CMIMS:钻爆法隧道施工监测与多元信息管理系统

费广海，吴小萍，李文荣，唐冬冬，杨献章

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3.湖南省张桑高速公路建设开发有限公司，湖南 张家界 427000)



CMIMS:钻爆法隧道施工监测与多元信息管理系统

费广海1,2，吴小萍1,2，李文荣1,2，唐冬冬1,2，杨献章3

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3.湖南省张桑高速公路建设开发有限公司，湖南 张家界 427000)

摘要:由于隧道建设中的施工数据繁杂且多种信息不明确，有必要对隧道施工的多元信息进行监测和管理。基于以往的工程经验和现行的监测技术，建立一个集信息管理、分析预测及安全预警等功能于一体的隧道施工监测系统，以对隧道信息进行有效管理、准确分析和及时反馈。依据浅埋隧道钻爆法施工的信息监测要求，系统设置了数据收集、分析处理和信息反馈3个主要模块，分别对开挖前的地质与水文信息、开挖后的爆破信息、长期监测的变形信息和受力信息进行监测和分析，并将各类信息及时反馈，以确保隧道的施工安全和工程质量。系统在麻栗垭隧道工程中实现了部分功能的应用，泊松模型可对该断面的水平收敛变形数据进行有效地拟合与预测。开发的系统能广泛用于各类隧道工程尤其是钻爆法施工隧道，对隧道施工的动态设计、风险的及时识别及应对措施的选择等具有指导作用。

关键词：隧道；钻爆法；施工监测；信息管理

作为隧道施工的一个重要组成部分，监控量测在各类隧道施工中一直备受研究人员的重视。从1963年Rabcewicz提出通过现场测量来判断围岩和支护结构的稳定性，到今天的各种信息化施工方法，隧道施工监测的研究不断发展。在隧道变形监测(预测)与控制方面：周丁恒等[1-2]分析了不同岩层下的隧道变形规律，并提出控制隧道变形的工程措施；Adoko等[3]用多元回归分析模型和神经网络模型对隧道的净空收敛进行预测；Sharifzadeh等[4]对施工过程中隧道变形进行监测与分析，确定了合理的开挖方法及开挖顺序；张运良等[5-6]也分别研究了小净距隧道和偏压隧道的施工监测和数值分析。在风险识别与安全决策的研究方面：Wu等[7]提出基于动态贝叶斯网络的系统决策方法，为隧道建设过程中的动态安全分析提供指导；Ding等[8-9]提出了基于物联网的实时安全预警系统，实现了对隧道的实时监测和对风险的提前预警。在信息监测技术与系统开发方面：叶英等[10-11]开发了隧道监测信息管理和安全预警系统，确保了施工过程的安全性和管理的高效性；Li[12]开发了用于盾构法隧道施工的Web-GIS系统，能实现施工信息管理、二维和三维可视化、地理空间分析和隧道实时分析等功能；蒲浩等[13]研发的三维实时交互可视化信息平台集隧道三维场景的快速构建、交互式漫游、信息查询于一体；Wang等[14]建立了用于监控各种岩土工程项目的关联监测系统，实现了数据输入和处理、CAD图形可视化、数据建模和预测、提前预警等功能；Fekete等[15]将三维激光扫描技术用于隧道钻爆法的施工监测中，可远程获取详细的岩体、地质及开挖信息。以上研究极大地促进了隧道施工监测的发展，但是这些研究主要适用于其对应的工程，并未全面考虑各类监测项目。例如在钻爆法施工中震动监测和有害气体监测必须予以考虑，在浅埋隧道中地表变形也是必测项目之一，因此有必要开发一种既适合浅埋偏压隧道又适合钻爆法施工的监测系统，以对各类隧道的多元施工信息进行全面监测，并对监测信息进行有效管理、准确分析和及时反馈。

1监测内容与方法

为了确保隧道与地下工程施工的安全和质量，需要对相关的施工信息进行监测。对于海量的施工信息和数据，没必要对所有的项目进行监控和分析。依据《公路隧道施工技术规范》(JTG F60—2009)和《公路隧道施工技术监测规范》(征求意见稿)[16-17]等公路隧道施工规范，选择能判别围岩稳定状态和支护结构工作状态的重点量测项目进行监测，从而在保证施工安全的前提下节省工程费用。相关监测内容和方法如表1所示。

表1　监测内容和监测方法

2系统功能模块

系统包含数据收集模块、分析处理模块和信息反馈模块，系统的总体框架如图1所示。

3监测数据评价标准

由于所开发的系统须具备风险识别和安全评价功能，因此必须事先依据相关文献和规范[16-22]建立一套符合规范和工程实际的管理与评价标准。

3.1爆破震动安全标准

为了限制爆破有害震动效应对周边环境的影响，确保人员和建(构)筑物的安全，依据文献和规范[18-20]确定爆破震动安全标准如表2所示。

图1　CMIMS系统构成Fig.1 Architecture for the CMIMS

保护对象安全允许震动速度交通隧道10～20cm/s新浇大体积混凝土初凝～3d2～3cm/s3～7d3～7cm/s7～28d7～12cm/s

3.2瓦斯浓度限制值及超限处理措施

相关规范[17-18]规定隧道穿越有害气体地层或采用钻爆法施工时，必须进行有害气体监测，并按照表3所示措施进行处理。

表3隧道内瓦斯浓度限制值及超限处理措施

Table 3 Admissible value of the gas and treatment measures

序号地点限值/%超限处理措施1低瓦斯工区任意处0.520m范围内立即停工,加强通风监测2局部瓦斯积聚(V>0.5m3)2.0附近20m停工,断电,撤人,加强通风3开挖工作面风流中1.01.5停止电钻钻孔停工,断电,撤人,加强通风4放炮地点附近20m风流中1.0严禁装药放炮5钻孔排放瓦斯1.5断电,撤人,调整风量6局扇及电气开关20m范围内0.5停机,通风,处理7回风巷1.0停工,撤人,处理

3.3变形监测数据管理等级

由于高速公路隧道和双线铁路隧道的跨距都在7 m以上，参考几部规范[16-17,21-22]，决定采用《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121—2007)[21]中跨度7～12 m隧道的位移控制基准(见表4～5)。

表4　变形管理等级

注：1.U为实测变形值，U0为允许变形值，U0按表5计算；2.当测点与工作面距离小于1倍洞径时，U0应按计算值的65%选取；如果小于等于2倍洞径时应按计算值的90%选取；距离较远时取100%。

表5　跨度7～12 m隧道允许相对位移值

注：1.表中数据适用于初期支护，硬岩取小值、软岩取大值；2.水平允许相对位移值指收敛位移累计值与测点间距离之比，拱顶相对下沉指拱顶下沉值与原拱顶至遂底高度之比(因为实践中很难对隧道的整体位移进行监测，故此处不用减去隧道整体下沉值)；3.表4的U0就为表5中数值乘以测点间距或隧道净高，计算出来的水平允许位移为拱脚测点间净空变化值，拱腰处允许位移为此值乘以1.1～1.2；另外地表允许沉降值参考此处计算的拱顶下沉允许值。

4系统设计与实现

4.1数据收集模块

如图1，数据收集模块包括数据输入和数据转换2个子模块。数据输入可以借助SQL Server导入导出向导，采用文件导入方式实现(直接导入Excel表格)。考虑到用户需求，也设置了直接输入界面供用户输入(修改)初始监测数据。数据转换主要是处理变形监测和受力监测的数据，应根据不同的监测方法采用不同的转换模型[22]。

4.1.1以水准测量、收敛计为量测工具的转换模型

1)拱顶下沉值(水准测量)

Hn=(H0+Ht后+Ht前)-(H0+H(t+1)后+H(t+1)前)

(1)

2)地表沉降值(水准测量)：

Hn=(H0+Ht后-Ht前)-(H0+H(t+1)后-H(t+1)前)

(2)

式(1)～(2)中：H0为基准点高程；Ht后和H(t+1)后为t时刻(t+1时刻)后视尺读数；Ht前和H(t+1)前为t时刻(t+1时刻)前视尺读数。

3)周边位移收敛值(收敛计)

Sn=(Rt+Nt)-(Rt+1+Nt+1)+σ(Tt+1-Tt)Gt+1

(3)

式中：Rt和Rt+1为t时刻(t+1时刻)收敛计尺读数；Nt和Nt+1为t时刻(t+1时刻)数显窗口读数；Tt和Tt+1为t时刻(t+1时刻)温度；Gt+1为t+1时刻的钢尺挂孔长度；σ为收敛计钢尺线膨胀系数。

4.1.2以全站仪为量测工具的转换模型

如图2所示，设后视基准点为A(Xa,Ya,Za)，B(Xb,Yb,Zb)，p点为全站仪架设点，1为待测点，LPA，LPB和LP1为测得的斜距，VA，VB和V1为测得的竖直角，PB与PA，P1与PA的水平角分别为αAPB和αAP1。

图2　全站仪测量示意图Fig.1 Sketch of measurement

(4)

(5)

(6)

AP的方位角为：αAP=αAB+αBAP

(7)

(8)

P1的方位角为(左角为正，右角为负)：

αp1=αAP+1800±αAP1

(9)

(10)

由上述各式(式中各物理量含义前面已介绍)分别求出各观测点三维坐标，再按下述各式求位移变化值。

1)周边位移收敛值

Sn=St-St+1

(11)

(12)

2)拱顶(地表)沉降值

H=Zt-Zt+1

(13)

式(11)～(13)中：(Xl,Yl,Zl)和(Xr,Yr,Zr)为左右2个测点坐标；St和St+1为前后2次测线长度；Zt和Zt+1为前后2次高程。

4.1.3受力监测数据转换模型

(14)

式中：f为传感器的量测频率，Hz；f0为传感器的初始频率，Hz；k为传感器标定系数；P为相应的应力应变值。

4.2监测数据分析与处理

系统主要对变形监测数据进行预警与预测，对其他类数据进行对比检测。对于变形监测数据，系统将实测值与预警等级(累计位移量、位移速率和变化趋势等)进行对比，进而评价围岩与支护结构的稳定性和安全性；另外，可利用系统选择合适的函数和模型进行回归分析，并预测测点可能出现的最大位移值和最终稳定时间。

4.2.1安全预警功能的实现

安全预警功能模块包括警戒值设置子模块和数据对比检测子模块。警戒值设置就是前文第3节提到的监测数据评价标准的设置，用户可以对不同的监测数据设置相应标准，也可以根据实际情况对工程经验值进行修改。数据对比检测子模块中，系统会对待检测数据逐一检查，如果有超过警戒值的数据，系统就会报警，并将结果反馈给用户。

安全预警功能是以实测数据为基础而进行的，基于工程经验总结的各类监测数据管理等级，若有实测数据达到预警值，系统能自动提示用户采取相关措施以减小风险发生的概率和风险造成的损失。

4.2.2变形数据回归分析及常用函数模型

结合C#环境和MATLAB环境对变形数据进行回归分析，先在MATLAB中编制分析模型并生成相关文件，然后在C#环境中添加对分析模型.DLL文件的引用。常用的回归分析函数模型有以下几种。

对数函数：u=a+b·ln(t+1)；

指数函数：u=a·e-b/t，u=a·(1-e-bt)；

上述4个模型中：u为位移值；a,b和c为回归常数；t为初读数后的时间，d。

通过数据拟合和分析，求出回归常数，确定最优拟合函数，为下一步的变形预测做准备。

4.2.3变形预测

变形预测是系统的一个重要功能，先选取要进行回归分析及预测的点位和数据，再选用合适的并能反映隧道内变形发展的回归函数模型后，利用已有数据和最优拟合函数对隧道变形进行预测。预测的主要任务是初步确定最终稳定时间和最终累计变形量，以评估围岩与支护结构的稳定性，进而指导二次衬砌的施做时间。

根据以往经验和大量工程监测数据，大部分变形在45～60 d都将趋于稳定，所以一般运用已确定的拟合函数和数据对45～60 d内的变形进行预测即可。另外，预测值应该为二次衬砌施做时机提供指导，二次衬砌施做时机依据以下原则进行确定：

1)变形明显收敛，围岩基本稳定，实测变形值达到预计总位移量的80%～90%；

2)周边位移速率小于0.1～0.2 mm/d，拱顶下沉速率小于0.07～0.15 mm/d；

3)浅埋、膨胀岩、软岩地段实测值超过允许位移值时，应及时实施二次衬砌。

4.2.4其他类数据对比检测功能

地质与水文类数据的处理主要是将这些数据整理以对围岩的基本性质进行判断并对成灾可能性进行评估；爆破类数据及力学数据的处理主要是将这些数据与基准值进行对比，以检测其是否超过安全允许标准。

4.3信息反馈模块

信息反馈模块包含地质与水文信息、爆破信息、变形信息、受力信息的反馈，反馈内容主要用于指导施工并保障施工安全。

4.3.1地质与水文信息反馈

如图3所示，地质与水文信息反馈内容主要包含掌子面的基本信息，岩性特征，围岩级别判定，不良地质，水文地质，围岩稳定性分析，不良地质与成灾可能性评价等。

图3　地质与水文信息反馈Fig.3 Hydrogeology and engineering geology information

4.3.2爆破信息反馈

如图4所示，爆破信息反馈包括掌子面附近、洞口周围的地质与支护情况的反馈，有害气体信息和震动信息的反馈。

图4　爆破信息反馈Fig.4 Blasting information after excavation

4.3.3变形信息反馈

变形信息反馈主要是位移随时间、空间(与开挖面距离)变化而形成的时程曲线和空间曲线的反馈，以及回归分析、变形预测及安全预警的反馈。变形分析、预测和预警的内容在4.2节论述清楚，不再赘述。图5是以周边位移为例的反馈界面。

图5　变形信息反馈Fig.5 Deformation information

4.3.4受力信息反馈

将受力监测数据转换成应力、应变或压力类数据后，系统将其处理并按照图6所示进行力学信息反馈。

图6　力学信息反馈Fig.6 Mechanics information

1)锚杆轴力

依据锚杆极限抗拉强度与锚杆应力的比值K(安全系数)做出判断，K≥1是合适的；并根据锚杆轴力分布的峰值位置和峰值大小适当修正锚杆长度。

2)拱架内(外)力

3)接触压力

接触压力的反馈和施工指导分3种情况：接触压力较大且变形量也大，应加强支护以限制变形和压力增长；接触压力较大但变形量较小，说明支护时机过早或支护刚度太大，应修正支护时机和支护设计参数；接触压力较小但变形量较大，说明围岩将失稳，应立即停止开挖并加强支护或加固处理。

4)衬砌内应力

若喷层应力太大，出现明显裂损或剥落、起鼓等现象，应适当增加初始喷层厚度；若喷层较厚，还是出现上述现象，应增强锚杆并改变施工措施。

5CMIMS在麻栗垭隧道工程中的简单应用

5.1麻栗垭隧道工程概况

依托工程为张唐重载铁路付营子隧道(双线隧道)和张桑高速公路麻栗垭隧道(双车道)，限于篇幅，以麻栗垭隧道为例对CMIMS的部分功能(分析处理模块中的变形数据分析预测)进行介绍。麻栗垭隧道建筑限界为10.25 m(净宽)×5 m(净高)，依据相关规范[22]，隧道净空断面的尺寸为1 090 cm×695 cm。隧道围岩为风化砂质页岩，围岩级别为Ⅳ级和Ⅴ级，隧道所处位置地质复杂且有部分浅埋偏压段。

依据3.3节的变形监测控制基准，覆土层厚度小于50 m，取Ⅴ级围岩下的大值，求得拱腰处净空收敛的允许值为：

U0=10 900mm×0.50%×1.1=59.95mm；

观测点距开挖面的距离大于2倍洞径，依次求得不同等级位移基准为：

U0/3=19.98mm，2U0/3=39.96mm。

因此确定该隧道工程相应的预警等级及工程对策如表6所示。

表6　变形监测预警等级及工程对策

5.2安全预警与分析、预测功能

麻栗垭隧道某断面1个月内监测的水平净空收敛变形数据如表7所示。

5.2.1安全预警

如表7，由累计变形数据和预警等级可知在第15，16 d左右达到橙色预警，应该通知施工单位加强支护。变形速率的最大值也出现在第15，16 d，分别为2.55和2.14 mm/d，但变形速率未达到预警值。为了保证安全，系统还是会在第15，16 d向施工单位发出橙色警报。

表7水平净空收敛累计变形数据

Table 7 Cumulative deformation data of the circumjacent convergence

mm

5.2.2回归分析

应用CMIMS对数据进行回归分析，不同函数模型的分析结果如图7所示。

图7　不同函数模型的回归分析Fig.7 Regression analysis of different function models

如图7，S型函数(泊松模型)为该断面变形数据的最优拟合函数，函数式为：

u=33.98/[1+40.27exp(-0.26t)]

5.2.3变形预测

依据上述最优拟合函数，对21～40 d的变形进行预测，预测值如表7所示。由该函数模型也很容易求出最终累计变形量为33.98 mm，最终稳定时间大致在第45 d。另外，在第33,34,35 d，变形速率连续小于0.1 mm/d，据此可确定二次衬砌的施做时机。

6结论

1)系统的监测信息包含开挖前的地质与水文信息、开挖后的爆破信息、长期监测的变形数据和受力数据等；

2)系统包含数据收集、分析处理、信息反馈3个主要模块，能实现对隧道工程施工信息的采集、分析、预测、反馈等功能；

3)CMIMS在麻栗垭隧道工程中实现了部分功能的应用，泊松模型可对该断面的水平收敛变形数据进行有效地拟合与预测，该断面最终累计变形量为33.98 mm，最终稳定时间在第45 d，二次衬砌的施做时机在第35 d；

4)系统的监测项目全面，并能处理不同监测仪器的采集数据，能适用于各类隧道工程和多种施工方法的信息监测与管理。

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CMIMS: construction monitoring and informationmanagement system for drill and blast tunnelsFEI Guanghai1,2，WU Xiaoping1,2，LI Wenrong1,2，TANG Dongdong1,2，YANG Xianzhang3

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. Hunan Zhang-Sang Expressway Construction and Development Co. Ltd., Zhangjiajie 427000, China)

Abstract:It is necessary to monitor and manage the multivariate information during tunnel construction because of the mass monitoring data and the insufficient information. Based on the experiences of existing tunnels and current monitoring technologies, an information management, forecasting and safety warning software system for tunnel construction was presented, which can manage the monitoring information efficiently, analyze accurately and feedback timely. According to the requirements of monitoring in shallow tunnel, the CMIMS contain three main modules which were data collection, analysis and feedback. The construction monitoring data include hydrogeology and engineering geology information before excavation, blasting information after excavation, deformation and mechanics information. The system is intended to enable effective construction information collection, analysis and feedback, which can improve the safety and quality during tunnel construction. The applied case—Maliya tunnel, indicates that the Logistic regression can fit and predict the deformation data effectively. The CMIMS can be widely applied to monitor the sites of various tunnel construction projects, and it has an important meaning for dynamic design, risk identification and engineering measure choices.

Key words:tunnel; drilling and blasting method; construction monitoring; information management

中图分类号：U456.3；U25

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0775-08

通讯作者：吴小萍(1965-)，女，四川雅安人，教授，博士，从事道路与铁道工程、隧道与地下工程等方面的研究；E-mail:csurailwayfgh@163.com

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G005-A)；湖南省交通科技项目(201436)；中南大学创新项目(CX2015165，YC2015600)

收稿日期：2015-08-09