湖南高速铁路职业技术学院 衡阳 421002
摘要：京广铁路大瑶山隧道是我国南北大通道主要铁路要道之一，铁路隧道运营多年，因地层复杂，地质条件差，受早期施工技术及工法制约，隧道排水受雨季雨量大的影响，隧道内路基和轨道经常遭受水害而影响运营，运营单位需在铁路运营隧道的平行位置开挖一条排水隧道，与地下水源接通，将浸入运营隧道水源引走。临近运营铁路施工对运营隧道的结构变形影响很大，需对隧道结构进行全方位的监控量测，指导临近排水洞的施工，确保运营隧道的安全。
关键词：运营隧道、排水、监测、信息化施工
Abstract：The Dayaoshan Tunnel on the Beijing-Guangzhou Railway is one of the main railways of my country’s north-south passage. The railway tunnel has been in operation for many years. Due to the complex stratum and poor geological conditions，it is restricted by early construction technology and construction methods. The drainage of the tunnel is affected by the heavy rainfall in the rainy season. The internal roadbed and track often suffer from water damage and affect operation. The operating unit needs to dig a drainage tunnel in parallel with the railway operating tunnel to connect with the underground water source to divert the water source immersed in the operating tunnel. The construction near the operating railway has a great impact on the structural deformation of the operating tunnel. It is necessary to conduct comprehensive monitoring and measurement of the tunnel structure to guide the construction of the adjacent drainage tunnel to ensure the safety of the operating tunnel.
Key words：Tunnel operation，Drainage，Monitoring，Information construction
1、项目概
京广铁路大瑶山隧道的地层基岩为灰岩、地质构造为F9断层、节理发育、隧道埋深约500米，地下水压大，经常发生涌水突泥并涌进运营的铁路隧道，对列车运营造成很大安全隐患。为确保京广线大瑶山隧道排水改造工程排水洞施工过程中不对既有大瑶山隧道（电气化复线隧道）的隧道结构产生影响，需对既有大瑶山隧道影响段实施监测。通过对既有隧道内结构位移、爆破振动、结构应力、裂缝发展进行实时监测了解隧道的衬砌结构安全性。基于对既有隧道的变形监测和信息反馈指导新建排水隧洞施工，确保新建排水隧洞施工过程中的运营隧道的安全，需建立一套自动监测和应急管理程序，以便监控隧道安全和迅速应对可能出现的危机。
2、隧道自动化安全监测存在的问题
2. 1监测点及基准点埋设施工难度大。一是目前京广铁路大瑶山隧道正式投入运营多年，隧道内各种运营设备都已安装完毕，隧道内可用空间较为狭小，管线复杂，自动化安全监测系统安装工作面较为狭窄；二是轨道列车运行时间长，自动化安全监测系统的安装施工时间只能集中在夜间列车停运后的1小时垂停时间内完成；三是安装监测点棱镜时需要组织多部门协调，避免安装时破坏隧道内埋设的既有线路。
2. 2自动化安全监测涉及诸多客观技术问题：一是隧道内气象条件（外界误差温度、气压、气流）的影响与消除如何解决；二是测站点受列车运营振动不稳定性影响分析与解决；三是视场中多棱镜干扰问题；四是隧道内异地远程监测数据实时传输如何解决。
2.3实现信息化监测的基本要求：一是落实施工隧道结构监测点如何埋设、自动化安全监测系统基准点如何埋设、自动化安全监测系统与京广铁路控制点如何联测；二是自动化安全监测系统电源模块如何解决：三是安装调试好通讯模块的设备安装、自动化安全系统软件的安装、自动化安全系统调试运行、自动化安全监测系统正式运行监控、监测数据即时报送等。
3、自动化监测设计基本原则
3.1系统性原则
所有监测项目有机结合并形成有效四维空间测试的数据相互能进行校核；对各项监测内容进行全方位、立体监测确保所测数据的准确、及时；在铁路控制保护区内的在建工程项目及病害段采用测量机器人进行连续跟踪监测确保数据的连续性及可对比性。
3.2可靠性原则
采用成熟的监测手段进行监测与验证确保监测数据的准确性、监测结论分析的合理性及正确性；监测中使用的监测仪器、埋设的监测元件均通过计量标定且在有效期内；对埋设的监测元件进行施工保护，制定切实可行的保护措施，并在监测元件附近设置醒目的标识标牌。
（1）与结构设计相结合原则
对结构设计中使用的关键参数进行监测达到进一步优化设计的目的为其他类似工程自动化安全监测提供借鉴；依据设计计算情况确定各项监测内容的报警值；
（2）关键部位优先、兼顾全面的原则
在监测实施过程中对所有风险部位实施全面监控，对风险较大部位实施预控加强“重点对象、重要部位、关键工序、重要时段”的监测、巡视和评估。对现场安全巡视中发现的风险和已经预警的风险工程或部位，要作为工程监测的重点进行跟踪监测和巡视扩大监测范围、增设测点、加密监测和巡视频率必要时进行实时监测为工程安全风险评估和处理提供可靠依据。除关键部位优先布设测点外在监测范围内系统性均匀布设监测点。
（3）注重现场巡视原则
在监测实施过程中，注重现场安全巡视，突出安全巡视的作用。用巡视来辅助监测、监测验证巡视两者相结合，全面掌控监测区域风险现状。
（4）综合服务原则
自动化安全监测工作是包括现场安全监测、现场安全巡视和安全风险管理服务等内容的综合服务。不仅要做好现场安全监测、安全巡视方面的工作更要做好“安全风险信息平台基础信息录入”、“安全风险信息的收集、分析、预警、处理、反馈和消警”、“预警事务处理”等方面的安全风险管理服务工作。
4、自动化安全监测系统建设
4.1自动变形监测系统主要由数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、数据分析和数据管理系统等五部分组成（主要针对这五个子系统进行设计）。根据京广铁路大瑶山隧道变形监测实际情况以及全方位、实时、自动化、高精度的监测要求采用徕卡TM50高精度测量机器人+固定监测棱镜的方法进行监测。因本项目是在京广铁路运营过程中实施监测，为避免监测过程中全站仪、棱镜的反光给铁路机车司机造成干扰，本方案所用的徕卡TM50高精度测量机器人在使用过程中关闭激光红外线；监测棱镜采用微型棱镜，对洞内机车光照不产生反光影响。
4.2数据远程传输系统安装（埋设）调试
由于隧道内已有4G网络，可采用基于GPRS/CDMA的无线数据终端（DTU）进行数据传输。数据通信传输系统包括自动化安全监测区段的基准点和监测点的4G流量传输。系统通讯系统选择：系统通讯方式多种多样，主要通讯方式有光纤通讯方式、无线网桥、无线GPRS等。本方案主要采用4G/CDMA等无线通讯方式。根据现场情况、监测点自身的特点，采用无线GPRS作为通讯方案。整个系统的监测数据采用无线GPRS进行传导到控制中心，具体实现方法如下图：
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图1无线网络通讯原理示意图
4.3监测内容及测量方法
隧道框架结构监测内容为框架结构拱顶沉降、水平位移及净空收敛。
隧道拱顶沉降监测的目的主要为：（1）用于监视隧道拱顶下沉位移，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性；（2）防止隧道顶部坍塌的发生。现场测量时测得拱顶测点“-1”的“Z”坐标作为拱顶沉降监测数据根据，量测数据进行整理及平差计算将结果填写在标准的记录表格内，计算隧道拱顶累计沉降、相对沉降和沉降速率等，并编制拱顶沉降监测计算表、成果表、绘制拱顶沉降-时间位移曲线图。
隧道结构水平位移主要为测量监测点“-1”、“-2”、“-3”的平面坐标，反应隧道结构水平位移状态。现场测量时将每次测量数据与上次监测数据做比较，计算“X”、“Y”坐标变形量。隧道结构应作为一个刚性研究对象，应将同一个断面的三个测点数据整体分析判断该处结构的变形情况。
隧道净空收敛反应隧道两侧壁受围岩压力变化情况通过测量点“-2”、“-3”的坐标计算平面距离得出净空收敛值通过如下公式可计算收敛边：
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式中：l代表收敛值；
0–第一次观测；
i-第i次观测。
4.4、监测传感器安装设计
隧道衬砌内应力、振动测试、即有裂缝、孔隙水压力监测安装，各项目监测点安装位置如下图。
4.5、数据采集与传输
本项目受京广线运营铁路的影响，监测期间监测人员无法实时进洞对监控数据进行收集，故本方案所采用的传感器均采用全自动化监测与 GPRS 无线传输技术。传感器配合静、动态自动测量单元收集数据，通过无线传输至健康云平台，可随时监测。数据发送到云平台监控中心，软件自动对测量数据进行换算，直接输出监测变形量，利用 GPRS 无线网络进行数据传输或者内部局域网方式，完成对传感器数据的采集和监控。传感器通过 GPRS 接入INTERNET网，软件可设置上线报警命令，手机短信报警能够时时掌控，PC 接入INTERNET 网络就可进行数据采集和监控。
现场供电方式可采用隧道内现有的照明电源，采集箱内装配 12v 锂电电池满足长期监测使用，电池使用寿命 2 年。
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图二 监测点安装位置图
4.6、监测控制值及预警机制
（1）控制值与预警值
各监测项目的控制值以设计文件明确的相关参数值为准，若设计文件中未明确规定以《轨道交通工程监测技术规范》GB50911-2013的规定为准。若设计文件中明确的控制值与相关规范的规定值不一致以标准较高者为准。
各项监测预警值如下表1
表1各项监测预警值
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（2）预警值与应对管理
监测预警等级划分与应对管理措施如表2。
表2监测预警等级划分及对应管理措施
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注：监测比值为监测项目实测值与结构安全控制指标的比值。
4.7信息报送
（1）信息报送
日常监测信息一般通过书面形式由监测单位上报建设单位、施工单位、京广铁路运营部门。监控管理总结须经监测单位审查签认后报送，并在监测工作结束后10个工作日内以书面形式报建设单位。
（2）预警信息报送
针对日常监控工作中判断可能出现警戒状态的预警信息报送。当监测数据显示变形速率过大或者超过预警控制值时监测单位应立即通过手机或者网络通讯工具等形式1小时内立即建设单位主管工程部、施工单位及京广铁路运营部门报送预警信息。正式进入监测阶段前应与建设单位、施工单位及京广铁路运营部门取得联系机制确定信息报送人员联系方式。
5、结束语
京广铁路是我国一条重要南北运输通道，大瑶山隧道是其中的咽喉之地，地理位置极其复杂重要，隧道长、覆土深、水压大、地处大断裂带，在其周边进行新的排水洞施工，可能会造成运营隧道的开裂、坍塌等重大安全事故，引起行车事故等，因此研究一套对运营隧道结构应力、应变能及时观测、及时分析、及时传输、及时报警的监测方案设计是现场工作的重中之重，设计方案有一定的借鉴作用。
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