谈监控量测在隧道信息化施工中的应用

冉小兵

(贵州高速公路开发总公司，贵州贵阳 550000)

谈监控量测在隧道信息化施工中的应用

冉小兵

(贵州高速公路开发总公司，贵州贵阳 550000)

云贵地区山区高速公路隧道设计众多，施工期间可能遇到诸多不确定的因素，隧道施工期间实施监控量测显得十分必要。结合笔者近几年在山岭隧道施工一线现场积累的经验，阐述监控量测在隧道信息化施工中的应用，对隧道实施动态监测能够及时获悉施工期间的各种动态信息，通过对获悉到的信息进行分析判断，可达到指导施工、修正设计的目的。此外，在隧道突发异常之前通过监测信息及时预警。

隧道工程;监控量测;动态监测;预警;信息化施工

0 引言

近10年来，国内高速公路发展迅速，公路隧道所占的份量越来越重。由于公路隧道所占的比例的增大，建设难度也大大增加，如何降低隧道施工期间的风险，确保施工安全是公路建设者面临的一大挑战。在公路隧道的众多施工方法当中，应用最广的还是新奥法施工，由于新奥法是一种动态设计的施工方法，因此在施工期间实施动态监测的意义十分重大。

对隧道等隐蔽工程进行动态监测，是保证设计合理、施工安全的重要措施。概括来讲，隧道施工过程的监测主要目的在于收集施工期间的各种动态信息，据以判定隧道围岩的稳定性，并进一步确定所设计的支护结构的安全性及施工方法的合理性。目前根据国内公路隧道施工及验收规范的相关要求，隧道施工监控量测项目分为必测项目和选测项目两大类，每一种监测项目所采取的仪器设备与方法原理亦是不相同的。

1 监控量测的必要性

20世纪70年代以来，随着新奥法技术的问世以及在中国的成功应用，通过广大公路建设者的不断实践和总结，逐步将新奥法中的“利用量测信息确保施工安全”的技术途径发展到采用监控量测对掌子面前方工程地质、水文地质条件进行动态监测和对围岩、支护的时空变形、应力、压力进行量测，通过反馈信息及时修正支护参数的动态反馈设计与信息化施工方法，真正起到“指导施工、修正设计”的目的。

动态反馈设计与信息化施工较之传统新奥法的监控量测反馈修正设计信息更丰富、内容更广泛，特别是融入了一些最先进的现代量测技术，如TSP203超前探测系统、GPR(探地雷达)、TCA2003全站仪等，使得量测更迅速、数据更准确、结果更全面。

隧道是地下工程，具有隐蔽性、复杂性和不可预见性等特征。一方面隧道周围及掌子面前方的工程地质、水文地质条件与隧道施工安全密切相关。不良的地质条件极易引起隧道坍方、突水突泥，不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡、设备损失、工期延误，从而造成巨大的经济损失;另一方面，各阶段工程地质勘察手段的局限性，难以准确地查明洞身围岩状况，导致围岩划分的不准确或偏保守，施工中如果完全照搬就有可能导致巨大浪费或安全事故。通过对围岩、支护的时空变形和应力、压力的量测数据分析，对隧道支护状态进行评价，可及时预报险情，亦可结合隧道超前地质预报评定设计的合理性，从而反馈到设计，对原设计方案适时予以变更。

隧道监控量测贯穿隧道施工的全过程，为施工中的工程变更提供科学依据，为提高工程质量、降低工程造价、加快施工进度、确保施工安全提供技术保障。具体来讲在隧道施工过程中实施监控量测意义如下：

(1)通过监测资料，业主能够全面、客观、真实地把握工程的质量，掌握工程各主体部分的安全信息，确保项目能够按照预定的目标完成。

(2)作为监测项目，其数据和资料往往是处理工程合同纠纷的重要依据。它可使监测数据真实可信，在处理工程质量问题时提供相关的证据。

(3)监测资料以数据库的方式进行存储和管理，并经过整理和分析，及时反馈到施工现场，指导施工。

(4)根据监测数据的变化趋势(如变形量及变形速率)发出警告信息，提示或建议施工单位采取相应技术措施，既可以对质量事故做到防患于未然，又可以对各种潜在的问题做到心中有数。

表1 隧道监控量测项目、实施方案及规范要求Table 1 Monitoring measurement project of tunnel，plan and standard

(5)监测资料的收集、整理和分析，可作为设计变更和工程评价的依据，解决工程中所遇到的难题。

2 监控量测项目

目前国内隧道施工期间实施的监控量测项目按照《公路隧道施工技术规范》要求分为必测项目和选测项目两大类［1］。其中必测项目主要有：地质及支护状况观察、周边位移、拱顶下沉、洞口浅埋段地表下沉、开挖段面净空、锚杆抗拔力等。选测项目主要有：围岩内部位移量测、围岩和衬砌间接触压力、初衬与二衬间接触压力、钢支撑内力、二衬混凝土内应力、锚杆轴力、土体侧向变形、渗透水压力等。

常见监控量测项目及相关技术要求概括如表1。

3 监控量测项目的实施

监控量测项目的实施按照时间先后顺序主要分为：监测前期准备、现场数据采集、室内数据分析等三个阶段。

3.1 监测前期准备

监测前期准备主要是指监测仪器使用前的校正及现场监测点布置开展等主要工作。其中，最关键的就是监测点的布置。常见监测项目测点布置应遵循的原则如下：

(1)周边位移每断面2对测点，拱顶下沉3个测点(见图1);

图1 周边位移及拱顶下沉测点布置图Fig.1 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on periphery displacement and vault crown settlement

图2 地表下沉监控量测点布置示意图Fig.2 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on surface subsidence

图3 围岩内部位移监测测点布置示意图Fig.3 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on internal displacement of rock wall

(2)锚杆抗拔力及锚杆轴力量测每个断面随机选择5根锚杆;

(3)地表下沉每断面10个测点(见图2);

(4)围岩内部位移测试每个断面布置5个测点(见图3);

(5)钢支撑应力测试每个断面布置5个测点(见图4);

(6)围岩压力、两层支护间压力、喷砼应力、支护及衬砌应力量测每个断面各布置单项5个测点(见图5);

(7)开挖断面净空测量每断面选取20个测点。

图4 钢拱架应力监测测点布置示意图Fig.4 Arrangement schematic diagram of monitoring measure point on steel arch stress

图5 围岩压力、两层支护间压力、喷砼应力、支护及衬砌应力量测测点布置示意图Fig.5 Arrangement schematic diagram of monitoring point

3.2 现场数据采集

现场数据采集主要采用带有内存储卡的新一代仪器设备，其中最典型的就是TCA2003或leica TCR1 200+高精度全站仪。现场操作时，将专用反射片粘贴在测点上，基点设在离地面较近的稳定衬砌或洞壁上，使用高精度全站仪自由设站，在不同位置观测两次，减少对中整平误差的影响，通过相对坐标计算三角形的绝对变化量。利用TCA2003或leica TCR1 200+高精度全站仪能实现拱顶下沉、周边位移、浅埋段地表下沉、开挖段面净空测量等多个监测项目。其主要优点在于能实现一机多用、数据电脑化，由于现场采集数据方便，无需人工记录而大大提高了效率等。

3.3 室内数据分析

现场采集完数据后，需要对数据进行误差分析处理，必要时还应进行回归分析。如：在隧道的收敛变形监测数据的分析中，根据监测获得的位移—时间曲线，即能看出各时刻的总位移量、位移速度以及位移加速度的趋势等。但要衡量围岩的稳定性，除了监测值外，还必须有判断围岩稳定性的准则，这些准则可以由总位移量、位移速率或位移加速度等表示，其值一般由经验或统计数据给定。

4 监控量测数据处理及隧道稳定性判定

野外采集到的数据必须结合现场实际情况加以分析，排除干扰因素，滤除误差数据，进行相应的处理才能用于分析推断，才能对隧道的稳定性做出最终判定。

4.1 监控量测数据处理

一般而言，对外业量测的数据进行整理，主要是检查外业记录，包括观测断面及观测点编号、观测时间、观测断面与开挖掌子面的距离等等。对采用收敛计进行量测的还应对观测值作温度改正，然后计算断面两测点间收敛值、测点绝对位移值。用全站仪直接计算各测点绝对位移值，根据该断面每次量测结果绘制以下主要曲线：

位移—时间变化曲线，位移速度—时间变化曲线，位移—开挖面距离关系曲线，位移—时间回归曲线，求出最终净空位移量(见图6)。

图6 位移—时间曲线图示例Fig.6 Displacement－ time cyrve

对围岩体内位移量测，除绘制孔内各点位移—时间变化曲线外，还应绘制不同时间位移—深度关系曲线。

由于量测的偶然误差所造成的离散性，绘制的曲线总是上下波动和不规则的，必须经过适当处理获得合理的典型曲线，通常采用回归分析的方法，得出相应的函数式。

回归分析是对一系列具有内在规律的测试数据进行处理，通过处理和计算得到两个变量之间的函数关系式。用这个函数式做出的曲线能代表测试数据的分布，并可推出因变量的极限值。采用回归分析确定测试数据分布规律，可从以下函数式中选用一个进行计算。

对数函数，如：u=a+b/lg(1+t)

指数函数，如：u=a(1－e－bt)

双曲函数，如：u=a［1－(1/1+bt)2］

式中：a、b为回归常数;t为初读数后的时间(d);u为位移值(mm)。

根据量测获得的位移—时间关系曲线，可看出各时刻的总位移量、位移速度、位移加速度，按照规范所给出的隧道周边允许相对位移值判断围岩稳定性。对位移无急剧变化的正常情况，可据回归关系式预测总的位移量。如遇位移急剧变化情况应及时向施工单位反映，并结合地质条件、施工方法、支护设计汇同施工、设计分析原因，制定处理方案。

4.2 隧道稳定性判定

位移速度和位移加速度是判定隧道围岩与支护结构是否稳定的两个重要指标，具体如下：

4.2.1 位移速度是判别围岩稳定性标志之一

开挖通过监测断面时位移速度最大，以后降低，一般情况下，初期位移速度约为总位移值的1/4～1/10。日本新奥法设计施工指南提出，当位移速度＞20 mm/d时，就需要特殊支护。有的则以初期位移速度，即开挖后3～7 d内的平均位移速度来确定允许位移速度，以消除空间作用及开挖方式的影响。

目前，围岩达到稳定的标准通常都采用位移速率。中国《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中以收敛速率为0.1 ～0.2 mm/d，拱顶下沉速率为0.07 ～0.15 mm/d 作为围岩稳定的标志之一［2］。法国新奥法施工标准中规定：当月累计收敛量＜7 mm，即每天平均变形速率＜0.23 mm，认为围岩已达基本稳定。但是试验表明，软弱围岩隧道在施工后2～3年，甚至5～6年围岩变形才能最终稳定。

4.2.2 位移加速度则从另外一个角度来分析判定围岩及支护结构的安全性

一般来讲：位移加速度为负值(即：d2u/dt2＜0)，即围岩变形速度不断下降，表明围岩变形趋向稳定;位移加速度为零(即：d2u/dt2=0)，即围岩变形速度长时间保持不变，表明围岩趋向不稳定，须发出警告，要及时加强支护衬砌;位移加速度为正值(即：d2u/dt2＞0)，即围岩变形速度增加，表明围岩已处于危险状态，须立即停止开挖，迅速加固支护衬砌或采取措施加固围岩。

5 监控量测成果的应用

监控量测的成果主要体现在：“指导施工、修正设计、确保安全、降低成本”等十六字方针上。具体来讲主要应用在以下几个方面：

(1)据周边位移、拱顶下沉量测成果确定预留变形量。设计预留变形量是根据围岩类别、隧道埋深结合施工方式以及支护形式给出的。实际工作中需根据实测资料确定预留变形量，以避免预留量过大造成开挖工作量的浪费，过小则使初期支护侵限，不能保证二衬厚度。

(2)据周边位移、拱顶下沉量测成果确定最佳衬砌施做时机。二次衬砌和仰拱的施做，时间因素影响很大，直接关系到衬砌结构的安全。过早施做将使衬砌承受较大的围岩压力，过晚可能导致初期支护破坏。依据《公路隧道施工技术规范》(JTJ042—94)的要求，二次衬砌的施做应在满足以下条件时进行：

①位移速率明显收敛，围岩基本稳定;② 累计位移量已达到预留变形量或已达预计总位移量的80%～90%;③ 周边位移速率 ＜0.1 ～0.2 mm/d，或者拱顶下沉速率＜0.07～0.15 mm/d。但对于膨胀性围岩隧道，一般在围岩变形基本稳定，变形速率＜0.2～0.5 mm/d后施做二次衬砌为宜。

(3)准确分析变形原因，有针对性地调整支护参数。通过周边位移、拱顶下沉的量测，特别是利用高精度全站仪可测出每个测点水平及垂直位移(判定位移的优势方向)，有利于分析变形原因，使支护参数调整更具针对性。

(4)根据围岩、支护系统稳定性及时预报险情。

(5)根据应力、压力量测成果评价支护设计的安全度。

应据此求出隧道结构初期支护及二次衬砌上的最终荷载，以便对结构安全度作出正确的判断。若经过对各种量测数据联合反分析计算后，发现初期支护或二次衬砌结构安全系数较大，则可对后续类似地质类型地段相近的支护参数作适当调整。

6 结束语

随着新奥法在中国的公、铁路领域的成功应用，通过广大公路建设者的不断实践和总结，逐步将量测信息确保施工安全性的技术途径发展到采用超前地质预报对掌子面前方工程地质条件、水文地质条件进行动态监测和对围岩、支护的时空变形、应力、压力进行量测。掌握围岩动态，了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，对围岩稳定性作出评价，通过反馈信息及时修正支护参数的动态反馈设计与信息化施工。

隧道是地下工程，具有隐蔽性、复杂性和不可预见性的特征。周围及掌子面前方的工程地质和水文地质情况对隧道施工的质量和安全关系重大。一方面不良的地质条件极易引起隧道坍方、突泥涌水，不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡、设备损失、工期延误，从而造成巨大的经济损失;另一方面，由于各阶段工程地质勘察手段的局限性，难以准确的查明洞身围岩状况，导致围岩划分的不准确或偏保守，施工中如果完全照搬就有可能导致巨大浪费或安全事故。通过对围岩、支护的时空变形、应力、压力的量测数据分析，对隧道支护状态进行评价，预报险情、评定设计的合理性，反馈设计，及时变更设计，不仅能避免重大的伤亡事故出现，创造出巨大的社会效益与经济效益，而且还能减少不必要的浪费，符合目前低碳经济的时代主流趋势。

总之，监控量测贯穿隧道施工的全过程，为施工中的工程变更提供科学依据，为提高工程质量、降低工程造价、加快施工进度、确保施工安全提供技术保障;由此可见，在隧道施工过程中实施监控量测的重要意义是显而易见的。

［1］JTG D70—2004，公路隧道设计规范［S］.

［2］GB50086—2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范［S］.

Discussion on Monitoring Measurement in Tunnel Information Construction

RAN Xiaobing
(Guizhou Expressway Development Corporation，Guiyang，Guizhou550000)

Many uncertain factors exist during the construction because of abundant designs about Yunnan － Guizhou Expressway Tunnel.So monitoring measurement is very necessary during tunnel construction.In this paper，the author elaborates the application of monitoring measurement in tunnel information construction，which combines with the author’s experience of tunnel construction site in recent years.It can achieve the goal of guiding construction and amending design by the analysis of kinds of dynamic informations that are timely informed by dynamic monitoring of the tumel.

tunnel engineering;monitoring measurement;dynamic monitoring;early warning;information construction

U455

A

1671－1211(2011)03－0256－05

2010－08－03;改回日期：2010－12－17

冉小兵(1966－)，男，高级工程师，道路桥梁专业，从事高速公路建设管理工作。E－mail：ranxb1463@163.com

于继红)