浩吉铁路隧道施工监控量测管理与技术创新

雷蕾

(成都信息工程大学物流学院，四川 成都610103)

浩吉铁路(原名蒙华铁路)是国家“十三五”规划的重大交通基础设施项目之一，是中国境内一条连接内蒙古浩勒报吉与江西吉安的国家一级电气化铁路，世界上一次性建成并开通运营里程最长的重载铁路[1]。作为新奥法核心之一，监控量测对施工安全保障发挥着重要作用[2]。浩吉公司(即浩吉铁路股份有限公司，原名为蒙西华中铁路股份有限公司)在充分调研、借鉴国内外先进监控量测经验的基础上，结合隧道建设实际对监控量测管理、工艺工法等方面进行创新，取得良好的应用效果，有效地保障隧道施工安全。本文从浩吉铁路与监控量测相关技术、管理出发，深入阐述浩吉铁路监控量测方面的相关经验，以期为今后隧道施工提供有益借鉴。

1 工程概况及隧道概况

1.1 工程概况

浩吉铁路北起内蒙古自治区浩勒报吉南站，途经内蒙古、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西7个省(自治区)，终至京九铁路吉安站，正线全长1813.544 km，是北煤南运新的战略通道。该项目地域跨度范围广，跨越的河流、山脉众多。地质条件复杂，桥隧比大。正线大中桥711座/381 km，隧道228座/468.5 km，桥隧比约46.8%。

1.2 隧道概况

浩吉铁路正线隧道228座，总长约468.5 km，占正线总长的25.8%，L≥10 km 隧道10座。根据隧道长度、断面情况、风险预警等级、隧道工程特点，经相关专家风险评估后确定的风险隧道累计达22座。其中，集义、万荣、中条山、崤山、西安岭等7座隧道为Ⅰ级风险隧道，白城、阳城、王家湾、麻科义、阳山、禹门口、梨树坡等15座隧道为Ⅱ级风险隧道；全线断面形式主要分为单、双线正洞和单、双车道辅助坑道，主要采用全断面、两台阶、三台阶等开挖方法；沿线穿越砂层、黄土、砂泥岩、板岩、花岗岩、灰岩等多种地层及富水断层、岩溶、瓦斯、湿陷性黄土、高地应力水平岩层等不良地质。地质条件复杂、施工难度大、风险控制要求高、控制因素多。施工安全成为取得该项目良好经济效益和社会效益的关键，加之参与单位多，各单位管理水平、人员素质等存在差异，采取有效地监控量测管理和技术成为保障隧道安全施工的重点。

2 测点埋设原理

浩吉铁路因优化了初支钢架和全面使用湿喷机械手，故可将测点焊接到钢架。看似是监测初支变形，违背“新奥法”把围岩看作是支护的重要组成部分进行监测的理念。但是这两种施工方法的结合可以确保初支密贴围岩，形成一个整体。这样的测点埋设方法既保证了测点牢固又起到了监测围岩形变的作用，从施工到监控量测都完全满足“新奥法”施工原理[3]。若采用传统工字钢的刚性支护和干喷，难以保证初支背后无空洞、初支与围岩密贴。现场三台阶法施工的隧道监控量测点布置效果见图1。

图1 测点埋设效果图

2.1 优化初期支护钢架

浩吉铁路采用柔性格栅钢架。型钢钢架刚度大、加工简单，架设后能较快速提供对围岩的早期支撑作用，但质量大、架设难、与开挖面不易密贴、混凝土喷射不实；柔性格栅钢架质量轻、安装快、用钢量少，可与喷射混凝土良好结合、协同受力[4]。从受力角度来看，格栅钢架比型钢钢架应力小，且应力分布相对均匀。为保证格栅钢架的制作质量，浩吉公司全线推广应用四肢主筋8字结连接格栅钢架(见图2)，确定了H130、H150、H180、H230标准化钢架型号，全部采用工厂化集中生产、统一配送。同时，将测点布置在优化后的格栅钢架上。既能保证测点牢固，又能稳定采集围岩形变的数据。

图2 格栅钢架支护

2.2 全面使用湿喷机械手

初期支护承载着隧道围岩压力负荷，对施工安全至关重要，保证初期支护喷射混凝土的质量尤为关键。浩吉公司强制要求拌合站集中供料，每个作业面必须采用湿喷机械手喷射混凝土(见图3)。该工艺使得围岩和初支紧密贴合，为保障监控量测数据获取的准确性提供了工艺条件。通过对全隧道分布、工作面数量及开工顺序研究，分析机械手合理配置数量和规格要求(≥15 m3/h)。浩吉铁路全线228座隧道，实际投入机械手339台，实现施工掌子面全覆盖[5]，为监控量测奠定良好的工艺基础。

图3 湿喷机械手作业

3 监控量测平台

3.1 平台架构及界面

平台采用目前世界上主流的NET开发平台和先进的基于互联网的B/S(浏览器/服务器)与C/S(客户机/服务器)相结合的技术构架，整体技术框架稳定、可靠、标准，支持各种操作系统(Windows、UNIX、LINUX)和大型数据库(Oracle、SQL-SERVER、SYBASE等)，具有实施速度快、维护成本低、扩展性强、支持点对点的实时通信和数据集中存储的优势，硬件配置要求低。可在PC Server级服务器上流畅运行，有效降低了IT成本[6]。

平台采用可视化操作界面(见图4)，系统点击界面分别为：系统登录—主界面—隧道分布图—隧道纵断面图—数据展示，整体直观、便于操作[7]。主界面为全线标段分部图，若测点发生预警，主界面该标段变为相应颜色，且伴随声音提醒，正常为绿色，二级预警为黄色，一级预警为红色。右侧展示全线各级预警数量，点击可查询预警详情。

图4 系统主界面

隧道分布图为该标段隧道分部地点，右侧展示该标段预警信息。隧道纵断面图可直观展示监测断面分部，V级围岩间隔5 m，IV级围岩间隔10 m，由于背景图为设计图纸CAD转换的JPG图，故发生预警时可直观、快速看到该预警处是否有偏压或地质条件极差等有用信息。右侧展示该隧道的预警信息。数据展示可切换地表沉降、拱顶下沉、净空收敛监测项目[8]，且数据与图形结合展示。此外，手机app可自动以短信的形式推送预警信息，极大方便了管理人员和技术人员获取隧道变形信息(见图5)。

图5 手机app数据、预警查询

3.2 平台特点

该平台具有以下特点：① 系统简洁，操作方便，实用性强；② 各隧道工点量测工作的全覆盖；③ 有效防止量测数据的人为干预或造假；④ 量测数据的实时查询、进行溯源监管；⑤ 提高现场工作效率、信息共享及时；⑥ 量测异常数据及时预警，分级处治[9]，真正发挥隧道施工监控量测工作的作用，预防安全事故发生[10]。

3.3 平台功能

① 原始数据的查询功能。② 输出日报、周报或月报，绘制单点、多点数据趋势图等功能。③ 预测可能最大变形量，根据监控量测管理等级自动发布预警信息，记录预警处理结果等功能。④ 测点埋设处初期支护侵限计算、判别及侵限提醒等功能。⑤ 具备监控量测工作进度管理功能。⑥ 生成监控量测汇总表。

3.4 技术要求

(1)用于上传数据的终端或其他手持通讯设备，与测量仪器(全站仪、电子水准仪等)固定匹配。

(2)监测项目代号、图例及测点编号，具有唯一性。

(3)监控量测数据采集符合下列要求：① 全站仪、电子水准仪等仪器具备R232接口或蓝牙。② 移动智能终端操作系统为Andriod 4.0及以上，安装监控量测信息化专业软件。

(4)监控量测数据的采集、分析和处理，采用图6所示的模式。

图6 数据分析与处理模式示意图

4 监控量测管理

传统监控量测理念并未将监控量测工作在真正意义上渗透至施工管理中，存在重视程度不够、流于形式、人员素质低、监测信息化技术落后等问题，难以保障施工安全。为避免“形式化”执行、“粗犷式”管理的现象再次出现，切实有效地保障隧道安全，浩吉铁路进行了一系列监控量测管理的创新、优化。

4.1 依托监控量测技术咨询，优化监控量测方案

对国内外相关科研单位等进行多次调研，严格执行招投标程序，筛选出监控量测技术一流的单位进行技术咨询，集中讨论。专家小组根据隧道类型、围岩条件、开挖方法等统一编制监控量测实施方案[11]。该方案作为指导性实施意见，为各施工单位明确断面布距、测点布设要求、监测频率、预警指标等基本要求。尤其在预警控制基准方面，结合科学试验、现场实际情况及历史数据，在中铁总公司《铁路隧道监控量测技术规程》的基础上进行科学调整，充分保障预警阈值设置的合理性。

4.2 实行监控量测动态管理

坚持“实事求是、及时响应、准确把控、有效处置、实时跟踪、闭合处理”的动态管理理念。定期或不定期对监控量测工作开展专项检查和会议，及时整改问题、反馈建议。建立问题、建议数据库；多次修订、完善监控量测实施方案及管理机制，做到每次发生预警，相关人员第一时间赶赴现场进行查看情况、核查处理，处理完成后待测点数据趋于稳定再关闭预警。通过认真落实监控量测工作，积累大量数据和经验，结合实际施工情况进行分析，及时反馈信息，进而为调整预警值提供依据，指导施工和设计的优化。

4.3 强化监控量测理念，明确监控量测职责

浩吉公司要求监控量测必须纳入工序管理，真正做到“不量测不进洞，不安全不进洞”，回归“新奥法”施工原理，提出“一强化、二紧跟、三超前、四到位”的施工理念。其中“一强化”：强化监控量测，明确监控量测工作在隧道施工过程中的重要作用；要求各单位管理层领导每天查看监控量测数据，针对预警，第一时间询问现场情况，短时间内使各单位主要负责人对隧道施工监控量测工作高度重视[12]。明确各方管理职责，确保“全员、全过程”监督和控制。实行指挥部、监理、设计、施工单位共同参与的管理体系，严格实行人员绩效评价[13]。指挥部对监控量测实施进行管理，设计单位负责监控量测设计并参与施工过程监控量测工作，施工单位是监控量测实施的主体责任单位，监理单位负责对监控量测实施进行监督、检查。各参建单位应成立监控量测管理组织机构，配备满足需要的人员，建立相应的责任体系。

4.4 建立隧道监控量测信息化平台，细化监控量测预警管理

全线采用全站仪非接触式量测，建立隧道监控量测信息化平台。全线隧道的监控量测数据统一纳入信息管理平台，严格数据的采集和上传。参建单位技术和管理人员可通过监测信息管理app实现手机实时查看量测数据；监控量测实行数值管理，细化不同地质条件的监控点布置、预警值。通过变形总量、变形速率、初期支护表观现象和变形时态曲线等四项指标，对隧道支护结构安全进行综合等级管理，预警等级分为正常(绿色)和二级(黄色)、一级(红色)预警[14]。一旦出现预警，信息平台自动发送预警信息至责任人，各级管理人员可在第一时间研究并采取有效的处理措施[15]。

4.5 监控量测测点实行单价计费

浩吉铁路采用单价承包模式，监控量测单位可根据现场实际，对监控量测测点数量、布置等进行现场勘察和测试研究。现场实际工作量的增减都能体现在计价中，促使现场根据实际采取有效措施。对合理增加的费用给予认可，极大地调动了监控量测人员及参建单位的积极性，对保障施工安全起到了重要作用。

5 结论与讨论

浩吉铁路作为国家投融资改革示范项目，在保障隧道施工安全上进行多项监控量测技术、管理创新和探索。测点埋设基于优化格栅钢架和采用湿喷机械手，为获取准确、稳定的监控量测数据提供工艺条件；信息化平台的应用实现施工安全的可视化、预警数据实时化等；技术咨询单位的介入保证监控量测方案的科学性；动态管理促使监控量测技术发挥实效；测点单独计价，大大增加施工单位的配合度，保障参建单位的经济收益。多种监控量测管理与技术的创新，促使浩吉铁路隧道施工取得良好的示范效果。

然而，根据现场实际情况和经验，面对复杂多变的工程地质条件，如何使预警基准值确定得更加合理科学，更准确反映围岩变形的状态，还须不断总结分析、提高。浩吉铁路监控量测管理与技术在实际应用中发挥了重要作用和信息化优势，但隧道施工作业的安全受各种因素的影响，监控量测信息化管理仍有待完善和提高。在隧道安全管理工作中需要综合多种技术、多方力量，实现铁路隧道信息化综合平台建设。浩吉铁路在隧道施工监测信息化只是在综合平台的一个小单元模块做了一点有益的探索，离智能化工程管理需求还有一定差距。