隧道竖井施工自动化监测方法研究

2023-06-12段兴明谢家林

岩土工程技术 2023年3期

段兴明冉华魏通谢家林

（1.云南交投公路建设第一工程有限公司，云南昆明 650034；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

竖井施工监控量测是竖井施工管理的重要组成部分，它不仅监测各施工阶段围岩动态，确保施工安全，而且通过现场监测获得围岩动态和支护工作状态的数据，为修正初期支护参数、确定二次衬砌施作时间提供信息依据，还能为隧道竖井工程设计与施工积累资料，为今后的设计和施工提供类比依据。

由于竖井的竖直结构和施工场地限制，监控量测人员只能在掌子面附近工作，无法到达离掌子面较远的断面，而在掌子面附近的工作平台上，也无法使用常规的监控量测技术，如水准仪、全站仪等，导致竖井施工监控量测成为一个难题。

水平隧道施工监控量测的研究成果较多。冯陈楷[1]依托京台建瓯至闽侯高速公路宁德市境 A2 合同段中平隧道工程，对施工过程进行监控量测，通过监测数据分析了围岩的稳定性。秦朝辉[2]对某高速公路隧道施工工程进行监控量测，分析了支护效果。刘熙媛等[3]对公路隧道施工监控量测方法进行对比研究，研究表明人工辅助瞄准多测回三维坐标量测是较好的方法。刘春等[4]在隧道施工中研究了三维激光全断面扫描的监测方法，取得了一定效果。牛帅斌[5]结合大断面软岩隧道施工监测实践，通过施工监测分析了支护结构设计的合理性。吴乃龙[6]通过对运营期隧道监控量测，处理相应监测数据，得到隧道结构的变化形态。和振海等[7]依托某高速公路隧道，建立隧道施工智能监测系统，采集拱顶沉降和水平收敛数据，分析了隧道变形特点。

针对竖井施工监控量测的研究成果相对较少。田正[8]对秦岭公路隧道2 号竖井中隔板监控量测，分析了中隔板的稳定性。朱江伟等[9]对某地铁隧道竖井开挖及支护过程监控量测，分析了监测数据。黄珂等[10]对某市政管道越江隧道竖井施工过程监控量测，分析了地表沉降。

公路隧道通风竖井一般为大直径深竖井，受竖直结构和施工空间的限制，常规的监控量测技术可操作性差，一直以来成为竖井施工监测的难题。为解决这一难题，依托云南墨临高速公路泰和隧道竖井工程，对竖井施工自动化监测方法开展了研究。通过实施泰和隧道竖井施工自动化监测方案，得到了泰和隧道竖井施工期间的监测数据，监测数据反映了各施工阶段围岩动态。本文的竖井自动化监控量测方案可以给类似工程提供参考依据。

1 工程概况

泰和隧道左幅和右幅正常运营工况采用全射流纵向通风方式，消防排烟工况采用竖井分段排烟方式，于隧道右线K203+408 两幅隧道正中间设置一座排烟竖井，设计内轮廓直径5.0 m，设计深度279.55 m。竖井施工吊桶如图1 所示。

图1 竖井施工吊桶

根据地勘报告，竖井围岩分为Ⅴ1、Ⅳ3、Ⅳ2 三个级别。竖井深0～20 m 段为Ⅴ1 级围岩，围岩以粉质黏土、粉砂岩、泥岩为主；竖井深20～50 m 段为Ⅳ3 级围岩，围岩以粉砂岩、泥岩为主；竖井深50～279.55 m 段为Ⅳ2 级围岩，围岩以泥岩、粉砂岩为主。

竖井井身段采用钻机反井正向扩挖法施工，先用天井钻机在井位中心自上而下钻导向孔，直达联络通道顶，待井下联络通道与竖井贯通后，在隧道中拆除钻头换成扩孔刀头，由下而上，反向扩挖形成直径1.4 m 的出渣孔，最后再用钻爆法从上往下扩挖到设计尺寸。

2 竖井自动化监测方法研究

隧道常规的监控量测使用水准仪、全站仪，由于隧道竖井结构和施工空间限制，常规监测手段可操作性差，需要采用自动化监控量测技术。自动化监控量测技术有如下优点：受施工干扰小，同一断面只需安装一次；安装成功后，人员可不需再次下井，在井上便可完成监测工作。

2.1 自动化监测设备及原理

监控量测采用的测试元件为振弦式传感器，振弦式传感器有如下优点：（1）设备简单，性能可靠；（2）数据稳定，受温度、电磁干扰影响小；（3）可预埋，也可表面安装；（4）适合施工监测等长期观测。振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小。通过相应的测量电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号，其振动频率按式（1）计算：

式中：f为震动频率；L为振弦的长度；σ为振弦截面上的拉应力；ρ振弦材料的密度。

竖井井壁位移和围岩压力是判断围岩是否安全稳定的重要依据。地下水会软化围岩，降低围岩的强度，引起围岩的变形破坏。因此，有必要对井壁位移、围岩压力和渗水压力进行监测。围岩压力的测量采用TGH 型振弦式土压力盒（见图2），竖井井壁位移采用WYGH-Ⅱ型顶板位移计测量（见图3），渗水压力通过SYGJ 型振弦式渗压计监测（见图4）。上述仪器的主要技术参数满足监测要求（见表1）。

表1 振弦式传感器主要技术参数

图2 TGH 型振弦式土压力盒

图3 WYGH-Ⅱ型顶板位移计

图4 SYGJ 型振弦式渗压计

2.2 测点布置

竖井监测断面布置如图5 所示。在同一个断面上布置3 个土压力盒、3 个位移计和1 个渗压计，压力盒、位移计于井壁圆周均匀设置（见图6）。泰和隧道竖井自动化监控量测的项目、测点数量及测点布置表见表2。

表2 监测项目、测点数量及测点布置

图5 监测断面布置示意图

图6 断面测点布置示意图

2.3 自动化监测系统简介

数据自动化采集通过传感器及DQ-n 多点采集系统实现。DQ-n 多点采集系统在总结长期工程经验的基础上，采用更高性能的采集单元和更先进的设计，整合操作灵活、功能丰富的采集软件，提高了系统可靠性、安全性，适合在室外总线组网，集中数据，在工程施工前后长期提供丰富详实的监测信息。

DQ-n 多点采集系统的工作原理：DQ-8 多点采集器（见图7）与振弦式传感器连接，通过内部电路激发接受传感器的频率信号，并输送给工控机。工控机与多个串联的DQ-8 多点采集器通过485 总线连接，在工控机上安装有采集软件，高速采集各个DQ-8 多点采集器的频率信号并分析处理。

图7 DQ-8 实物图

DQ-n 多点采集系统由多个DQ-8 多点采集器、DQ 供电存储单元、485 收发模块、振弦传感器、工控机组成。采集器和工控机采用总线拓扑。其系统结构见图8，DQ-n 型多点采集器电脑软件界面见图9、图10。

图8 系统结构示意图

图9 分站信息界面

图10 数据采集界面

2.4 竖井自动化监测系统的实现

竖井自动化监测仪器按照以下顺序进行安装：（1）在井口附近安装好计算机和DQ-n 型多点采集器微机软件；（2）钻爆法开挖到设计高度后，安装土压力盒、位移计和渗压计；（3）通过数据线连接传感器和DQ-8 采集器，计算机与DQ-8，DQ-8 之间用数据线连接；（4）已建立连接的传感器，即可在井口附近的计算机上查询到监测数据。竖井自动化监测系统全局见图11。