溶洞路段的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測手段研究

江河濱 覃梟雄

摘 要：金蘭2隧道為巖溶發(fā)育，以灰?guī)r為主，且地表巖溶洼地及巖溶溝谷發(fā)育，屬于喀斯特地貌。隧道易發(fā)生突水、涌砂等地質(zhì)災(zāi)害。為了保障金蘭2號隧道能安全的運營，設(shè)計了一套在線監(jiān)測系統(tǒng)，并成功應(yīng)用，實現(xiàn)了對隧道結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測，為溶洞路段隧道安全運營提供了依據(jù)，以期通過此次研究可為類似項目提供參考。

關(guān)鍵詞：溶洞;隧道運營;在線安全監(jiān)測

1 工程概況

金蘭2號隧道隧址區(qū)主要為灰?guī)r，地表巖溶洼地及巖溶溝谷發(fā)育，屬于喀斯特地貌，根據(jù)施工開挖揭露情況，該隧道巖溶較發(fā)育。隧道左洞Z4K32+782～Z4K32+800存在一條長條形溶腔，該溶腔向左洞左側(cè)及上方發(fā)育，溶腔呈上大下小倒三角體型，內(nèi)含有大量飽和粉細砂，治理飽和粉細砂是隧道工程的一項難題，難以徹底治理。在暴雨4 h～12 h后，排水系統(tǒng)被粉細砂堵塞，溶腔上部平臺填充物及水積累到一定體量后，有可能形成流態(tài)物質(zhì)瞬間沖擊隧道結(jié)構(gòu)，給運營中的隧道造成安全隱患。為實時監(jiān)控該路段隧道結(jié)構(gòu)安全，現(xiàn)提出安全監(jiān)測系統(tǒng)。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評價和預(yù)警子系統(tǒng)，通過各個層相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

3 數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理

3.1 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場主要為數(shù)字信號和模擬信號兩種信號模式，通過相應(yīng)的采集進行信號采集。采集頻率可根據(jù)人工設(shè)置時間段進行采集。常規(guī)條件下每30 min采集一次。當發(fā)生意外情況或者數(shù)據(jù)超過一定限值時，可適當提高采集頻率，例如10 min采集一次或者5 min分鐘采集一次。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)場傳感器所有數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)竭h端服務(wù)器。隧道內(nèi)采用無線網(wǎng)橋模式和有線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉赐猓淼劳庠俨捎脽o線網(wǎng)絡(luò)進行信號傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)通過成熟的GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，通過靈活地控制設(shè)備的采集制度，進行遠程控制。直接通過無線傳輸模塊實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和控制，簡單方便。同時，也可實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控、短信報警、實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外。也可節(jié)省大量線材等成本費用。

3.3 數(shù)據(jù)處理

信號在采集前與采集后均可進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理有濾波、分析等以下功能：（1）信號實時顯示;（2）數(shù)據(jù)采集：隨機采樣、觸發(fā)采樣，多次觸發(fā)采樣，采樣時間和采樣數(shù)據(jù)長度自由設(shè)定，采樣時實時觀察波形變化，定時采樣;（3）數(shù)字濾波：低通，高通，帶通，帶阻濾波;（4）幅域統(tǒng)計：描述信號的幅域特征參數(shù)有最大值、最小值、平均值、有效值、均方值、方差、標準差等值;（5）時域、頻域分析：可對動態(tài)信號進行時域、頻域范圍的不同類型分析，可進行不同點數(shù)的FFT分析;（6）相關(guān)分析：可對各系統(tǒng)間信號的相關(guān)性進行分析。

4 監(jiān)測結(jié)果

圖1、圖2為2019年1月7日至1月10日監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)變計、水壓計監(jiān)測到的金蘭2號隧道下行滲漏水異常位置的情況。

選取的2019年1月7日開始至1月10日數(shù)據(jù)表面，各采集點在暴雨后均能有效收集和分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明水壓計反應(yīng)水壓力與暴雨降雨量和時間有直接關(guān)系，在暴雨后4 h～12 h達到峰值，隨后逐步降低，期間受地表水補給出現(xiàn)小范圍的振幅。二襯表面應(yīng)變計反應(yīng)二襯結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，其他鋼筋計，傾角儀等數(shù)據(jù)均沒有明顯波動，說明雖然受到溶洞水壓力影響，但隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。通過水壓計數(shù)據(jù)，初步分析的隧道溶腔水流情況：一是襯砌背后積存的水已產(chǎn)生新的通道，從襯砌施工縫及預(yù)留泄水孔中排出，從而降低了襯砌背后的水壓力。二是部分監(jiān)測點水壓力變化不大，位于Z4K32+788左側(cè)拱腳水平15°徑向斜向下3 m及Z4K32+790左側(cè)拱腳水平15°徑向斜向下2 m，說明該兩處位置襯砌背后水量一直比較大，且有可能排水系統(tǒng)已被淤堵。后續(xù)需密切關(guān)注監(jiān)控系統(tǒng)及加強隧道排查。對滲水點位置進行擴孔、引排、清理。

5 總結(jié)

綜上所述，溶洞路段隧道由于溶腔上大下小的體型特征，以及溶腔內(nèi)含有飽和粉細砂，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)在暴雨后可能受到?jīng)_擊風(fēng)險，因此，為確保隧道結(jié)構(gòu)運營安全，根據(jù)隧道地質(zhì)條件、設(shè)計情況，以及運營的實際情況設(shè)計合適的安全監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)測、超前預(yù)報，促使溶洞段隧道安全運行。

參考文獻：

[1]馮國森.巨型溶洞穩(wěn)定性監(jiān)測與施工防護技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2019，48（17）：93-98.

[2]黃富禹，劉春，李哲.基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道滲漏水安全監(jiān)測研究現(xiàn)狀分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（33）：144-145.