超淺覆土矩形隧道施工安全監控與超前預警平臺研究*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

1 矩形斷面隧道盾構法施工風險

1.1 結構受力風險

目前大多數隧道的斷面形式為圓形或橢圓形，其中不僅因為這種類型的盾構隧道施工難度低，更重要的一點是其結構受力均勻，管片制作工藝簡單[1-3]。相反，矩形斷面隧道，結構受力更為復雜，不同部位的管片受力大不相同。因此，各個部位的管片均需分別考慮。本文研究的矩形隧道斷面為9.5 m×4.7 m，一環管片擬分為6 塊。經理論分析，隧道結構的關鍵安全控制內容有：

（a）彎矩方面。矩形隧道上下兩側跨中部分的彎矩最大，彎矩大的地方容易出現裂縫，對于地下結構而言，裂縫是影響結構防水的重要因素，因此，矩形盾構封頂塊需要特殊研究。

（b）軸力方面。矩形隧道上下兩側軸力較小，左右兩側軸力較大。因此，左右兩側部分結構的抗壓能力要求較高。

（c）剪力方面。矩形隧道以4 個角點的剪力最大，不僅如此，此處的彎矩和軸力也較大。矩形隧道的角點部位是應力集中最明顯的位置，也是結構最危險的位置。

1.2 施工技術風險[4-8]

1.2.1 環境安全影響

與圓形/橢圓形盾構機相比，矩形盾構機上表面寬大而且平坦，上部土壓力垂直作用于機體，導致盾構機背土現象嚴重，即部分土體附著于機體，并隨盾構機的推進而同向移動，最終可能導致上覆土體的剪切破壞，致使管線等地下設施受損或破壞。淺/超淺覆土施工，對地表的擾動影響本就非常敏感，如果背土效應嚴重，對近鄰環境土工安全的影響將大幅增加。

1.2.2 推進姿態控制

在矩形盾構推進過程中，由于土質不均勻、地面超載變化、推力作用點布置不合理或不當操作等方面的原因，矩形盾構在推進過程中產生側轉、偏離軸線等風險較大。對于矩形盾構法隧道，矩形掘進機發生側轉，將直接影響管片的正常拼裝，同時可能會造成上覆管線等構筑物的損傷。為此，在矩形隧道施工過程中需要連續監控盾構機的掘進姿態，并不斷地進行姿態糾正，避免過大的偏轉/偏離軸線調整造成隧道結構拼裝困難和近鄰地層擾動變形。

2 自動化監測系統開發

開發的自動化監測方法，是基于無線電波進行數據傳輸，可以實現地下工程監控數據自動化采集與傳輸，同時具備監測數據的簡單分析功能，用以應對突發事件的發生。監測系統由3 部分構成。

2.1 數據采集模塊

采集模塊主要完成數據的自動采集，由2 部分組成，一部分為采集元件（傳感器），另外一部分為采集箱。采集模塊不僅兼容電子類采集傳感器，而且可以使用測量機器人（本次采用索佳NET05）實現數據的自動采集。

2.2 數據發射模塊

數據發射模塊主要實現數據自測量端向安全平臺的傳輸。目前，常用的數據發射方式為GPRS發射。考慮到在地下工程中由于存在信號的問題，GPRS數據傳輸方式受到較大制約，為提高監測系統的自動化和信息化水平，本系統采用了基于無線電波的數據發射模式，實現了地下工程無信號區域數據自動化傳輸，保證了數據傳輸的及時性。

2.3 數據預分析模塊

數據預分析模塊一方面對接收到的數據進行初步處理，判別其合理性，另一方面通過數據傳輸模塊向數據采集模塊發射控制指令。預分析模塊界面如圖1所示。初步處理后的數據將進入下一個平臺——施工安全預警平臺。

圖1 數據初步分析界面

該平臺由3 部分組成：數據分析模塊、風險評估模塊、專家系統模塊。其組織結構如圖2所示。

該預警平臺的主要功能包括：數據整理與分析、數據評估與預警以及超前預警。

數據分析功能方面，該平臺繼續保留人工分析功能，但是該功能區別于傳統意義上的人工分析，是由專家分析、預案分析以及視頻分析等功能組成；同時添加了智能分析功能，此功能由系統自動完成。數據評估與預警功能方面，系統首先根據自動分析的結果判定施工的安全性，一旦數據超標或者發生異常情況，將轉入人工分析系統，確定數據異常情況的合理性，最后通過多種渠道與方式進行預警及報警。超前預警功能方面，根據既有數據判斷發展趨勢并提出專家建議，形成超前預警。

圖2 安全預警平臺結構

3 結語

本文介紹了如何開發應用于超淺覆土矩形盾構隧道的自動化監控與超前預警平臺。該平臺由自動化監測系統和施工安全預警平臺2 個大部分組成。自動化監測系統基于無線電波傳輸數據，實現了地下工程監測數據的自動化采集與發射；施工安全預警平臺對各種方式接收到的數據進行管理與深度分析、并根據數據的發展趨勢進行超前預判，形成超前預警，最終可形成評價報告與專家建議。本平臺將為地下通道的新型非開挖法施工——矩形盾構法施工，提供可靠的安全控制手段。