山嶺隧道爆破施工中初襯結(jié)構(gòu)變形實時監(jiān)控的研究

趙國強，房 浩，許 鈺，屠偉新

［1.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市200032；2.上海數(shù)久信息科技有限公司，上海市200072］

0 引 言

山嶺隧道施工是具有高風(fēng)險的施工項目。特別是山嶺隧道在爆破作業(yè)時，爆破產(chǎn)生的沖擊力容易導(dǎo)致初襯周邊圍巖的失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致隧道初襯的坍塌。為了預(yù)防隧道施工災(zāi)害的發(fā)生，上海城建市政工程（集團）有限公司在2018年啟動的研究課題《東南沿海山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下高速公路災(zāi)害防控技術(shù)與實時監(jiān)控應(yīng)用研究》。山嶺隧道爆破施工中初襯結(jié)構(gòu)變形實時監(jiān)控的研究為該項目的研究內(nèi)容之一。

《爆破安全規(guī)程GB 6722—2014》中對于山嶺隧道爆破產(chǎn)生的質(zhì)點速度，進(jìn)行了規(guī)范要求。規(guī)程要求爆破時隧道內(nèi)所有質(zhì)點的振動速度不應(yīng)超過規(guī)程要求[1]。

陽生權(quán)等人，研究了爆破開挖圍巖地震波傳遞規(guī)律和對既有隧道影響。研究表明,在施工期間與爆破開挖面對應(yīng)位置的既有隧道前后方約2.0 倍洞徑范圍內(nèi)應(yīng)是重點觀測區(qū)域范圍[2，3]。

胡剛等人，采用現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究隧道初次襯砌結(jié)構(gòu)在爆破荷載作用下的動力響應(yīng)。應(yīng)用TC-4850 測振儀獲得質(zhì)點振動速度峰值數(shù)據(jù)，建立隧道初次襯砌結(jié)構(gòu)仿真模型，分析隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置（拱腳、拱腰、拱肩、拱頂）處應(yīng)力及位移的變化規(guī)律[4]。

綜上所述，目前山嶺隧道爆破施工的安全管理主要通過控制質(zhì)點的震動速度。由于振動速度僅反映了在爆破時包括圍巖和初襯所受到的沖擊力。難以反映在受到該沖擊力后，初襯的動力響應(yīng)及滯后的變化。因為初襯的動力響應(yīng)及滯后的變化和隧道周邊圍巖的質(zhì)量，初襯結(jié)構(gòu)強度有關(guān)。

為此。本研究希望探索一條通過爆破過程中及爆破后的初襯形變的監(jiān)測，實現(xiàn)施工中的安全監(jiān)測方法。本研究結(jié)合杭紹臺高速公路臺州段隧道施工，通過安裝在初襯鋼拱架拱腰部位的二維位移傳感器，連續(xù)監(jiān)測在爆破前后的鋼拱架二維位移情況。及時捕捉到了爆破后的位移動態(tài)響應(yīng)和滯后相應(yīng)。為建立基于監(jiān)測二維位移方法的隧道安全監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)。

1 二維位移實時監(jiān)測系統(tǒng)

由于臨近爆破點，且需要在爆破過程中進(jìn)行位移的監(jiān)測。因此，需要監(jiān)測設(shè)備具有抗爆，防塵的動態(tài)位移監(jiān)測設(shè)備。

TAM 橋隧結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱TAM 系統(tǒng)）是上海數(shù)久信息科技有限公司研發(fā)的利用機器視覺測量隧道結(jié)構(gòu)的沉降和橫向位移的專用設(shè)備，具有抗爆，防塵的特性[5]。

TAM 系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1，由多個TAM 傳感器，1 臺工控機和云平臺組成。TAM 系統(tǒng)的原理概要見圖2，通過TAM 相機相鄰測點連線的夾角φ，并根據(jù)夾角φ 計算得到所有測點的位移值Z。

2 三星隧道的概況

三星隧道的斷面見圖3。該隧道全長450 m，其中Ⅴ級圍巖56 m（含40 m 明洞），Ⅳ級圍巖314 m，Ⅲ級圍巖80 m。該段隧道埋深較淺，隧道洞頂最大埋深約為100 m[6]。

圖1 TAM 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖2 TAM 監(jiān)測原理示意圖

圖3 三星隧道的斷面圖

3 監(jiān)測試驗

本次監(jiān)測試驗的位置見圖4、圖5，TAM 傳感器放置于右洞的初襯的鋼拱架側(cè)面，T1 傳感器離開洞口為211 m，T5 傳感器離開洞口為231 m。圖6 為現(xiàn)場的照片。

圖4 TAM 傳感器布置平面圖

圖5 TAM 傳感器布置立面圖

圖6 現(xiàn)場的TAM 傳感器

本次試驗時間為2018年8月15日至2018年8月22日。該時段右洞處于初襯施工階段，沒有爆破施工。左洞爆破施工時段，7 d 時間內(nèi)連續(xù)爆破6次，掘進(jìn)了21 m。從離洞口215 m 處掘進(jìn)至236 m。因此，傳感器可以直接監(jiān)測相鄰爆破點的鋼拱架在爆破期間的形變[7]。

監(jiān)測結(jié)果見圖7、圖8。圖7 所示夾角變化為當(dāng)前相鄰測點連線的夾角與初始狀態(tài)的差值，圖中的T1，T2，T3，T4 表示為夾角中心點，例如T2 代表測點T1 和T2 的連線與測點T2 與T3 連線的夾角的變化值。

圖7 測點T2 至測點T4 的折角變化值的時序監(jiān)測結(jié)果

從圖8 的結(jié)果，可以觀察到：

6 次爆破均對鋼拱架產(chǎn)生了影響；

對T2 而言，第1 至4 次爆破所產(chǎn)生的變形均為彈性變形，即爆破后能恢復(fù)原來狀態(tài)。第5 次爆破后，其產(chǎn)生的垂直方向的形變沒有恢復(fù)，具有滯后性。而第6 次爆破，水平方向有彈性變形，垂直方向沒有明顯的影響；

對T3 而言，第1 次爆破后有明顯的波動影響；對T4 而言，第1 和第4 次爆破有明顯的彈性變形，其余4 次爆破則沒有明顯影響。

圖8 T2 至T4 測點的垂直方向和水平方向位移的時間序列分布圖

由圖8 的結(jié)果可知：

（1）T2 測點監(jiān)測期間垂直方向緩慢下沉，產(chǎn)生了最大1 mm 的沉降。同時，水平方向沒有位移。在第5 次爆破后，垂直方向呈現(xiàn)到了0.4 mm 的反彈，隨后加速沉降恢復(fù)至爆破前位置。

（2）T3 測點與T2 測點類似，監(jiān)測期間垂直方向緩慢下沉，產(chǎn)生了最大1 mm 的沉降。同時，水平方向沒有位移。在第5 次爆破后，垂直方向呈現(xiàn)到了0.2 mm 的反彈，隨后加速沉降恢復(fù)至爆破前位置。

（3）T4 測監(jiān)測期間垂直方向緩慢下沉，產(chǎn)生了最大0.5 mm 的沉降。

4 結(jié) 論

（1）爆破施工會導(dǎo)致初襯鋼拱架產(chǎn)生變形，拱腰產(chǎn)生位移。這個影響有彈性影響，即爆破后能恢復(fù)原來狀態(tài)。也有滯后的影響，其產(chǎn)生的形變沒有立即恢復(fù)，具有滯后性。

（2）檢測爆破的影響，相鄰測點連線的夾角的變化，比位移變化更明銳，適合于監(jiān)測異常變化。

（3）驗證了TAM 系統(tǒng)的抗暴，抗震，防塵的特性，適合于隧道施工變形的監(jiān)測。