山岭隧道爆破施工中初衬结构变形实时监控的研究

赵国强，房 浩，许 钰，屠伟新

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

0 引 言

山岭隧道施工是具有高风险的施工项目。特别是山岭隧道在爆破作业时，爆破产生的冲击力容易导致初衬周边围岩的失稳，进而导致隧道初衬的坍塌。为了预防隧道施工灾害的发生，上海城建市政工程（集团）有限公司在2018年启动的研究课题《东南沿海山区复杂环境下高速公路灾害防控技术与实时监控应用研究》。山岭隧道爆破施工中初衬结构变形实时监控的研究为该项目的研究内容之一。

《爆破安全规程GB 6722—2014》中对于山岭隧道爆破产生的质点速度，进行了规范要求。规程要求爆破时隧道内所有质点的振动速度不应超过规程要求[1]。

阳生权等人，研究了爆破开挖围岩地震波传递规律和对既有隧道影响。研究表明,在施工期间与爆破开挖面对应位置的既有隧道前后方约2.0 倍洞径范围内应是重点观测区域范围[2，3]。

胡刚等人，采用现场试验和数值模拟相结合的方法研究隧道初次衬砌结构在爆破荷载作用下的动力响应。应用TC-4850 测振仪获得质点振动速度峰值数据，建立隧道初次衬砌结构仿真模型，分析隧道结构关键位置（拱脚、拱腰、拱肩、拱顶）处应力及位移的变化规律[4]。

综上所述，目前山岭隧道爆破施工的安全管理主要通过控制质点的震动速度。由于振动速度仅反映了在爆破时包括围岩和初衬所受到的冲击力。难以反映在受到该冲击力后，初衬的动力响应及滞后的变化。因为初衬的动力响应及滞后的变化和隧道周边围岩的质量，初衬结构强度有关。

为此。本研究希望探索一条通过爆破过程中及爆破后的初衬形变的监测，实现施工中的安全监测方法。本研究结合杭绍台高速公路台州段隧道施工，通过安装在初衬钢拱架拱腰部位的二维位移传感器，连续监测在爆破前后的钢拱架二维位移情况。及时捕捉到了爆破后的位移动态响应和滞后相应。为建立基于监测二维位移方法的隧道安全监测奠定了基础。

1 二维位移实时监测系统

由于临近爆破点，且需要在爆破过程中进行位移的监测。因此，需要监测设备具有抗爆，防尘的动态位移监测设备。

TAM 桥隧结构实时监测系统（简称TAM 系统）是上海数久信息科技有限公司研发的利用机器视觉测量隧道结构的沉降和横向位移的专用设备，具有抗爆，防尘的特性[5]。

TAM 系统的系统构成见图1，由多个TAM 传感器，1 台工控机和云平台组成。TAM 系统的原理概要见图2，通过TAM 相机相邻测点连线的夹角φ，并根据夹角φ 计算得到所有测点的位移值Z。

2 三星隧道的概况

三星隧道的断面见图3。该隧道全长450 m，其中Ⅴ级围岩56 m（含40 m 明洞），Ⅳ级围岩314 m，Ⅲ级围岩80 m。该段隧道埋深较浅，隧道洞顶最大埋深约为100 m[6]。

图1 TAM 系统构成示意图

图2 TAM 监测原理示意图

图3 三星隧道的断面图

3 监测试验

本次监测试验的位置见图4、图5，TAM 传感器放置于右洞的初衬的钢拱架侧面，T1 传感器离开洞口为211 m，T5 传感器离开洞口为231 m。图6 为现场的照片。

图4 TAM 传感器布置平面图

图5 TAM 传感器布置立面图

图6 现场的TAM 传感器

本次试验时间为2018年8月15日至2018年8月22日。该时段右洞处于初衬施工阶段，没有爆破施工。左洞爆破施工时段，7 d 时间内连续爆破6次，掘进了21 m。从离洞口215 m 处掘进至236 m。因此，传感器可以直接监测相邻爆破点的钢拱架在爆破期间的形变[7]。

监测结果见图7、图8。图7 所示夹角变化为当前相邻测点连线的夹角与初始状态的差值，图中的T1，T2，T3，T4 表示为夹角中心点，例如T2 代表测点T1 和T2 的连线与测点T2 与T3 连线的夹角的变化值。

图7 测点T2 至测点T4 的折角变化值的时序监测结果

从图8 的结果，可以观察到：

6 次爆破均对钢拱架产生了影响；

对T2 而言，第1 至4 次爆破所产生的变形均为弹性变形，即爆破后能恢复原来状态。第5 次爆破后，其产生的垂直方向的形变没有恢复，具有滞后性。而第6 次爆破，水平方向有弹性变形，垂直方向没有明显的影响；

对T3 而言，第1 次爆破后有明显的波动影响；对T4 而言，第1 和第4 次爆破有明显的弹性变形，其余4 次爆破则没有明显影响。

图8 T2 至T4 测点的垂直方向和水平方向位移的时间序列分布图

由图8 的结果可知：

（1）T2 测点监测期间垂直方向缓慢下沉，产生了最大1 mm 的沉降。同时，水平方向没有位移。在第5 次爆破后，垂直方向呈现到了0.4 mm 的反弹，随后加速沉降恢复至爆破前位置。

（2）T3 测点与T2 测点类似，监测期间垂直方向缓慢下沉，产生了最大1 mm 的沉降。同时，水平方向没有位移。在第5 次爆破后，垂直方向呈现到了0.2 mm 的反弹，随后加速沉降恢复至爆破前位置。

（3）T4 测监测期间垂直方向缓慢下沉，产生了最大0.5 mm 的沉降。

4 结 论

（1）爆破施工会导致初衬钢拱架产生变形，拱腰产生位移。这个影响有弹性影响，即爆破后能恢复原来状态。也有滞后的影响，其产生的形变没有立即恢复，具有滞后性。

（2）检测爆破的影响，相邻测点连线的夹角的变化，比位移变化更明锐，适合于监测异常变化。

（3）验证了TAM 系统的抗暴，抗震，防尘的特性，适合于隧道施工变形的监测。