自動化監測預警平臺在月光巖隧道中的應用

黃軍榮，魯光銀，白冬鑫，李 濤，董 潔

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學 有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引 言

隨著“一帶一路”政策的大力實施，我國的基礎建設得到大力推進，高速公路的里程在快速增加，隧道作為公路的重要組成部分也得到了快速發展，總里程每年新增達1 500 km以上。隧道數量和長度的加大給隧道發展帶來機遇的同時也帶來了挑戰，因為隧道自身是一個地質條件復雜、內部結構不明朗的灰色系統，很難在隧道施工設計階段，就通過現有地質勘查手段對隧道內不良地質體等可能造成施工危險的因素一一排查，易發生無法預知的工程地質災害。李皓燃搜集2002年～2016年期間246起隧道施工案例，結果發現，隧道事故發生總數逐年增加，其中坍塌是施工項目中占比最高的事故類型，比例高達43%。張軍偉統計了2006年～2016年間發生的49起隧道施工事故，共造成208人死亡，47人受傷。可以看出，隨著隧道建設數量和規模的不斷擴大，隧道建設過程中各類工程事故頻繁發生，如果不能很好地做好預警工作，就容易造成重大經濟損失與人員傷亡。

目前，我國使用最廣泛的隧道施工方法是二十世紀六十年代自國外引入的“新奧法”，“新奧法”的四大基本準則之一就是“勤量測”，主張通過監測手段反映隧道圍巖與支護的受力變形情況，據此判斷圍巖穩定性，進而指導施工、保證施工安全，盡可能地減少不必要的經濟損失和人員傷亡。隧道預警離不開對隧道的及時量測，因而可以認為隧道預警技術的發展依賴于隧道量測技術的發展。

受隧道施工環境的影響，隧道的量測工作多由人工完成，存在數據采集頻率低、人員工作量大、易產生人為誤差等不足。在數據存儲與處理方面，多由人工記錄，然后輸入EXCEL軟件進行存儲及成圖處理，一旦數據量增大，查詢及存儲難度也會快速增大，數據的安全和有效性都得不到保障。在互聯網技術和通信技術的快速發展的背景下，隧道信息化施工的理念也逐漸深入人心。隧道信息化施工的一個重要手段就是建立自動化監測預警平臺，彌補傳統量測手段的不足，可實現自動實時地對隧道進行量測，并實時地對量測數據進行自動處理，按照規范要求及工程實際對量測數據做風險識別，按等級向隧道各部門發出預警，最大程度地發揮隧道施工、量測、管理等部門的效用，有效結合施工與設計，做到監控量測與施工設計相互指導、相互驗證。本文結合自動化監測預警平臺在龍瑯高速月光巖隧道的應用情況對隧道自動化監測系統的有效性進行驗證。

1 工程概況

1.1 工程簡介

月光巖隧道位于安平鎮田沖村與巖下村之間，屬于越嶺隧道，由左右分離的兩座隧道組成。左線隧道里程號由ZK12+331～ZK13+000，全長669 m，屬于中長隧道，最大埋深108.89 m；右線由K12+329～K12+900，全長671 m，最大埋深100.39 m。勘察場地地貌類型屬于丘陵地貌，為山嶺重丘區。隧道起點段位于田沖村北偏西的山坡坡腰處，接長肖村大橋，終點段位于梨子坳村東北山坡坡腰處。

1.2 工程地質和水文地質條件

根據工程地質調繪及鉆孔揭露，勘察區內地層為第四系殘坡積層及二疊系下統棲霞組。左右線隧道主要由III級、IV級、V級圍巖組成，其中III級圍巖占比34.8%，IV級圍巖占比37.3%，V級圍巖占比27.9%。月光巖隧址區受區域構造影響發育兩條斷層，與路線走向大角度相交，隧道區構造節理發育，對隧道影響較大。斷層帶內巖溶發育明顯，主要表現為巖溶漏斗，帶內發育溶溝、溶洞、溶槽與地下暗河，地下水水量豐富，水位較高，屬于高壓富水帶。開挖時很有可能出現滲水、突水、涌泥等現象，對隧道施工存在較大風險。

該隧道穿越一帶狀山體，總體上中間高，兩側低，局部緩坡帶，該段地勢相對低洼，兩側山坡上匯集的坡面水流較大，在雨季來臨時，地表水量較大。隧址區地下水主要為基巖裂隙潛水與巖溶水。

2 自動化監測設計

2.1 平臺的總體設計

隧道施工過程中，隧道掌子面的爆破、隧道掌子面附近的混凝土噴射、施工車輛的頻繁來往等行為極易造成隧道自動化監測儀器的破壞。為了解決這一問題，本平臺以二襯施作為分界分別選擇兩種監測方案。在二襯施作前初支施作后，采用半自動方式對隧道斷面進行監控量測，量測設備主要包括移動終端及全站儀；在二襯施作后，改為使用全自動方案，量測設備包括全自動激光掃描儀及網絡通信設備。自動化監測預警平臺的整體工作流程見圖1。

圖1 自動化監測預警工作流程

2.2 自動化監測方案

(1)二襯施作前監測方案

二襯施作前，掌子面附近易受爆破、噴射混凝土等施工因素影響，考慮到工程實際及經濟成本，決定采用半自動量測方案，即通過手機端量測軟件向藍牙全站儀發送測量指令及數據返回指令(本系統采用的是Leica TS30全站儀，配合徠卡Geocom協議對全站儀進行控制)，再由手機對數據進行自動處理并成圖。全站儀響應后，量測人員可以立刻查看到量測值、累計變化量、單詞變化量，一旦數據異常，量測人員可在檢查測點后對數據進行審核，確認測點未受到破壞、數據無誤后，可直接上報上級部門，迅速對險情作出反應。

服務器端及手機端都安裝有各自的數據庫，均可以實時對數據進行存儲、處理、查詢及成圖操作。手機端可對服務器數據庫進行緩存操作，以防止隧道內出現無網絡情況，在網絡條件恢復后可實現自動同步功能。再由服務器對數據進行統一處理，一旦數據異常，預警服務自動啟動，服務器立刻下發告警信息至施工單位、管理單位、量測單位等部門。

斷面信息(包括測點布置信息)由手機端直接進行設置，可根據圍巖級別進行測點數的調整，圖2是手機端半自動量測V級圍巖的測點布置圖。

圖2 半自動量測V級圍 圖3 手機量測時的巖測點布置圖 預警提示

(2)二襯施作后的監測方案

二襯施作后，隧道環境相對較好，監測設備不易受到損壞，可以布設自動化效果更好的監測設備。本系統選用全自動激光掃描儀搭配綜合數據采集儀的方式對待測斷面進行分角度掃描，掃描頻率及掃描角度均可通過現場及遠程進行設置，掃描過程如圖4所示。

圖4 全自動掃描儀掃描過程圖

斷面數據經網絡設備(WLAN、網線、蜂窩數據等)傳輸至服務器，服務器對數據進行自動映射后存儲至服務器數據庫，而后對數據進行自動處理及成圖。一旦數據發生異常時，服務器自動觸發告警服務，立刻向各部門發出異常斷面信息及異常測點數據。

(3)預警指標

參照《鐵路隧道監控量測技術規程(QCR9218-2015)》位移控制基準及《公路隧道設計細則(JTG-T+D70-2010)》位移控制基準，本系統根據極限相對位移值Uo設立3級告警級別，具體的等級設置見表1。

表1 自動化監測預警平臺告警級別

其中B為隧道跨度，U1B=65%Uo，U2B=90%Uo。

3 預警實例

月光巖隧道出口左洞ZK12+451斷面距左線出口120 m，所處圍巖為V級圍巖，根據五級圍巖的測點布置要求，布置了三個拱頂點，兩條收斂線，具體的測點布置與圖2相同。其中測點01點與03點不僅作為拱頂點記錄沉降值，還作為周邊收斂線記錄水平變化值。

斷面ZK12+451斷面自2018年6月14日創建后，在6月18號前上下午各進行一次斷面量測，而后每天進行一次斷面量測。6月23日上午進行正常量測時，手機端直接對監測人員預警提示，預警界面如圖3所示。現場量測人員在確定測點未受破壞，數據測量無誤后，直接通過手機端對數據進行保存，手機自動將量測數據上傳至服務器，自動化監測預警平臺對數據自動進行處理，繪制累計變化值曲線如圖5所示。平臺檢測到累計變形量已達到紅色預警級別，觸發告警程序，施工單位、管理單位、監理單位等相關單位均收到短信通知。

圖5 ZK12+451拱頂點累計變化量曲線圖

各單位針對隧道可能失穩的原因及應對措施召開了緊急會議，最后根據實際工況及施工進度選擇采用臨時增設仰拱配合超前導管支護的加固措施。加固后，量測單位重新布設了該斷面測點，利用監測平臺繼續對該測點進行量測，平臺顯示該測點累計變形量變化較小，具體見圖6。從圖中可以看出，該隧道斷面已經處于穩定狀態，險情得以解除。

圖6 ZK12+451(重新布設后)拱頂點累計變化量曲線圖

4 結 論

(1)將自動化監測方案分為二襯施作前監測方案和二襯施作后監測方案，貼合工程實際的同時節省了人力物力成本，保證了量測數據的及時有效。

(2)自動化監測預警平臺可實現數據的自動處理、自動成圖、自動預警，可按不同的預警級別實現多級告警。

(3)自動化監測預警平臺可迅速完成對施工方、監測方、隧道管理層等多方的告警，充分發揮各部門綜合處理的優勢，有效避免大型事故的發生，為正常施工保駕護航，將隧道事故可能帶來的損失降到最低。