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摘 要： 主要介紹了采用靜力水準(zhǔn)儀沉降超限自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理和安裝方法，并對(duì)初期支護(hù)后的京滬鐵路三標(biāo)段西渴馬隧洞頂拱下沉變形進(jìn)行試驗(yàn)性監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和存在的問(wèn)題做了簡(jiǎn)要的總結(jié)和說(shuō)明。

1 工程概述
西渴馬1#隧道，進(jìn)口里程DK420+395，出口里程DK423+207，全長(zhǎng)2812m。隧道內(nèi)處于12‰、5.5‰的上坡，出口區(qū)分布有大規(guī)模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統(tǒng)泥質(zhì)條帶灰?guī)r及鮞狀灰?guī)r，巖體一般粒徑3～5m，zui大可達(dá)十余米，充填碎石土及角礫土，結(jié)構(gòu)較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。西渴馬2#隧道，進(jìn)口里程DK423+395，出口里程DK424+373，全長(zhǎng)978m。隧道內(nèi)處于3‰的下坡，進(jìn)口～DK423+427.50與DK424+358.64～出口分別位于R=30000m的凸、凹豎曲線上。全隧道位于R=7000m的曲線上，中低山區(qū)，地形起伏較大，進(jìn)口山坡坡度約30°，山坡自然坡度位于10°～20°，地表植被稀疏。

2 隧道施工安全監(jiān)測(cè)的目的和常用方法
2.1、隧道施工安全監(jiān)測(cè)的目的
（1）確保施工安全及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；
（2）驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，確認(rèn)支護(hù)參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性或?yàn)檎{(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法提供依據(jù)；
（3）確定二次襯砌時(shí)間；
（4）監(jiān)控工程對(duì)周?chē)h(huán)境影響；
（5）積累量測(cè)數(shù)據(jù)，為信息化設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。
2.2、隧道施工安全監(jiān)測(cè)常用方法及選擇
圍巖監(jiān)控量測(cè)zui常見(jiàn)的方法有沉降觀測(cè)和收斂觀測(cè)兩種。僅以圍巖沉降變形觀測(cè)而言，有三角高程法、水準(zhǔn)測(cè)量法兩種觀測(cè)方法。
在京滬高速鐵路施工中，由于精度要求高，工作強(qiáng)度大，采用傳統(tǒng)的觀測(cè)方法不僅需投入大量資源，同時(shí)會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)施工造成一定的影響。為了更的進(jìn)行隧道拱頂沉降變形監(jiān)測(cè)，我部查閱了大量的相關(guān)資料，比對(duì)各種沉降變形觀測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為靜力水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)方法是一種精度較高、方便觀測(cè)、能及時(shí)反饋圍巖變形情況、易于自動(dòng)化的一種方法。為此，我部在京滬高鐵三標(biāo)西渴馬隧道現(xiàn)場(chǎng)巖石情況比較破碎地段用此方法進(jìn)行了有益的嘗試，并獲得了一定的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)備的布設(shè)
從2009年1月2日開(kāi)始，我們依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB10121-2007）及相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙和文件。采用靜力水準(zhǔn)儀自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)初期支護(hù)后的隧道頂拱下沉變形進(jìn)行試驗(yàn)性監(jiān)測(cè)。從現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始使用至今，根據(jù)隧道特殊的地理、地質(zhì)條件，我們?cè)谖骺蜀R一號(hào)隧道靠近出口、西渴馬二號(hào)隧道靠進(jìn)口圍巖比較破碎的位置共埋設(shè)了13個(gè)靜力式水準(zhǔn)點(diǎn)。其埋設(shè)示意圖詳見(jiàn)圖1、圖2。


圖1、1#隧洞監(jiān)測(cè)布置圖


圖2、2#隧洞監(jiān)測(cè)布置圖

4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理
靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)連通器原理，用對(duì)應(yīng)的傳感器通過(guò)測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)容器內(nèi)液面的相對(duì)變化來(lái)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的豎向變形。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)中，所有傳感器的垂直位移均是相對(duì)于其中一點(diǎn)的。
如圖3所示，沿隧道軸線方向，在隧道拱頂處安裝若干個(gè)容器，容器之間用管路連通，容器內(nèi)盛適量液體，根據(jù)連通器原理，相互連通的容器內(nèi)初始液面應(yīng)處于同一水平面。當(dāng)測(cè)點(diǎn)之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，容器內(nèi)的液體會(huì)順著連通管流動(dòng)，直到液面達(dá)到新的平衡，容器內(nèi)液面高度的變化即可反映測(cè)點(diǎn)間的相對(duì)位移。
在每個(gè)容器內(nèi)安裝一個(gè)位移傳感器，將液面高度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理后，即可求得各測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位移。當(dāng)已知測(cè)點(diǎn)中任意一點(diǎn)的位移時(shí)，即可計(jì)算出所有測(cè)點(diǎn)的位移。


圖3 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝及存在的問(wèn)題
5.1測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度和圍巖地質(zhì)狀況，選擇在靠近1#隧道出口地質(zhì)條件比較破碎的DK422+917、DK422+900、DK422+880、DK422+850共四個(gè)斷面位置。此段圍巖分布有大規(guī)模崩塌堆積巖體，主要成分為寒武系中統(tǒng)泥質(zhì)條帶灰?guī)r及鮞狀灰?guī)r，巖體一般粒徑3～5m，zui大可達(dá)十余米，充填碎石土及角礫土，結(jié)構(gòu)較松散，容易掉頂，巖體完整性較差。2#隧道進(jìn)口安裝的八臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀布置位置在DK423+650、DK423+670、DK423+698、DK423+698、DK423+727五個(gè)斷面。此段圍巖地質(zhì)條件較差，位于陡坡之下，左高右低，坡度約50°～60°，洞身右側(cè)壁較薄，受270°∠80°方向數(shù)條節(jié)理控制，該組節(jié)理間距1～2m，平行發(fā)育，張開(kāi)間距一般5～10m，并有充填。
5.2儀器安裝
5.2.1測(cè)點(diǎn)選位后，用電錘造φ22深18～20cm的螺栓錨固孔，再用清水進(jìn)行沖洗，將φ22膨脹螺栓錨入后，將測(cè)點(diǎn)安裝底板與螺紋鋼連接，并調(diào)節(jié)螺桿，使管路相連通的儀器底板基本位于同一高程上（±10mm以內(nèi)，使用全站儀或水準(zhǔn)儀配合進(jìn)行調(diào)節(jié)）；
5.2.2預(yù)先用清水沖洗主體容器及塑料連通管并將儀器主體安裝在儀器支架的底板上，將水平尺水平放置在儀器主體頂蓋表面垂直交替放置，調(diào)節(jié)螺桿螺絲使儀器表面水平及高程滿足要求。
5.2.3 將連通管及儀器電纜穿入A3橋架（橋架用角鋼固定），并引至下一測(cè)點(diǎn)，連通管與測(cè)點(diǎn)相連。待連通管內(nèi)灌滿液體，排除氣泡；將浮子放于主體容器內(nèi)；將裝有電容傳感器的頂蓋板裝在主體容器上；再將管路和電纜用φ10帶鉤膨脹螺栓固定在邊墻上，使管路經(jīng)過(guò)所有位置高程均應(yīng)低于儀器底部，否則儀器將無(wú)法正常工作。

5.3實(shí)際安裝中存在的問(wèn)題
在對(duì)西渴馬一、二號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)安裝中，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：
5.3.1 施工干擾大，設(shè)備安裝難度大
傳感器安裝時(shí)需較穩(wěn)定的環(huán)境，但常因施工原因，導(dǎo)致安裝只能見(jiàn)縫插針；由于監(jiān)測(cè)目的是拱頂?shù)某两?，所以儀器需安裝在洞頂。從而需吊車(chē)等機(jī)械設(shè)備的密切配合，同時(shí)安裝設(shè)備的附近其它的施工幾乎全部停止，這樣導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的施工推延，影響施工進(jìn)度。如要保證施工進(jìn)度，那么安裝設(shè)備的難度就非常大。
5.3.2 安裝位置遠(yuǎn)離開(kāi)挖掌子面
為了保護(hù)儀器不被爆破時(shí)損壞，安裝位置需要在安全的爆破有效距離外；從而導(dǎo)致儀器埋設(shè)點(diǎn)落后開(kāi)挖掌子面較遠(yuǎn)，不能采集到洞室開(kāi)挖過(guò)程時(shí)爆破對(duì)應(yīng)鄰近拱頂產(chǎn)生的沉降情況，不能及時(shí)為施工人員提供安全預(yù)警的信息。
5.3.3 設(shè)備重復(fù)安裝，保護(hù)難度大
洞室開(kāi)挖一般為上下兩層開(kāi)挖，經(jīng)常需要爆破，對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備及其相應(yīng)的管路、電纜保護(hù)難度較大；且隨著進(jìn)尺的加大，監(jiān)測(cè)設(shè)備需要經(jīng)常更換位置、重復(fù)安裝。在此期間對(duì)儀器傳感器的保護(hù)非常重要，無(wú)形的情況下增大工作量、也加大了保護(hù)的難度。
5.3.4 無(wú)法達(dá)到*觀測(cè)目的
當(dāng)前的靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)受制于施工期的干擾及監(jiān)測(cè)位置太高等緣故，只能在施工期未襯砌區(qū)域使用，儀器正常運(yùn)行時(shí)間較短；不僅需要經(jīng)常換位安裝，且基準(zhǔn)點(diǎn)還需人工進(jìn)行校測(cè)，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的目的。
5.3.5 基準(zhǔn)點(diǎn)的選取不能自動(dòng)化
儀器在現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)的正常工作條件，同時(shí)無(wú)法確定埋設(shè)位置拱頂?shù)某两登闆r；為了滿足自動(dòng)化系統(tǒng)的起始條件，現(xiàn)場(chǎng)需要常規(guī)量測(cè)方法（例如：全站儀測(cè)量法）的協(xié)助，使同組測(cè)點(diǎn)的傳感器處于相對(duì)同一高程，且需測(cè)量出基準(zhǔn)點(diǎn)的沉降情況，為以后布置測(cè)點(diǎn)提供一個(gè)相對(duì)基準(zhǔn)值。
5.3.6 現(xiàn)場(chǎng)傳輸線保護(hù)難度大
由于儀器傳感器布置在洞內(nèi)，傳輸信號(hào)無(wú)法到達(dá)。此時(shí)就需要具有連接作用的傳輸線，隨著洞室開(kāi)挖的延伸，傳輸線需要不斷加長(zhǎng)，線路接頭增加，采集數(shù)據(jù)如出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)檢查線路就顯的非常麻煩；同時(shí)線路在通過(guò)施工臺(tái)車(chē)或者其它施工位置時(shí)需要穿引保護(hù)管。施工進(jìn)度加快、自動(dòng)化系統(tǒng)施工斷面增多，不可能每個(gè)時(shí)段每個(gè)洞室都有監(jiān)測(cè)人員在巡視，這樣的情況下傳輸線就很容易被損壞。
5.3.7 觀測(cè)精度不高
自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，采集的數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確就需在洞室內(nèi)部施工幾乎停止、溫度差、氣壓變化不大的情況下才能達(dá)到要求；原因在于洞室內(nèi)部沒(méi)有較大的震動(dòng)，傳感器內(nèi)液體表面相對(duì)靜止，此時(shí)采集到的數(shù)據(jù)才較為真實(shí)的反映洞室圍巖的變型情況。其精度無(wú)法與其它量測(cè)方法進(jìn)行比較。
5.3.8 成本投入太高
系統(tǒng)安裝后運(yùn)行時(shí)間較短，使用效率太低，為施工安全保障提供的有利證據(jù)不足。安裝時(shí)需要連同管使同組傳感器滿足工作原理，但在拆除后使用過(guò)的連同管被再次使用的幾率不大。因再次安裝時(shí)不可能和上次安裝時(shí)兩點(diǎn)距離完成相同，如采用連接頭連接，現(xiàn)場(chǎng)的施工條件和施工進(jìn)度無(wú)法滿足時(shí)間要求，這樣材料就造成大量的浪費(fèi)；同時(shí)儀器投入較多（儀器價(jià)格很高），重復(fù)安裝導(dǎo)致施工人員、監(jiān)測(cè)設(shè)施和協(xié)助的施工設(shè)備多次重復(fù)。

6分析

圖4 西渴馬一號(hào)隧洞斷面頂拱沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間-位移曲線圖


圖5 西渴馬二號(hào)隧洞斷面頂拱沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間-位移曲線圖
從西渴馬一、二號(hào)隧洞斷面頂拱沉降監(jiān)測(cè)時(shí)間-位移曲線圖可以得出以下結(jié)論：
（1）從監(jiān)測(cè)曲線看，拱頂在噴護(hù)后出現(xiàn)緩慢沉降，無(wú)突變，無(wú)法體現(xiàn)噴護(hù)前巖體的沉降情況；
（2）噴護(hù)后頂拱下沉經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，沉降值趨于穩(wěn)定，但反映的情況對(duì)施工開(kāi)挖起不到預(yù)警作用；
（3）單組儀器采集周期較短，無(wú)法為安全施工和信息化設(shè)計(jì)提供足夠的信息；
（4）靜力水準(zhǔn)儀沉降超限自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在西渴馬一、二號(hào)隧道中投入較高，沒(méi)有為施工安全起到預(yù)期保障作用。

7、小結(jié)
通過(guò)靜力水準(zhǔn)儀在京滬高鐵西渴馬隧道應(yīng)用。簡(jiǎn)單總結(jié)以下幾點(diǎn)：
（1）可以通過(guò)科學(xué)的方法來(lái)為隧洞安全施工提供有利依據(jù)；
（2）可以重復(fù)利用，節(jié)約設(shè)備采購(gòu)成本；
（3）設(shè)備的保護(hù)難度增加，安裝時(shí)人員、機(jī)械等的投入增大；
（4）儀器安裝需跟進(jìn)洞室開(kāi)挖進(jìn)尺，單組觀測(cè)周期短；
（5）儀器內(nèi)液面容易受外界震動(dòng)影響，觀測(cè)精度不高；
（6）施工干擾大，設(shè)備安裝難度大；基準(zhǔn)點(diǎn)的選取不能自動(dòng)化。

信息來(lái)源：中國(guó)水利水電第七局工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院
作者介紹：周鋒（1984-），男，四川犍為人，助理工程師，從事水電工程監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理工作。

聚華點(diǎn)評(píng)：從上文可以看出，基于傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀在工程沉降監(jiān)測(cè)中并未取得很好的監(jiān)測(cè)效果，在此推薦光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀產(chǎn)品，該技術(shù)不僅在產(chǎn)品本身提高了穩(wěn)定性和精度，在系統(tǒng)安裝、長(zhǎng)期運(yùn)行、工程維護(hù)等角度比傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)儀都作了改進(jìn)，在聚華相關(guān)工程中都取得了良好的監(jiān)測(cè)效果。


JH-FGD-C1光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀

關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是指對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷檢測(cè)和識(shí)別。 我們這里所說(shuō)的損傷包括材料特性改變或結(jié)構(gòu)體系的幾何特性發(fā)生改變，以及邊界條件和體系的連續(xù)性，體系的整體連續(xù)性對(duì)結(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)涉及到通過(guò)分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)來(lái)觀察體系隨時(shí)間推移產(chǎn)生的變化，損傷敏感特征值的提取并通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)確定結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。對(duì)于長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)定期更新來(lái)估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。