主，呈强-中风化，中厚层状构造，节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎石状体结构；岩体富水性较强，隧道开挖时可能存在较大量的滴水、渗水等现象。岩体自稳能力差，开挖时不及时支护或支护(处理)不当易产生较大规模的坍塌，侧壁稳定性较差。连拱隧道进口如图1所示。

隧道支护采用新奥法原理，采取复合式衬砌设计。初次衬砌系统包括锚杆、钢筋网和喷射混凝土，二次衬砌采用钢筋混凝土结构，支护结构参数见表1和表2。

表1 Ⅳ级围岩复合式衬砌结构参数

表2 Ⅴ级围岩复合式衬砌结构参数

连拱隧道施工按先行洞及后行洞进行施工组织，后行洞在先行洞二次衬砌完成不小于30 m并达到设计强度后再开挖，先行洞二次衬砌超前后行洞不小于30 m。Ⅳ级围岩段先行洞采用台阶开挖，后行洞采用留核心土台阶开挖，Ⅳ级围岩段落应采用控制爆破开挖掘进，后行洞开挖对先行洞二衬的爆破震动速度控制标准值应小于15 cm/s。左、右幅先行隧道二衬完成段与后行隧道掌子面的距离不得小于40 m。左、右洞中、下台阶两侧开挖宜错开，错开长度为5～10 m。Ⅴ级围岩段先行洞和后行洞采用留核心土台阶开挖，Ⅴ级围岩采用机械配合爆破施工，要求和Ⅳ级围岩一致。

2 监测方案

为构建高速公路连拱隧道在线实时监测系统，全程对复合式中墙连拱隧道单洞法施工过程中隧道变形进行现场观测，对监测结果进行分析与总结规律。根据项目要求，在1号隧道ZK212+890、YK212+905断面和2号隧道ZK216+120断面，拱顶沉降和水平收敛采用自动化监测方法。每个监测断面布置隧道RSM-LES激光位移传感器2支(图2)。3个断面处预埋RSM-LES激光位移传感器，共计6支，并连接MCU数据自动采集箱和 LoRa 无线电台远程无线通信终端，实现远程控制，如图3所示。系统构建完毕后可长时间实时采集相关数据，现场无须人员值守操作，在任何地方只要上网登录自动化安全监测系统，或采用安卓系统手机安装自动化MCU采集App，即可随时查看、了解并更新监测数据的动态变化。

图2 隧道拱顶沉降、水平收敛监测

图3 数据采集与远程监控相关设备

RSM-LES激光位移传感器是新一代的测距设备，专为工业测量市场设计。具极高的测试精度和稳定性，通过发射激光束至目标物体，利用反射光束精确计算距离，可在不加反射靶的情况下，也可达到很远的检测距离，如加上反射板测量距离最长可达500 m，精度最高达1 mm。此位移传感器可以24 h在线连续监测，在无人值守的状态下亦可得到连续的监测数据。

MCU采集仪功能强大，稳定耐用，现场连接操

作简单；自动化程度高，实现无人值守，断电情况下能够自动恢复采集的功能，同时提供实时人工控制功能；仪器精度高、可靠性好等优点。

自动化监测设备实际工作分为两个部分：一个是洞内测站(监测断面)数据自动采集且由LoRa无线电台接收信号；另一个是廊道口(洞口)发射信号且由无线通信终端传输数据。

数码式多通道采集仪得到的数据实时上传到智能数据云平台，真正实现多个传感器24 h连续数据采集上传，足不出户就可以看到现场每个传感器的数据图表结果。

数据云平台采用阿里云平台，数据云平台不仅可以采集现场所布设的传感器，并进行汇总、分析以及展示，并且平台有自动上传和手动上传两种方式，可以兼容上传人工观测的数据。同时可在监测数据发生超限变化时对监测人员以及业主进行预警。不仅如此，业主也可在需要的时候登陆平台自行查阅本项目的相关资料，实时数据。在线智能监测总体组织流程如图4所示，系统平台界面如图5所示。

图4 在线监测总体组织流程

图5 系统平台界面

3 监测结果分析

水平收敛和拱顶沉降是对隧道的围岩变形最直观的表现，在实际工程中具有重要的意义。结合高速公路1号隧道ZK212+890断面、YK212+905断面和2号隧道ZK216+120断面的现场监测结果，得到隧道水平收敛值和拱顶沉降与时间的变化曲线，如图6～图8所示。

图6 1号隧道YK212+890拱顶沉降和水平收敛监测结果

图7 1号隧道YK212+905拱顶沉降和水平收敛监测结果

图8 2号隧道ZK216+120拱顶沉降和水平收敛监测结果

1号隧道ZK212+890断面监测仪器埋设日期为2019年9月23日，2号隧道ZK216+120断面监测仪器埋设日期为2019年11月23日，1号隧道YK212+905断面监测仪器埋设日期为2020年3月 3日。

结合监测结果分析，3个监测断面上，拱顶沉降和水平收敛的值均随着时间的推移而逐渐变大。1号隧道ZK212+890断面拱顶沉降最大值 15.55 mm，水平收敛最大值15.19 mm；1号隧道YK212+905断面拱顶沉降最大值16.42 mm，水平收敛最大值14.33 mm；2号隧道ZK216+120断面拱顶沉降最大值14.5 mm，水平收敛最大值15.3 mm。

1号隧道ZK212+890断面和2号隧道ZK216+120断面的水平收敛值比拱顶沉降值较大，但相差不明显。而1号隧道YK212+905断面的拱顶沉降值明显比水平收敛值大。

3个监测断面，在监测的时间段内沉降和收敛的最大值相差较小，约在1～2 mm。由各监测断面结果可以看出，各断面的拱顶沉降和水平收敛的变化趋势基本一致，可分为以下3个发展阶段：

1)阶段1：在开始监测的后的2～3 d时间内，各断面的水平收敛值和拱顶沉降值变化相对较大。相邻两个监测时间段的监测差值波动较大，变化值要大于2 mm。

2)阶段2：在监测的3～8 d内，各监测断面的拱顶沉降和水平收敛值减小。相邻的两个监测时间段的监测差值呈稳定的下降，变化值稳定在1～2 mm。

3)阶段3：在开始监测一周以后沉降值和收敛值变化无明显改变，控制在1.0 mm以内，隧道的拱顶沉降和水平收敛随着时间的推移逐渐趋于稳定。