隧道建造与尾矿库区耦合影响监控监测技术应用研究

摘要 对纳晴高速公路小马厂隧道与该隧道洞顶铅锌尾矿库相互影响开展监测技术研究。为规避尾矿在填筑过程以及隧道在建造过程中对各自稳定性和结构安全性的相互耦合影响。确保隧道能够安全建造、结构安全的前提下，铅锌尾矿弃方体的稳定性也不受影响，特形成洞内外联合监测及预警机制，运用了内外数据联动共享科学的监测预警联动机制，在隧道建设和尾矿弃渣耦合影响方面起到了良好的效果。

关键词 铅锌尾矿弃方体;隧道施工;自动监测;监测预警联动

中图分类号 U418.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0013-03

收稿日期：2022-04-02

作者简介：解振乙（1985—），男，本科，高级工程师，研究方向：公路工程。

0 引言

在高速公路建设过程中隧道难以避免会穿越大型弃渣场或尾矿库区，给隧道的安全建造和尾矿库区稳定性造成了影响，要确保在二者的相互耦合作用下隧道建设不会对正在弃筑的铅锌尾矿弃方体稳定性造成影响，同时正在弃筑的铅锌尾矿弃方体，不会因其自重荷载和侧向推力对隧道建造和安全方面造成危害[1]。因此就需要通过科学的监控预警预测手段，指导隧道施工与尾矿弃渣安全生产工作。通过洞内外设置监控监测预警系统，实现内外数据互联综合预测、预警，达到安全生产科学施工的目的。

1 隧道与尾矿工程概况

纳晴高速公路主线路线全长约161.6 km，共设隧道65 229 m/34座，其中特长隧道30 715 m/8座，桥隧占路线长度的比例为70.4%。其中小马厂隧道位于贵州省普安县白沙乡境内。隧道洞身主体由北东～南西向展布，隧道采用分离式隧道方案，其中左幅起讫里程桩号ZK140+175～ZK143+065，长2 890 m;右幅长2 910 m，隧道最大埋深253 m。该隧道进口采用削竹式洞门，出口采用端墙式洞门。离隧道进口约500 m，位于隧道正线左侧约100 m处有一铅锌尾矿库，尾矿库投影面积约90 000 m2，最低点海拔高度为1 421.6 m，预计弃渣高度为30 m，估算弃渣量为50万m3，新增弃渣将改变岩土受力，影响隧道受力状况和隧道建设安全。

2 隧道施工与尾矿库区耦合影响监测意义

依据实际调查和地质调绘结果可知，该尾矿库目前正在持续性弃渣，随着弃渣量不断增加，将改变既有岩石受力状态，对隧道围岩体将产生加载侧向水平推力，对隧道建设安全有一定影响，测算尾矿库弃渣对隧道施工以及远期运营的安全性影响情况。总体监测应结合地表尾矿矿区监测+隧道洞内监测，根据相互监测数据协同控制。地表尾矿矿区采用自动化位移监测+深层位移监测;隧道洞内监测采用巡视观测+无接触仪器，并加密隧道洞内施工监测点和监测频率，针对隧道开挖、支护及衬砌段落进行实时观测，根据观测数据预警隧道异常情况，保证隧道施工安全性的同时，确保地表尾矿区的稳定性监测。

3 尾矿库影响区地表位移自动化监测

3.1 监测目的和内容

通过在隧道顶面矿渣堆积表面布设GNSS自动化监测测线，实时监测隧道施工过程中尾矿库影响区地面位移，评价隧道周边岩层的稳定状况，为隧道施工安全做出预测预警，实现尾矿库区地表位移变化，无人值守自动监控数据实时上传。通过位移变化情况对尾矿库区进行稳定性评估和设置安全预警报警系统，确保库区安全;在各监测面建立起地表位移变化监测平台，工程各方参建单位都能实时的了解隧道围岩的安全状况，评价对隧道施工的影响程度，指导隧道施工支护参数调整，确保隧道安全建造[2]。通过地表位移监测与隧道洞内量测点的监控相互耦合，综合分析为隧道施工安全提供可靠的数据支撑和预警机制。

3.2 GNSS自動监测的优势

GNSS自动监测属于三维导航定位系统范畴，是通过卫星定位系统对地表站点的位移监控。可提供全天候24小时监控，在地球的任意一个角落，任何一时间，均可满足同时有4颗卫星精准观测，能够实时提供三维空间坐标。其测量不会受天气影响，无论白天、黑夜、雨天、雪天、雾天都不受影响。同时测量还不受地形影响，能够适应不通视条件的险峻恶劣地形，只需测站上空开阔即可。满足供电系统，电源线到达不了的地方，该系统设置有太阳能发电板和储能装置，保证观测和数据传输，不会因人力电网系统的中断或电力系统到不了的地方而受到限制。GNSS的观测精度比较高，可达到毫米级，与传统测量比较有较大优势，规避了人为操作测量仪器的误差，减少了大量的人力测量，测量效率高。不光是测量领域，GNSS系统还用在导航，测速、测时等领域。

3.3 GNSS自动监测原理

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），缩写为GNSS。GNSS自动化监测系统涉及的工程项目主要有：变形监测控制网（基准站）、不稳定体特征点表面位移监测。GNSS系统主要由三个部分组成：GNSS数据采集系统、数据传输系统、数据处理和分析系统。该系统最终是通过用户接收机将各项监测数据全天候连续动态地提供给使用者，GNSS工作原理如图1。

3.4 GNSS现场布置方案

该项目拟设GNSS观测点7个，采用光伏板供电无人值守自动监控系统。基准站设置在尾矿库北侧稳固视野开阔的平整的基岩上，其地基锚固务必牢固可靠。根据铅锌尾矿堆砌方向、地形坡度、可能滑动趋势。沿尾矿区下低上高的坡面滑动趋势面，布置1条大体呈环状的自动化位移监测测线，测线上布置6个卫星定位连续运行的监测点站。平面控制方面采用独立坐标系统，采用北京坐标系（1954年）;高程控制方面采用独立高程系统，运用黄海高程系（1956年）。每个GNSS测点独立接收卫星定位数据，分别以GNSS基准站为基准，进行定期静态解算，解算成果转换为1954年北京坐标系，并以报表、过程线等方式呈现，监控监测点总体布置如图2。

3.5 GNSS监测系统的数据处理和分析

GNSS无人值守监测系统是将数据采集、数据处理、数据分析、数据管理4个模块进行有机整合关联，通过有效算法和数理处理，最终以数显用户接收终端App呈现给使用人。其中数据处理承担着整个系统对三维坐标的处理和呈现，包含了坐标转化、数据平差计算、数据采集格式转化以及成果最终输出等工作内容。数据分析及管理，承担了变形矢量位移分析、数据灵敏度分析、基准稳定性分析、变形分析、空间三维应变分析以及参数的设置及精度、最终显示及输出等任务[3]，GNSS自动化系统结构图如图3。

4 隧道洞内监测

为确保小马厂隧道在建造的过程中的施工安全，监控及预警地表尾矿的压重和偏压荷载对隧道建造过程的安全风险，为隧道建造提供安全建造数据支持。根据隧道的施工方法制定合理的监控监测方案，隧道洞内监控主要监测内容为：一是通过巡视观察，初期支护变化情况。二是对洞内初期支护的拱顶下沉、水平位移收敛及仰拱标高进行监测。进而确定尾矿对隧道的侧向压重对隧道建造安全的影响，同时为隧道施工的支护参数调整、施工方法的选择及调整，以及隧道冒顶、塌方、大变形方面提供数据支撑和安全预警[4]，小马厂隧道地形断面图如图4。

4.1 地质与支护观察

洞内观察指对隧道已施作的初期支护和掌子面开挖后的围岩进行巡视观察。一般在隧道开挖爆破完掌子面围岩碴体清理完成后进行，采用地质罗盘、地质锤、放大镜、数码相机或摄像机对掌子面围岩体进行观察和分析。对于软弱夹层、掌子面出渗漏水点、围岩充填体、岩层节理、倾向、倾角信息详细记载。若出现溶洞、暗河通道、岩溶管道等做重点记录并完成摄像。对地表进行踏勘、走访、调研，了解与隧道有无贯通，重点记录留档。对于已支护完成的初期支护段落，每天专人进行初支面外观观察，详细记录是否有开裂、蹦壳、渗漏水现象，如果发现，则需定点重点观察，实时记录发展趋势以及矢量变化情况。对于钢拱架的接头位置要重点观察，主要查看连接板有无开裂张口，工字钢有无变形扭曲。仰拱有无底鼓，翘曲开裂、渗水等现象。

4.2 拱顶下沉及周边收敛量测

4.2.1 监测断面埋设及测点布置

拱顶下沉量测及周边收敛是监测隧道支护和围岩变形情况，根据隧道具体开挖方法，该段隧道设计采用台阶发开挖，围岩为Ⅳ级，因此监控量测点位，按照监测断面布设间距为5～10 m，拱顶沉降测点在隧顶布设2～3个测点，周边位移每台阶布设一对测点。量测点应锚入基岩不小于30 cm深，确保锚固稳定，同时测量标识应醒目，避免隧道洞内操作人员及施工机械误伤破坏。测量点靶心应采用满足测量仪器要求的反光膜靶心贴标，确保测量方便快捷。对于软弱夹层段落地质变化段，监控量测点位应适当加密。根据围岩的动态调整，若现场施工工法进行了调整，测量点位布设应根据规范做相应的调整。

4.2.2 监测方法

根据测量仪器的不断迭代升级，测量方式和精度不断提高，该隧道均采用非接触免棱镜光学测量方法进行监控量测，测量的基准点采用隧道施工坐标系，应布置于相对已稳定的仰拱或二衬段。测量仪器的选择应为精度在2"以内的免棱镜全站仪，测距精度应达到±（2 mm+2×10-6）以内。测量方法采用三维坐标自动储存读取、传送，进行空间及水平收敛数据采集及后台算法处理。

4.3 隧道监控量测预警管理

（1）根据《公路隧道施工技术规范》（JTG/3660—2020）隧道监控量测预警管理是根据隧道监控量测数据综合对围岩体温度性进行判断，通过拱顶下沉数据、水平收敛数据收敛分析，对隧道进行施工及安全的预警及指导施工。按照位移测量等级管理，对于隧道位移量的变化按表1执行。

（2）根据监控数据指导施工。监控量测速率变化的大小直接反应围岩位移变化的剧烈程度，也直接与施工安全生产息息相关，通过地表尾矿位移监测情况结合隧道洞内监控量测情况，可对隧道施工的安全进行综合判断。当位移速率大于1 mm/d时，则反映隧道围岩处于剧烈的变形状态，加强初期支护应重点关注并注意施工安全;当位移速率大于1～0.2 mm/d时，则反映隧道围岩处于缓慢变形状态，应加强观测，做好加固准备;当位移速率小于0.2 mm/d时，则反映隧道围岩处于基本稳定状态。

（3）隧道二衬施作条件。二次衬砌施工应是在隧道围岩及初期支护变形基本稳定后，根据监控量测位移速率变化情况，还应具备：隧道水平收敛位移速率小于0.2 mm/d，拱顶下沉速率小于0.15 mm/d。隧道位移的相对量，已达到总量的90%以上，回归曲线分析处于稳定状态。二次衬砌施作条件，除根据监测数据外，还应根据现场实际情况因地因时，确定二次衬砌施作时间。

5 结语

通过对纳晴高速公路小马厂隧道与该隧道洞顶铅锌尾矿库耦合影响开展监测技术研究。为规避尾矿在填筑的过程中对侧下方隧道施工衬砌结构安全的影响，以及隧道建造的过程中对尾矿稳定性方面的相互耦合作用影響，不会因弃方体的加载应力和侧向推力对隧道施工产生危害。在洞内和洞外建立联合监控监测系统及预警机制，通过洞外铅锌尾矿弃方体上布设高精度GNSS自动监测系统，洞内专项建立开挖、初支、衬砌监控监测体系，达到了内外联动数据共享综合分析。对现场隧道施工和铅锌尾矿弃方进行科学、高精度数据预警和监控，起到了良好的效果。

参考文献

[1]张艳艳， 郭朋朋. 基于物联网的公路边坡危岩体监控预警系统[J]. 自动化与仪器仪表， 2021（10）：144-147.

[2]梁中沛， 郭兴. 高速公路高边坡治理中对监测技术的应用[J]. 中国高新科技， 2019（12）：94-95.

[3]张南童. 高速公路高边坡无线远程监测技术应用[J]. 交通世界， 2021（9）：79-80.

[4]王少强， 赵飞. 监测技术在高速公路高边坡治理中的应用[J]. 公路工程， 2010（2）：31-34.