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全国市政工程行业科技成果展示:基于多元信息预警平台的隧道施工安全保障关键技术研究

    “基于多元信息预警平台的隧道施工安全保障关键技术研究”项目于2012年12月立项,2015年5月完成,2016年5月通过北京市住房和城乡建设委员会组织的项目成果鉴定。该项目研究由北京市政建设集团有限责任公司、北京市市政二建设工程有限责任公司、北京市市政工程研究院及北京交通大学合作承担。该研究项目成果获中国公路建设行业协会2016年度“公路工程科技创新成果”一等奖、北京市政工程行业协会2017年度“北京市政科技创新”一等奖,其成果适用于道桥隧道工程行业。

    项目技术研究概况

    “基于多元信息预警平台的隧道施工安全保障关键技术研究”项目以111国道道路改造工程头道穴隧道为工程依托,针对头道穴隧道的具体特点和工程难点进行安全保障关键技术研究,采取多种信息化技术手段和安全保措施,优化施工方案,解决了隧道施工过程中的安全保障技术问题。

    该项目研究所采用的主要技术原理如下。

    1)通过不同分量地震接收器的组合及排布,并利用位置及角度偏移对的地震波进行射线追踪及归位成像,实现了各种场地条件下隧道施工长距离超前地质预报;通过多频次采集数据的叠加和多个单震源文件的联合,大大提高了预报的准确性及预报精度,为隧道施工提供具体的灾害体形状和准确的空间位置。

    2)在现场爆破振动监测数据的基础上,运用ANSYS瞬态动力分析模块进行了小间距隧道中后行隧道爆破对先行隧道及围岩影响的三维数值模拟,深入分析了先行隧道结构上的振速、位移和应力分布情况,并通过建立不同工序下的有限元模型,得到了各工序下振速、位移和应力响应结果。

    3)结合头道穴隧道具体情况,基于TMIGS系统,开发隧道施工高频率多测点自动监测系统和地质灾害防控响应系统。

    4)结合以上三方面的研究,形成隧道施工综合安全架构,通过施工前信息获取、施工中安全控制和严密监测、灾害发生后的快速反应构建隧道施工安全保障机制。

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UPS数据采集系统现场布置图

    项目关键技术创新点

    该项目的研究关键技术主要有如下几个方面:

    1)长距离、高精度隧道施工超前地质预报技术。

    头道穴隧道通过山体由中生代白垩纪花岗岩组成,出露地层围岩主要为风化花岗岩,断层、破碎带均有分布,开挖时容易产生垮塌;进口地势陡峭,洞口段施工过程中水有可能由山体水顺洞口而下,容易出现坍方;隧道偏压较严重。

    针对以上工程难点,施工前采用仪器对头道穴隧道进行超前地质预报,通过不同分量地震接收器的组合及排布,并利用位置及角度偏移对的地震波进行射线追踪及归位成像,实现了各种场地条件下隧道施工长距离超前地质预报;通过多频次采集数据的叠加和多个单震源文件的联合,大大提高了预报的准确性及预报精度,为隧道施工提供具体的灾害体形状和准确的空间位置。通过USP长距离、高精度隧道施工超前地质预报研究,实现了头道穴隧道施工Ⅲ级围岩段300 m以上的长距离预报,同时掌子面前方100 m范围内预报准确度达到了85 %。

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半球接受仪现场安装布置

    2)小间距隧道爆破施工控制技术。

    头道穴小间距隧道爆破振动监测主要是研究爆破地震波在岩体中的传播规律以及爆破开挖对邻近隧道的围岩和衬砌稳定性影响。在现场爆破振动监测数据的基础上,运用ANSYS瞬态动力分析模块进行了小间距隧道中后行隧道爆破对先行隧道及围岩影响的三维数值模拟,深入分析了先行隧道结构上的振速、位移和应力分布情况,并通过建立不同工序下的有限元模型,得到了各工序下振速、位移和应力响应结果。通过对爆破振动监测试验数据进行分析,总结出爆破振动的频率范围,改进小间距隧道施工方法,减小爆破夹制作用,及对另一隧道影响,安全、快速、经济修建完成该隧道,取得了良好的经济和社会效益。

    3)高频率多测点监测及灾害预案系统。

    针对不良地质段施工危险性较大和当前监测技术无法全面反映围岩和支护结构稳定性及安全状态的现状,研究隧道施工自动监测技术,研发相关监测设备,以达到多测点、高频率、等间隔的监测,实现隧道施工监测的全方位、全天候覆盖和自动化预警,从而对隧道的安全状态有了更全面的掌控;同时对隧道施工进行安全评价,实现实时预警。建立隧道地质灾害防控指挥系统,分析施工过程中可能存在的地质灾害,建立地质灾害应急救援预案,通过系统软硬件实现地质灾害发生后的预案传达和推送,进而指挥现场各部门进行救援活动。

    结合以上三方面的技术研究,形成了隧道施工综合安全管理架构,通过施工前信息获取、施工中安全控制和严密监测、灾害发生后的快速反应构建隧道施工安全保障机制。

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三分量接收器现场安装布置

    与国内外同类技术的比较

    对岩体隧道工程,目前广泛采用隧道地震预报法(TSP)技术进行预报,国内也有一些单位针对隧道地质预报技术作了相关的技术研究。就目前现状而言,仍没有或不能满足地下工程的施工要求。

    用“角度+位置偏移”的联合体系进行长距离地震波反射法预报,同时利用多震源多接收器的联合叠加方法,大大提高了预报精度,从而实现长距离、高精度隧道施工超前地质预报。目前国内外出现了许多信息化施工方法,国内也有学者开发了相应的施工信息化监控系统,该课题首次提出高频率多测点自动监测设计方案和建立隧道地质灾害防控指挥系统,建立隧道施工高频率多测点自动监测系统,建立地质灾害应急救援预案,通过系统软硬件实现地质灾害发生后的预案传达和推送。

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施工现场监控量测

    项目应用成果与效益

    该项目研究成果在111国道工程头道穴隧道施工中的得到了成功应用,经济和社会综合效益显著。

    在隧道施工过程中,通过确定更加精确的爆破系数,节省了炸药和雷管,减少了材料的浪费,经济效益达到了40余万元;针对开挖前的岩体进行了实时分析,给爆破和开挖提供了有效的依据,成功建立了提前预警的安全保障体系,消除了未知安全隐患,确保了山岭隧道安全施工;炸药使用量的减少,有利于过程施工的节能环保。

    (北京市市政二建设工程有限责任公司 供稿

    注:本文刊载于《市政技术》2018年第5期,第3、4页。