“多层次、可视化”预警体系在隧道施工中的应用研究

洪祥水，蒋佳将

（浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

隧道工程属于高风险工程建设领域，具有高度多维不确定性，这些不确定性进而会影响隧道工程建设的各个环节[1-2]。基于隧道工程技术特点，如工程地质环境复杂、取得精确数据困难等，其设计必须考虑多种容易发生变化的因素，包括关系繁杂的、数据繁多的、很难精确定量的工程地质因素、自然气象因素、施工因素等。其施工的实际工况也存在很大的变化性和高风险性，必须从中找出最可靠、最经济的解决方案[3-5]。

临金高速第TJ04标仰天洞隧道隧址区围岩以炭质泥岩为主，岩体破碎、饱水易软化。隧道ZK58+250—ZK58+200 段在持续降雨天气施工时，上台阶掌子面核心土和拱顶出现局部垮塌，ZK58+225 断面拱顶最大累计沉降50cm，隧道出现下沉导致上台阶初支侵限。需要凿除侵限的支护和围岩，恢复原设计断面，但凿除的施工过程风险极大，若处理不当可能会引起塌方，甚至将隧道完全堵塞，极易造成施工人员伤亡和毁坏施工设备、增加工程成本、延误工期[6]。本文结合仰天洞隧道出口左洞断面恢复工程，开展塌方预警方法研究，开发了“多层次、可视化”预警体系，旨在直接服务于现场信息化施工，做到险情预警可视化、无延迟。

1 “多层次、可视化”预警体系设计

1.1 设计原则

（1）安全保障和预警体系所需信息要便于采集和收集，设备应便于现场安装，数据要方便读取。

（2）安全保障和预警体系、预警过程应尽量减少数据传输的次数，提高预警的灵敏度，做到数据传输无延迟。

（3）安全保障和预警体系应尽量减少外部环境对预警效果的影响，尽量采用稳定的机械结构，保证隧道预警的稳定性。

1.2 总体结构

“多层次、可视化”预警体系由3部分组成，如图1所示。

图1 “多层次、可视化”预警体系构成

（1）隧道信息化监测：在隧道内布置监测断面，全程监测围岩拱部沉降和断面收敛。监测数据通过专用软件上传到网络，手机App 可实时查看，当监控项目累计变形超过预警值时，手机App应自动报警。

（2）一种能够失稳报警的隧道断面恢复施工支撑结构：断面恢复施工前设置工字钢杆件临时支撑隧道拱部围岩，在杆件底部安装一种能够对压杆失稳进行报警的装置。

（3）隧道顶板安装一种直观监测隧道围岩顶部沉降的装置：断面恢复施工前在顶板安装该装置，实时观测隧道拱顶下沉情况。

1.2 工作原理

1.2.1 隧道信息化监测工作原理

采用C#编程语言，结合Mysql 的数据存储功能，对隧道施工监测预警进行系统设计。当系统进行监测数据处理分析以及大变形警情分析时，由C#语言从Mysql 数据库中读取所需内容至内存，调用由C#编写的算法进行计算，接着C#将计算结果保存至Mysql 数据库中，然后通过C#与Mysql 的交互过程将分析结果反馈到手机App 上，供用户查看。其运行原理如图2所示。

图2 隧道监测分析预警运行原理

1.2.2 支撑杆失稳报警装置工作原理

在已经侵限的上台阶钢架下方，架设工字钢杆件临时支撑隧道拱部围岩，在杆件底部安装报警装置，杆件压力达到失稳临界荷载（考虑了安全系数）时即报警。报警装置结构见图3 和图4，包括：报警器（4）、压力传感器（5）、底座（6）、固定钉（7）。工字钢支撑（1）的底端压在压力传感器（5）上，压力传感器（5）放在底座（6）内，底座（6）利用固定钉（7）嵌入临时仰拱（3）中；报警器（4）与压力传感器（5）相连接。通过理论计算获得工字钢（1）受压失稳时的临界荷载，考虑安全系数后将其设置为压力阈值，通过压力传感器转换为电压阈值，并将电压阈值设定为激发报警器的报警阈值。当压力荷载达到设定的压力阈值时，报警器（4）发出警报，并亮红光；反之，则表示工字钢压杆工作正常。

图3 支撑体系平面图

图4 装置结构剖面图

1.2.3 直观监测拱部沉降的监测装置工作原理

直观监测隧道围岩顶部沉降的监测装置包括：（1）锚爪、（2）位移连接线、（3）附着在顶部的铁爪、（4）孔口管、（5）环形触片、（6）报警尺、（7）触点、（8）限位扣、（9）导线、（10）报警器、（11）钻孔、（12）限位螺丝、（13）限位管，如图6～图9所示。

图6 装置结构平面图

图7 报警器结构图

图8 结构安装图

图9 限位扣结构图

2 “多层次、可视化”预警体系的现场应用

2.1 布设监测点

制定安全技术交底书，对施工人员进行安全技术交底。检查上部山体排水系统，确保排水良好，无水坑无积水。雨天要加强山体排水观测。根据仰天洞隧道施工进度情况及时布设监测断面，设置洞内外22个观察断面，3 个地表下沉观测断面，27 个拱顶下沉及周边位移监测断面，见图10～图11。

图10 周边位移测线布置图

图11 拱顶下沉测线布置图

2.2 安装可视化预警装置

上台阶仰拱中线位置每3m 设置一种用于隧道断面恢复施工支撑杆失稳的报警装置压力传感器放在底座内，型钢支撑的底端压在压力传感器上，底座利用固定钉嵌入临时仰拱中；报警器与压力传感器相连接，布置于临时仰拱上，起到预警作用，见图12。

图12 失稳报警装置现场安装图

侵限范围内拱顶安装一种用于监测隧道顶部下沉的报警装置，纵向间距为3m。先在隧道钢拱架顶部钻一个深孔，然后利用安装杆将其顶入深孔的深部，适当拉伸位移连接线，位移连接线从孔口管的中孔穿过，将孔口管放入深孔孔口，通过铁爪卡住深孔孔壁，孔口管与隧道表面平齐。将位移连接线从报警尺的中孔穿过，将报警尺的0 刻度线与环形触片对齐，对齐之后将限位扣在位移连接线上移至与报警尺接触，拧紧限位扣锁紧位移连接线。触点布置于报警尺黄色段和红色段的分界处，见图13。

图13 位移直观监测装置现场图

3 “多层次、可视化”预警体系应用效果评价

临金高速第TJ04 标仰天洞隧道左洞ZK58+250—ZK58+200 侵限段治理过程中，应用了“多层次、可视化”预警体系。工程自2020 年10 月28 日开始，至2020 年12 月20 日结束，成功恢复了隧道设计断面，未发生任何安全事故。由此可知，“多层次、可视化”预警体系可以有效减少隧道施工的安全隐患，保证施工安全。

4 结论

（1）“多层次、可视化”预警体系的应用实现了隧道施工监测预警可视化、无延迟，为隧道施工提供有力的安全保障。

（2）压杆失稳报警装置和隧道拱部沉降监测装置具有结构简单、易于实现和操作、安全可靠、成本低的特点，可在隧道工程施工中广泛应用。