山岭隧道施工监测技术实践及预警管理

陈小雄

(湖北交通职业技术学院，武汉 430079)

0 引言

隧道施工监控量测的目的在于评价施作初期支护后围岩的稳定状态，以便确定进一步的施工措施。而监测过程的控制是提供可靠数据的必要前提，只有对有效数据的统计分析才能得出可信的结论，进而提供准确、及时的反馈信息，尤其是危险预警。但目前多数研究集中在对围岩的力学行为分析和监测数据的统计分析方面，如:文献［1］监测并分析了土质浅埋隧道CRD法施工中隔壁变形;文献［2］研究了黄土隧道地表塌陷原因分析与施工对策;文献［3］研究了隧道围岩大变形信息化施工;文献［4］研究了炭质板岩地层大断面隧道变形控制施工技术;文献［5］研究了新蜀河隧道炭质片岩大变形控制技术;文献［6］分析了隧道洞口围岩稳定性变形的非线性回归;文献［7］探讨了隧道监控量测的数据回归分析;文献［8］对不同基坑施工引起的围护结构变形及建筑物沉降进行了对比分析。少数研究涉及监测管理系统的设计与开发，如文献［9］设计开发了隧道监控量测数据分析与管理系统。未见研究监测过程控制及数据有效性分析。为了保证监测数据的可靠，开展监测过程控制的研究，寻求控制方法和准则，本文分析监测工作中存在的问题，进行监测过程控制的研究，提出结合工况进行监测过程控制的方法和数据判读实例，报告监测过程控制的准则和技术要领。

1 工程概况

1．1 工程背景

十白高速公路是国家规划的“7918”网中东西向横线之一——福州至银川高速公路十天联络线(编号为G7011)途经湖北西北部的一段。路线位于湖北省西北部的十堰市境内，与316国道和襄渝铁路并行，全长58．398 km，设计速度80 km/h，设计年限为20 a。其中长度大于2 000m的隧道5座(共10 150 m)，长2 000 m以下的隧道32座(共12 220 m)。

十白高速公路隧道施工监控量测第三合同段共负责双洞11座隧道的施工监测工作。隧道单洞总长度为16．245 km，其中最长的花石沟隧道全长2×2 161 m。宋家湾隧道和鲍家店隧道为双连拱隧道，董家湾隧道为小净距隧道，其他均为分离式隧道。

1．2 区域地质评价

本合同段内隧道多位于风化剥蚀中低山、构造剥蚀低中山区，基岩在不同程度上受区域断裂的影响，存在软弱破碎岩层。隧道穿越地层以武当山群片岩为主，少量辉绿岩，节理发育，存在不同程度断层破碎带，且强度较低，对隧道施工有一定影响。

区域地表水系不发育，主要为大气降水形成的地表流水及山体沟谷内的季节性流水等，受季节影响变化较大，其自然排泄畅通。降水对隧道洞口边、仰坡及浅埋段施工有一定影响，对隧道正洞施工影响较小。地下水主要赋存于第四系松散堆积物及基岩裂隙中，处于斜坡地带，分布不均匀，贮水条件较差，易渗透流失，受大气降水补给，水量较贫乏，对隧道正洞施工影响较小。勘察区历史上无大的地震灾害记录，地壳基本稳定。

2 监测工作概况

第三合同段监测的隧道分属第7～11标共5个土建施工合同段，路线总长31．5 km。其中隧道2×11座，共开辟施工工点14个，开挖作业面28个，分布于316国道黄龙镇至胡家营镇区段两侧，区段国道45 km，施工便道总长35 km。

第三合同段隧道监测工作计划任务包括必测项目:洞内拱顶下沉及水平收敛监测断面426个，地表下沉监测断面153个，仰拱隆起监测断面63个。选测项目共4个:围岩压力监测2个，围岩内位移监测1个，爆破震动监测1个。

本合同段隧道围岩级别及监测断面数量统计见表1。

表1 隧道围岩级别及监测断面数量统计表Table 1 Grades of surrounding rocks of tunnel and number of monitoring cross-sections

其中，需要重点监测的Ⅴ级和Ⅳ级围岩区段长度合计10 470 m，占隧道总长度的64．4%。需要重点监测的还包括加宽带、车行横洞附近区段。在实际工作中还会由于围岩级别的变更，增加重点监测工作量。预计施工中可能出现大变形、滑塌以及支护开裂等问题。要特别注意的是，十白高速公路行经区域道路工程施工中都曾发生过隧道塌方事故。

在围岩破碎，稳定性差的条件下，施工多采用台阶法开挖，工序多，且转换频繁，监测时机难以掌控(如遇隧道出碴或喷浆作业时就不能进行监测作业，需要等待或推迟)，不仅会耗费大量工作时间，更重要的是不能及时对围岩稳定状态进行评估。而一旦现场监测不及时、数据判读不准确，就不能及时发出警报，继而耽误抢险加固处治时机，失去量测监控的预警作用。

3 围岩变形监测预警管理

《隧道监控量测和超前地质预报实施细则》一般要求:隧道施工监测应采用精密测量方法，以确保量测数据准确。同时规定允许值、警戒值(允许值的2/3)、基准值(允许值的1/3)应满足以下要求:

1)拱顶下沉、水平收敛允许值。正洞Ⅴ级围岩100 mm、Ⅳ级围岩70mm、Ⅲ级围岩40mm;紧急停车带Ⅳ级围岩100 mm、Ⅲ级围岩70 mm。

2)仰拱隆起。允许值为30 mm，警戒值为20 mm，基准值为10 mm。

3)地表沉降。允许值为50 mm，警戒值为30 mm，基准值为20 mm。

监控量测预警应实行三级管理，具体要求如下:

1)达到或超过允许值，应作Ⅰ级报警。当施工中出现下列情况之一时，也应采取Ⅰ级管理:①变形速率，拱顶沉降连续5 d超过30 mm/d，连续4 d超过40 mm/d，连续3 d超过50 mm/d，且呈加速趋势;②量测值发生突变;③初期支护或二次衬砌有较大开裂，裂纹宽度达到5mm;④洞口地表出现开裂、坍塌;⑤洞内围岩压力有明显异常;⑥时态曲线长时间没有变缓的趋势。

2)达到或超过警戒值应作Ⅱ级报警。

3)达到或超过允许值应作Ⅲ级报警(一般作口头报警)。

4)在允许值的1/3以下，可正常施工。

也就是说，围岩变形监测应该配置精密水准仪、专用收敛计等测量仪器，并建立独立的监测网，包括基点、测点、测程。

4 监测工作中存在的问题

在实际监测工作中发现主要存在测量精度和工作成效2个问题。这2个问题同时又是直接相关的。具体表现在:

1)由上述可知，隧道围岩变形监测值的变化幅度在0～20/100 mm，也就是说，在仪器误差影响条件下，如果能监测到20～100mm的量值变化，就可以视为有效观测。但《隧道监控量测实施细则》要求的精密水准仪、钢尺收敛计的测量精度都超过实际被测量值变化幅度的2～3个数量级，而且仪器精度越高，操作和实测过程越繁锁、费时，工作效率越低，因此选用高精度的测量仪器的实际意义并不大。

2)一般Ⅴ级和Ⅳ级围岩区段多采用台阶法开挖，拱顶下沉监测需要将铟钢尺挂在拱顶的测点上(钢筋钩)，不仅挂设很困难，而且由于铟钢尺仅2 m或3 m长，在隧道内高度超过2．5 m的开挖台阶上下，不能在一站使前后视尺子同时进入仪器水平视线，也不便设置转站，因此无法传递高程。如果在前视拱顶测点上挂设钢卷尺，后视配5 m铝合金塔尺，虽然能解决上述问题，但由于尺子的原因，即使用高精度水准仪，也得不到高精度观测结果，而且钢卷尺的挂设也同样比较困难。钢尺数显收敛计虽然操作并不困难，但经常因开挖工作台架阻挡而延误观测时机，尤其是监测点挂钩极易受损而造成数据不连续。

3)台阶法开挖施工过程比较复杂，其施工工序至少包括上半断面开挖及支护、下半断面左侧开挖及支护、下半断面右侧开挖及支护、落底及支护(仰拱封闭)。多工序作业导致围岩变形过程的复杂，因此仅根据单纯的变形观测数据是不能做出准确判断的，需要结合实际工况进行分析。

4)Ⅴ级和Ⅳ级围岩是围岩变形监测的重点区段，要选用精度适当、简便易行、行之有效、重点突出的监测仪器和监测方法。否则就可能顾此失彼，抓不住重点，丧失监测工作的作用。

5 围岩变形监测准则与技术要求

5．1 监测工作的基本准则

隧道施工监测工作不仅要依靠适当的测量技术，还必须充分了解施工过程、充分认识围岩变形发展规律、努力提高工作效率，才能及时掌握围岩变形量、准确判断发展趋势、有效发出危险警报，并发挥站岗放哨的作用。一般应遵循以下几点原则:

1)监测仪器要简便实用，尤其要适用于隧道洞内施工环境;

2)监测仪器的精度要适当，只要能反映出被测量值的变化幅度即可，不用片面追求高精度;

3)监测方法和过程要适宜，尤其要与隧道施工方法和施工过程相适应;

4)对观测数据整理要及时，尤其是地质不良区段、加宽区段、横洞区段;

5)对观测数据判读要准确，尤其要与施工工序转换过程相对应、与实际征兆相对应。

实际工作中对应制定了基点联测制度、检核避错制度、及时观测制度、现场计算制度、精细操作制度和内业准备制度。

5．2 施工过程观察及配合

在Ⅴ级和Ⅳ级围岩区段，由于台阶法开挖施工的多工序转换，致使围岩应力的多次重分布，表现为变形过程的复杂多变，给监测工作和动态判读带来困难。在此条件下，只有充分了解施工过程，才能有针对性地实施监测，提高监测功效。

观察发现，实际上一部分隧道施工采用长台阶法开挖，其具体过程是:上半断面掘进循环进尺1～3 m，上半断面开挖约4 h—通风排烟找顶约1 h—出渣及二次找顶约3 h—拱部初期支护4 h(在这个过程中，上半断面掘进20～60 m，约需20个循环、历时240 h，共10 d)—开挖下半断面和落底，下半断面掘进循环进尺2～4 m，左侧开挖及支护约4 h—右侧开挖及支护约4 h—落底及仰拱约4h(约需10～15个循环，历时120～180 h，共5 ～7．5 d)。

期间需要设置1～2个监测断面。若初期支护合理，则围岩变形应经历2个“加速-减速”阶段性过程，并趋于稳定，否则趋于不稳定。

因此，监测的实施过程必须与围岩变形过程相配合，才能实时反映围岩变形量、变形速度及变形加速度，为判断围岩稳定状态提供依据。这种过程性配合应包括监测频率、监测时机和监测期间的全面配合。

5．3 测量仪器精度要求

为了满足检测工作要求，考察和比较了可用于围岩变形监测2类仪器不同型号的精度，并对其使用性能的适宜性作出了初步评价，见表2。

表2 不同型号仪器的精度比较Table 2 Comparison and contrast among different monitoring instruments and devices in terms of precision

5．4 测点和基准点的建立要求

隧道施工期间，洞内光线、噪声、震动、烟尘、湿热以及空间狭小等环境条件，对监测工作有着明显影响，且采用普通精度的测量仪器和方法。要保证监测结果准确，除遵循测量技术基本要求外，还要求视距不能太长、测站数不能太多，测点要牢固且便于保护、基点更要稳定。具体要求:

1)基点离监测断面不宜太远，一般要求视距不超过30 m、单程测站不超过2站。

2)测点用φ8 mm钢筋加工成135°弯勾，焊接在钢拱架外露于喷射混凝土外10～15cm，同时要求保证初期支护背后与围岩密贴;测点做好后应立即用红色喷漆作出标记，并记录断面桩号;测点上严禁悬挂物品。

3)基点必须建立在已做好的隧底填充层上，稳定、不被扰动又便于观测的位置;也可直接共用施工控制测量基点作为监测基点。

4)当监测断面离基点较远时，可在台阶上设立临时转点，但必须与永久基点联测。

5．5 拱顶下沉测量要求

采用DSC132水准仪+普通标尺进行拱顶下沉测量时，需遵循以下要求:

1)及时观测。新建拱顶下沉监测断面应及时测取初始值。一般应在该断面所在区段作业循环时间内完成，最迟也应在下一作业循环的爆破开挖之前完成。

2)基点联测。新建监测断面拱顶下沉初始值观测时，必须将监测基点与最近的施工控制测量基点联测，以便于遭到破坏后及时恢复。此后一周再联测一次;若发现变形值接近Ⅱ级警戒值或Ⅰ级警戒值时应立即联测。

3)检核避错。初始值观测和基点联测，必须采用双仪高法或往返测量，并检查监测基点标高、校正拱顶下沉量值。在洞口Ⅴ级围岩区段，监测基点标高校正值，可视为仰拱隆起或下沉量。

4)现场计算。现场监测工作中，应尽量做到现场计算、现场检核，并评价观测结果的可靠度，及时判读监测值是否达到警戒值。

5)精细操作。包括立(挂)尺子、立脚架、架仪器、照明、瞄准、读数等各项操作，都必须做到操作无误、有条不紊、配合协调。

6)内业准备。所有需要内业整理的观测数据、观察记录，都必须当天整理完成;并为第2天做好各项准备，如仪器、工具、记录本、计算器等。

5．6 水平收敛测量要求

采用手持式激光测距仪进行水平收敛测量时，需遵循以下要求:

1)上半断面开挖并施作拱部初期支护后，应及时测取拱部水平收敛初始值。一般应在本次作业循环时间内完成，最迟也应在下一个作业循环的开挖之前完成。

2)下半断面开挖并施作墙部初期支护后，应及时测取墙部水平收敛初始值。一般应在本次作业循环时间内完成，最迟也应在下一个作业循环的开挖之前完成。

3)下半断面开挖后，上半断面水平收敛应继续观测1～2次，并同时观察初期支护拱脚与墙部连接是否出现开裂、起鼓等现象。若发现开裂、起鼓等现象，应继续拱部水平收敛监测。

4)水平收敛初始值观测时，必须至少观测3次，较差不超过1 mm，取平均值。

5)水平收敛监测(一侧)基点可用钢筋头埋设于初期支护喷射混凝土中，外露1～3 cm，或者用射钉枪将钢钉订设在喷射混凝土中;(另一侧)测点可用反光片粘贴于初期支护喷射混凝土面上，或者将喷射混凝土面磨光后划线标记(为测点)。

6)利用水准仪基座与手持式激光测距仪组合使用，即可以实现定位和定向(将手持式激光测距仪固定在水准仪基座上，将一个脚螺旋安置在测点D上，利用另外2个脚螺旋调整激光束方向使之瞄准测点E)。

6 围岩变形监测数据评价与判读

在实际监测工作中，如何通过采用观察、观测、分析等手段，对围岩稳定状态及变形发展趋势作出正确判断并及时发出警报，是监测工作的重要内容之一，更是终极技术目的。为此，既要解决好对监测数据的评价，又要解决好监测数据与实际现象的对照，才能做到准确判读。

6．1 监测数据评价

一般认为，在隧道施工过程中，围岩变形量及其发展过程是可以观测到的。并进而认为:观测到的数据属于离散数据，应当可以应用数理统计分析技术，得到理想的典型曲线，见图1。对其进行分析、评价和判读，从而找出数据群反映出来的某种现象及规律。

图1 理想的典型历时曲线Fig．1 Typical curve of deformation VS time

然而，实践表明:在实际隧道施工过程中观测到的围岩变形量数据的离散度很大，无论是采用二元回归还是高阶分析，都很难得到理想的典型曲线，见图2—4。分析其原因是围岩变形不是一个简单过程，而是一个受多种因素影响的复杂过程。

影响围岩变形过程的主要因素主要有3方面:1)围岩的非均质性和地应力的非均布性，使围岩的变形不可能呈现出一个简单的规律;2)施工过程的多变，必然使围岩的变形产生较大的波动;3)支护质量的不稳定，更加剧了围岩变形数据的离散。而观测数据中也必然包含有误差甚至是错误。

6．2 结合工况数据判读

将数理统计技术和方法应用于隧道施工监测工作中时，如果不将数据与施工过程中的实际现象进行对照分析，就难以对围岩稳定状态和变形动态发展趋势作出准确和有效的判断。尽管得到的是一些非典型曲线，但仍然可以从中找到围岩变形的特征性要素，能够帮助判断围岩稳定状态及其发展趋势。

现代隧道工程理论分析表明:在隧道施工过程中，因开挖-支护的交替作用，使围岩内发生应力重分布，表现为围岩变形(或者围岩加支护协调变形)。其中，开挖是解除约束，会使围岩变形加速;而支护是增加约束，会使围岩变形减缓。具体到台阶法开挖施工过程中表现为:上半断面开挖后，围岩变形量有一个突增过程，支护后则应减缓;下半断面左侧(或右侧)开挖后，围岩变形量有一个突增过程，支护后则应减缓;落底后，围岩变形量有一个突增过程，仰拱封闭后则应显著减缓。

本项目已完成的338个断面(多数在Ⅴ级和Ⅳ级围岩区段，台阶法开挖)监测数据显示:绝大多数断面事实上趋于稳定状态的监测数据，虽然不能呈现理想的典型曲线，但却显示出围岩趋向稳定的特征性要素，即变形量累计值不超过警戒值、变形速度先加后减，见图2和图3，成为判断围岩趋于稳定的重要参考(其中图2显示在下半断面开挖之前几天，出现一个短暂的拱顶上抬过程，结合实际判断为侧向挤压所致;图3汪家沟隧道ZK30+044断面在8月10日—12日，出现多次拱顶上抬，结合实际判断为炮震引起)。

而少数断面(7个)事实上趋于不稳定状态的监测数据，根本不能呈现理想的典型曲线，但却显示出围岩趋向失稳的特征性要素，即变形量累计值超过警戒值、变形速度持续居高，见图4，成为判断围岩趋于失稳的重要参考。这些判断正好契合了现代隧道工程理论分析和实际施工过程。

此外注意到:有些断面在初期支护施作后，围岩变形速度曲线却并没有及时出现拐点。洞内观察发现其主要原因是初期支护的拱脚支垫不够密实稳固、锁脚锚杆数量不足或安装不规范。而那些趋于不稳定状态的断面，也必然产生初期支护开裂、错台、起鼓、脱落、挤入等破坏现象。这些质量问题和破坏现象，是判断围岩变形发展趋势更为直观和必不可少的依据。

7 结论与建议

1)在监测工作实践中，只有解决好对监测过程的有效控制，同时解决好监测数据与实际现象的对照，才能保证预警的准确、及时。这是监测工作的基本准则。

2)在保证合理的人员、设备投入的前提条件下，执行基点联测、检核避错等6项监测工作制度，是保证获得可信的监测数据的有效途径。

3)在保证能有效观测到围岩变形量波动值的前提条件下，适当降低监测仪器的精度要求，并采取与施工过程密切配合的施测方法，能显著提高监测效率。

但测点及塔尺挂钩、塔尺接头、手持式激光测距仪的定向装置的技术设计问题，还有待与仪器设备供应厂商合作研究开发，以保证将此类偶然误差对观测值的影响控制在最低程度。在实际工作中，还需考虑如何对监测人员进行有效的技术培训，以保证将人为偶然误差对观测值的影响控制在最低程度。

深入研究监测的技术方法、仪器精度等与监测数据之间的关系，研究监测数据与施工过程之间的关系，不仅可以指导监测技术的改进和仪器设备的研发，更可以为隧道施工提供有效的安全预警和过程调控依据。

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