超浅覆土矩形隧道施工安全监控与超前预警平台研究*

上海建工集团工程研究总院 上海 201114

1 矩形断面隧道盾构法施工风险

1.1 结构受力风险

目前大多数隧道的断面形式为圆形或椭圆形，其中不仅因为这种类型的盾构隧道施工难度低，更重要的一点是其结构受力均匀，管片制作工艺简单[1-3]。相反，矩形断面隧道，结构受力更为复杂，不同部位的管片受力大不相同。因此，各个部位的管片均需分别考虑。本文研究的矩形隧道断面为9.5 m×4.7 m，一环管片拟分为6 块。经理论分析，隧道结构的关键安全控制内容有：

（a）弯矩方面。矩形隧道上下两侧跨中部分的弯矩最大，弯矩大的地方容易出现裂缝，对于地下结构而言，裂缝是影响结构防水的重要因素，因此，矩形盾构封顶块需要特殊研究。

（b）轴力方面。矩形隧道上下两侧轴力较小，左右两侧轴力较大。因此，左右两侧部分结构的抗压能力要求较高。

（c）剪力方面。矩形隧道以4 个角点的剪力最大，不仅如此，此处的弯矩和轴力也较大。矩形隧道的角点部位是应力集中最明显的位置，也是结构最危险的位置。

1.2 施工技术风险[4-8]

1.2.1 环境安全影响

与圆形/椭圆形盾构机相比，矩形盾构机上表面宽大而且平坦，上部土压力垂直作用于机体，导致盾构机背土现象严重，即部分土体附着于机体，并随盾构机的推进而同向移动，最终可能导致上覆土体的剪切破坏，致使管线等地下设施受损或破坏。浅/超浅覆土施工，对地表的扰动影响本就非常敏感，如果背土效应严重，对近邻环境土工安全的影响将大幅增加。

1.2.2 推进姿态控制

在矩形盾构推进过程中，由于土质不均匀、地面超载变化、推力作用点布置不合理或不当操作等方面的原因，矩形盾构在推进过程中产生侧转、偏离轴线等风险较大。对于矩形盾构法隧道，矩形掘进机发生侧转，将直接影响管片的正常拼装，同时可能会造成上覆管线等构筑物的损伤。为此，在矩形隧道施工过程中需要连续监控盾构机的掘进姿态，并不断地进行姿态纠正，避免过大的偏转/偏离轴线调整造成隧道结构拼装困难和近邻地层扰动变形。

2 自动化监测系统开发

开发的自动化监测方法，是基于无线电波进行数据传输，可以实现地下工程监控数据自动化采集与传输，同时具备监测数据的简单分析功能，用以应对突发事件的发生。监测系统由3 部分构成。

2.1 数据采集模块

采集模块主要完成数据的自动采集，由2 部分组成，一部分为采集元件（传感器），另外一部分为采集箱。采集模块不仅兼容电子类采集传感器，而且可以使用测量机器人（本次采用索佳NET05）实现数据的自动采集。

2.2 数据发射模块

数据发射模块主要实现数据自测量端向安全平台的传输。目前，常用的数据发射方式为GPRS发射。考虑到在地下工程中由于存在信号的问题，GPRS数据传输方式受到较大制约，为提高监测系统的自动化和信息化水平，本系统采用了基于无线电波的数据发射模式，实现了地下工程无信号区域数据自动化传输，保证了数据传输的及时性。

2.3 数据预分析模块

数据预分析模块一方面对接收到的数据进行初步处理，判别其合理性，另一方面通过数据传输模块向数据采集模块发射控制指令。预分析模块界面如图1所示。初步处理后的数据将进入下一个平台——施工安全预警平台。

图1 数据初步分析界面

该平台由3 部分组成：数据分析模块、风险评估模块、专家系统模块。其组织结构如图2所示。

该预警平台的主要功能包括：数据整理与分析、数据评估与预警以及超前预警。

数据分析功能方面，该平台继续保留人工分析功能，但是该功能区别于传统意义上的人工分析，是由专家分析、预案分析以及视频分析等功能组成；同时添加了智能分析功能，此功能由系统自动完成。数据评估与预警功能方面，系统首先根据自动分析的结果判定施工的安全性，一旦数据超标或者发生异常情况，将转入人工分析系统，确定数据异常情况的合理性，最后通过多种渠道与方式进行预警及报警。超前预警功能方面，根据既有数据判断发展趋势并提出专家建议，形成超前预警。

图2 安全预警平台结构

3 结语

本文介绍了如何开发应用于超浅覆土矩形盾构隧道的自动化监控与超前预警平台。该平台由自动化监测系统和施工安全预警平台2 个大部分组成。自动化监测系统基于无线电波传输数据，实现了地下工程监测数据的自动化采集与发射；施工安全预警平台对各种方式接收到的数据进行管理与深度分析、并根据数据的发展趋势进行超前预判，形成超前预警，最终可形成评价报告与专家建议。本平台将为地下通道的新型非开挖法施工——矩形盾构法施工，提供可靠的安全控制手段。