雷蕾

(成都信息工程大學(xué)物流學(xué)院，四川 成都610103)

浩吉鐵路(原名蒙華鐵路)是國家“十三五”規(guī)劃的重大交通基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，是中國境內(nèi)一條連接內(nèi)蒙古浩勒報(bào)吉與江西吉安的國家一級電氣化鐵路，世界上一次性建成并開通運(yùn)營里程最長的重載鐵路[1]。作為新奧法核心之一，監(jiān)控量測對施工安全保障發(fā)揮著重要作用[2]。浩吉公司(即浩吉鐵路股份有限公司，原名為蒙西華中鐵路股份有限公司)在充分調(diào)研、借鑒國內(nèi)外先進(jìn)監(jiān)控量測經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道建設(shè)實(shí)際對監(jiān)控量測管理、工藝工法等方面進(jìn)行創(chuàng)新，取得良好的應(yīng)用效果，有效地保障隧道施工安全。本文從浩吉鐵路與監(jiān)控量測相關(guān)技術(shù)、管理出發(fā)，深入闡述浩吉鐵路監(jiān)控量測方面的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，以期為今后隧道施工提供有益借鑒。

1 工程概況及隧道概況

1.1 工程概況

浩吉鐵路北起內(nèi)蒙古自治區(qū)浩勒報(bào)吉南站，途經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西7個省(自治區(qū))，終至京九鐵路吉安站，正線全長1813.544 km，是北煤南運(yùn)新的戰(zhàn)略通道。該項(xiàng)目地域跨度范圍廣，跨越的河流、山脈眾多。地質(zhì)條件復(fù)雜，橋隧比大。正線大中橋711座/381 km，隧道228座/468.5 km，橋隧比約46.8%。

1.2 隧道概況

浩吉鐵路正線隧道228座，總長約468.5 km，占正線總長的25.8%，L≥10 km 隧道10座。根據(jù)隧道長度、斷面情況、風(fēng)險預(yù)警等級、隧道工程特點(diǎn)，經(jīng)相關(guān)專家風(fēng)險評估后確定的風(fēng)險隧道累計(jì)達(dá)22座。其中，集義、萬榮、中條山、崤山、西安嶺等7座隧道為Ⅰ級風(fēng)險隧道，白城、陽城、王家灣、麻科義、陽山、禹門口、梨樹坡等15座隧道為Ⅱ級風(fēng)險隧道；全線斷面形式主要分為單、雙線正洞和單、雙車道輔助坑道，主要采用全斷面、兩臺階、三臺階等開挖方法；沿線穿越砂層、黃土、砂泥巖、板巖、花崗巖、灰?guī)r等多種地層及富水?dāng)鄬?、巖溶、瓦斯、濕陷性黃土、高地應(yīng)力水平巖層等不良地質(zhì)。地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大、風(fēng)險控制要求高、控制因素多。施工安全成為取得該項(xiàng)目良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的關(guān)鍵，加之參與單位多，各單位管理水平、人員素質(zhì)等存在差異，采取有效地監(jiān)控量測管理和技術(shù)成為保障隧道安全施工的重點(diǎn)。

2 測點(diǎn)埋設(shè)原理

浩吉鐵路因優(yōu)化了初支鋼架和全面使用濕噴機(jī)械手，故可將測點(diǎn)焊接到鋼架。看似是監(jiān)測初支變形，違背“新奧法”把圍巖看作是支護(hù)的重要組成部分進(jìn)行監(jiān)測的理念。但是這兩種施工方法的結(jié)合可以確保初支密貼圍巖，形成一個整體。這樣的測點(diǎn)埋設(shè)方法既保證了測點(diǎn)牢固又起到了監(jiān)測圍巖形變的作用，從施工到監(jiān)控量測都完全滿足“新奧法”施工原理[3]。若采用傳統(tǒng)工字鋼的剛性支護(hù)和干噴，難以保證初支背后無空洞、初支與圍巖密貼。現(xiàn)場三臺階法施工的隧道監(jiān)控量測點(diǎn)布置效果見圖1。

圖1 測點(diǎn)埋設(shè)效果圖

2.1 優(yōu)化初期支護(hù)鋼架

浩吉鐵路采用柔性格柵鋼架。型鋼鋼架剛度大、加工簡單，架設(shè)后能較快速提供對圍巖的早期支撐作用，但質(zhì)量大、架設(shè)難、與開挖面不易密貼、混凝土噴射不實(shí)；柔性格柵鋼架質(zhì)量輕、安裝快、用鋼量少，可與噴射混凝土良好結(jié)合、協(xié)同受力[4]。從受力角度來看，格柵鋼架比型鋼鋼架應(yīng)力小，且應(yīng)力分布相對均勻。為保證格柵鋼架的制作質(zhì)量，浩吉公司全線推廣應(yīng)用四肢主筋8字結(jié)連接格柵鋼架(見圖2)，確定了H130、H150、H180、H230標(biāo)準(zhǔn)化鋼架型號，全部采用工廠化集中生產(chǎn)、統(tǒng)一配送。同時，將測點(diǎn)布置在優(yōu)化后的格柵鋼架上。既能保證測點(diǎn)牢固，又能穩(wěn)定采集圍巖形變的數(shù)據(jù)。

圖2 格柵鋼架支護(hù)

2.2 全面使用濕噴機(jī)械手

初期支護(hù)承載著隧道圍巖壓力負(fù)荷，對施工安全至關(guān)重要，保證初期支護(hù)噴射混凝土的質(zhì)量尤為關(guān)鍵。浩吉公司強(qiáng)制要求拌合站集中供料，每個作業(yè)面必須采用濕噴機(jī)械手噴射混凝土(見圖3)。該工藝使得圍巖和初支緊密貼合，為保障監(jiān)控量測數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性提供了工藝條件。通過對全隧道分布、工作面數(shù)量及開工順序研究，分析機(jī)械手合理配置數(shù)量和規(guī)格要求(≥15 m3/h)。浩吉鐵路全線228座隧道，實(shí)際投入機(jī)械手339臺，實(shí)現(xiàn)施工掌子面全覆蓋[5]，為監(jiān)控量測奠定良好的工藝基礎(chǔ)。

圖3 濕噴機(jī)械手作業(yè)

3 監(jiān)控量測平臺

3.1 平臺架構(gòu)及界面

平臺采用目前世界上主流的NET開發(fā)平臺和先進(jìn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的B/S(瀏覽器/服務(wù)器)與C/S(客戶機(jī)/服務(wù)器)相結(jié)合的技術(shù)構(gòu)架，整體技術(shù)框架穩(wěn)定、可靠、標(biāo)準(zhǔn)，支持各種操作系統(tǒng)(Windows、UNIX、LINUX)和大型數(shù)據(jù)庫(Oracle、SQL-SERVER、SYBASE等)，具有實(shí)施速度快、維護(hù)成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)、支持點(diǎn)對點(diǎn)的實(shí)時通信和數(shù)據(jù)集中存儲的優(yōu)勢，硬件配置要求低。可在PC Server級服務(wù)器上流暢運(yùn)行，有效降低了IT成本[6]。

平臺采用可視化操作界面(見圖4)，系統(tǒng)點(diǎn)擊界面分別為：系統(tǒng)登錄—主界面—隧道分布圖—隧道縱斷面圖—數(shù)據(jù)展示，整體直觀、便于操作[7]。主界面為全線標(biāo)段分部圖，若測點(diǎn)發(fā)生預(yù)警，主界面該標(biāo)段變?yōu)橄鄳?yīng)顏色，且伴隨聲音提醒，正常為綠色，二級預(yù)警為黃色，一級預(yù)警為紅色。右側(cè)展示全線各級預(yù)警數(shù)量，點(diǎn)擊可查詢預(yù)警詳情。

圖4 系統(tǒng)主界面

隧道分布圖為該標(biāo)段隧道分部地點(diǎn)，右側(cè)展示該標(biāo)段預(yù)警信息。隧道縱斷面圖可直觀展示監(jiān)測斷面分部，V級圍巖間隔5 m，IV級圍巖間隔10 m，由于背景圖為設(shè)計(jì)圖紙CAD轉(zhuǎn)換的JPG圖，故發(fā)生預(yù)警時可直觀、快速看到該預(yù)警處是否有偏壓或地質(zhì)條件極差等有用信息。右側(cè)展示該隧道的預(yù)警信息。數(shù)據(jù)展示可切換地表沉降、拱頂下沉、凈空收斂監(jiān)測項(xiàng)目[8]，且數(shù)據(jù)與圖形結(jié)合展示。此外，手機(jī)app可自動以短信的形式推送預(yù)警信息，極大方便了管理人員和技術(shù)人員獲取隧道變形信息(見圖5)。

圖5 手機(jī)app數(shù)據(jù)、預(yù)警查詢

3.2 平臺特點(diǎn)

該平臺具有以下特點(diǎn)：① 系統(tǒng)簡潔，操作方便，實(shí)用性強(qiáng)；② 各隧道工點(diǎn)量測工作的全覆蓋；③ 有效防止量測數(shù)據(jù)的人為干預(yù)或造假；④ 量測數(shù)據(jù)的實(shí)時查詢、進(jìn)行溯源監(jiān)管；⑤ 提高現(xiàn)場工作效率、信息共享及時；⑥ 量測異常數(shù)據(jù)及時預(yù)警，分級處治[9]，真正發(fā)揮隧道施工監(jiān)控量測工作的作用，預(yù)防安全事故發(fā)生[10]。

3.3 平臺功能

① 原始數(shù)據(jù)的查詢功能。② 輸出日報(bào)、周報(bào)或月報(bào)，繪制單點(diǎn)、多點(diǎn)數(shù)據(jù)趨勢圖等功能。③ 預(yù)測可能最大變形量，根據(jù)監(jiān)控量測管理等級自動發(fā)布預(yù)警信息，記錄預(yù)警處理結(jié)果等功能。④ 測點(diǎn)埋設(shè)處初期支護(hù)侵限計(jì)算、判別及侵限提醒等功能。⑤ 具備監(jiān)控量測工作進(jìn)度管理功能。⑥ 生成監(jiān)控量測匯總表。

3.4 技術(shù)要求

(1)用于上傳數(shù)據(jù)的終端或其他手持通訊設(shè)備，與測量儀器(全站儀、電子水準(zhǔn)儀等)固定匹配。

(2)監(jiān)測項(xiàng)目代號、圖例及測點(diǎn)編號，具有唯一性。

(3)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集符合下列要求：① 全站儀、電子水準(zhǔn)儀等儀器具備R232接口或藍(lán)牙。② 移動智能終端操作系統(tǒng)為Andriod 4.0及以上，安裝監(jiān)控量測信息化專業(yè)軟件。

(4)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，采用圖6所示的模式。

圖6 數(shù)據(jù)分析與處理模式示意圖

4 監(jiān)控量測管理

傳統(tǒng)監(jiān)控量測理念并未將監(jiān)控量測工作在真正意義上滲透至施工管理中，存在重視程度不夠、流于形式、人員素質(zhì)低、監(jiān)測信息化技術(shù)落后等問題，難以保障施工安全。為避免“形式化”執(zhí)行、“粗獷式”管理的現(xiàn)象再次出現(xiàn)，切實(shí)有效地保障隧道安全，浩吉鐵路進(jìn)行了一系列監(jiān)控量測管理的創(chuàng)新、優(yōu)化。

4.1 依托監(jiān)控量測技術(shù)咨詢，優(yōu)化監(jiān)控量測方案

對國內(nèi)外相關(guān)科研單位等進(jìn)行多次調(diào)研，嚴(yán)格執(zhí)行招投標(biāo)程序，篩選出監(jiān)控量測技術(shù)一流的單位進(jìn)行技術(shù)咨詢，集中討論。專家小組根據(jù)隧道類型、圍巖條件、開挖方法等統(tǒng)一編制監(jiān)控量測實(shí)施方案[11]。該方案作為指導(dǎo)性實(shí)施意見，為各施工單位明確斷面布距、測點(diǎn)布設(shè)要求、監(jiān)測頻率、預(yù)警指標(biāo)等基本要求。尤其在預(yù)警控制基準(zhǔn)方面，結(jié)合科學(xué)試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)際情況及歷史數(shù)據(jù)，在中鐵總公司《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，充分保障預(yù)警閾值設(shè)置的合理性。

4.2 實(shí)行監(jiān)控量測動態(tài)管理

堅(jiān)持“實(shí)事求是、及時響應(yīng)、準(zhǔn)確把控、有效處置、實(shí)時跟蹤、閉合處理”的動態(tài)管理理念。定期或不定期對監(jiān)控量測工作開展專項(xiàng)檢查和會議，及時整改問題、反饋建議。建立問題、建議數(shù)據(jù)庫；多次修訂、完善監(jiān)控量測實(shí)施方案及管理機(jī)制，做到每次發(fā)生預(yù)警，相關(guān)人員第一時間趕赴現(xiàn)場進(jìn)行查看情況、核查處理，處理完成后待測點(diǎn)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定再關(guān)閉預(yù)警。通過認(rèn)真落實(shí)監(jiān)控量測工作，積累大量數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際施工情況進(jìn)行分析，及時反饋信息，進(jìn)而為調(diào)整預(yù)警值提供依據(jù)，指導(dǎo)施工和設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

4.3 強(qiáng)化監(jiān)控量測理念，明確監(jiān)控量測職責(zé)

浩吉公司要求監(jiān)控量測必須納入工序管理，真正做到“不量測不進(jìn)洞，不安全不進(jìn)洞”，回歸“新奧法”施工原理，提出“一強(qiáng)化、二緊跟、三超前、四到位”的施工理念。其中“一強(qiáng)化”：強(qiáng)化監(jiān)控量測，明確監(jiān)控量測工作在隧道施工過程中的重要作用；要求各單位管理層領(lǐng)導(dǎo)每天查看監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，針對預(yù)警，第一時間詢問現(xiàn)場情況，短時間內(nèi)使各單位主要負(fù)責(zé)人對隧道施工監(jiān)控量測工作高度重視[12]。明確各方管理職責(zé)，確保“全員、全過程”監(jiān)督和控制。實(shí)行指揮部、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工單位共同參與的管理體系，嚴(yán)格實(shí)行人員績效評價[13]。指揮部對監(jiān)控量測實(shí)施進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)監(jiān)控量測設(shè)計(jì)并參與施工過程監(jiān)控量測工作，施工單位是監(jiān)控量測實(shí)施的主體責(zé)任單位，監(jiān)理單位負(fù)責(zé)對監(jiān)控量測實(shí)施進(jìn)行監(jiān)督、檢查。各參建單位應(yīng)成立監(jiān)控量測管理組織機(jī)構(gòu)，配備滿足需要的人員，建立相應(yīng)的責(zé)任體系。

4.4 建立隧道監(jiān)控量測信息化平臺，細(xì)化監(jiān)控量測預(yù)警管理

全線采用全站儀非接觸式量測，建立隧道監(jiān)控量測信息化平臺。全線隧道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入信息管理平臺，嚴(yán)格數(shù)據(jù)的采集和上傳。參建單位技術(shù)和管理人員可通過監(jiān)測信息管理app實(shí)現(xiàn)手機(jī)實(shí)時查看量測數(shù)據(jù)；監(jiān)控量測實(shí)行數(shù)值管理，細(xì)化不同地質(zhì)條件的監(jiān)控點(diǎn)布置、預(yù)警值。通過變形總量、變形速率、初期支護(hù)表觀現(xiàn)象和變形時態(tài)曲線等四項(xiàng)指標(biāo)，對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行綜合等級管理，預(yù)警等級分為正常(綠色)和二級(黃色)、一級(紅色)預(yù)警[14]。一旦出現(xiàn)預(yù)警，信息平臺自動發(fā)送預(yù)警信息至責(zé)任人，各級管理人員可在第一時間研究并采取有效的處理措施[15]。

4.5 監(jiān)控量測測點(diǎn)實(shí)行單價計(jì)費(fèi)

浩吉鐵路采用單價承包模式，監(jiān)控量測單位可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，對監(jiān)控量測測點(diǎn)數(shù)量、布置等進(jìn)行現(xiàn)場勘察和測試研究?，F(xiàn)場實(shí)際工作量的增減都能體現(xiàn)在計(jì)價中，促使現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際采取有效措施。對合理增加的費(fèi)用給予認(rèn)可，極大地調(diào)動了監(jiān)控量測人員及參建單位的積極性，對保障施工安全起到了重要作用。

5 結(jié)論與討論

浩吉鐵路作為國家投融資改革示范項(xiàng)目，在保障隧道施工安全上進(jìn)行多項(xiàng)監(jiān)控量測技術(shù)、管理創(chuàng)新和探索。測點(diǎn)埋設(shè)基于優(yōu)化格柵鋼架和采用濕噴機(jī)械手，為獲取準(zhǔn)確、穩(wěn)定的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)提供工藝條件；信息化平臺的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)施工安全的可視化、預(yù)警數(shù)據(jù)實(shí)時化等；技術(shù)咨詢單位的介入保證監(jiān)控量測方案的科學(xué)性；動態(tài)管理促使監(jiān)控量測技術(shù)發(fā)揮實(shí)效；測點(diǎn)單獨(dú)計(jì)價，大大增加施工單位的配合度，保障參建單位的經(jīng)濟(jì)收益。多種監(jiān)控量測管理與技術(shù)的創(chuàng)新，促使浩吉鐵路隧道施工取得良好的示范效果。

然而，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)，面對復(fù)雜多變的工程地質(zhì)條件，如何使預(yù)警基準(zhǔn)值確定得更加合理科學(xué)，更準(zhǔn)確反映圍巖變形的狀態(tài)，還須不斷總結(jié)分析、提高。浩吉鐵路監(jiān)控量測管理與技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用和信息化優(yōu)勢，但隧道施工作業(yè)的安全受各種因素的影響，監(jiān)控量測信息化管理仍有待完善和提高。在隧道安全管理工作中需要綜合多種技術(shù)、多方力量，實(shí)現(xiàn)鐵路隧道信息化綜合平臺建設(shè)。浩吉鐵路在隧道施工監(jiān)測信息化只是在綜合平臺的一個小單元模塊做了一點(diǎn)有益的探索，離智能化工程管理需求還有一定差距。