公路隧道收敛变形监测对隧道地质灾害预控的原理和方法研究

龙贵云

（中国水利水电第四工程局有限公司，青海西宁 810007）

0 引言

随着我国经济社会的快速发展，交通基础设施建设也得到迅猛发展。由于山岭地区地形地质构造复杂，在山区修建长大隧道成为发展交通的一种有效形式。隧道工程是一项复杂而庞大的系统工程，其建设过程中受到多种因素影响。其中一个重要的因素就是围岩的稳定性问题。在隧道施工及运营期间，由于开挖、支护等各种原因导致围岩应力发生变化，进而引起围岩位移或破坏，最终可能引发严重的地质灾害事故。因此，研究隧道围岩的稳定性及其控制技术具有重要意义。

1 隧道地质灾害类型及其成因

在隧道施工过程中，不可避免地会遇到各种各样的地质灾害。这些地质灾害不仅严重影响工程进度、质量和安全性，还可能造成人员伤亡等重大损失。因此，必须充分了解并掌握隧道地质灾害的类型及其成因，为确保施工安全提供可靠依据。

按照不同的分类标准，隧道地质灾害可分为多种类型。例如，以规模大小作为划分依据，可以将其分为小型滑坡、中型滑坡以及大型滑坡；以成因作为划分依据，则包括岩溶塌陷、黄土湿陷、断层破碎带突水涌泥等等。

2 隧道地质灾害的监测技术

2.1 隧道地质灾害的类型

2.1.1 滑坡，当山体受到外界力量的作用而发生位移时，会形成一定范围内的岩土体破坏现象。在这种情况下，如果不及时有效地进行处理，就很容易引发滑坡等自然灾害。

2.1.2 坍塌，由于各种原因导致的山体内部结构失衡，使得整个山体向外倾倒、崩裂或者局部倒塌。这种类型的地质灾害不仅会造成严重的经济损失，还会对人员安全造成威胁。

2.1.3 泥石流，通常是因为长时间的降雨或冰雪融化后渗透到地下所致，其特点是速度快、流量大、冲击力强且常伴有巨大声响。

2.1.4 涌水，地下水位突然上升并淹没隧道洞身部分区域，从而引发一系列危害，例如突涨、突落、涌砂等等。

2.2 隧道地质灾害的特点

2.2.1 隐蔽性，在进行隧道施工时，由于工程本身具有一定的复杂性以及施工难度系数较高，因此很容易导致安全事故。这些安全事故往往是因为前期没有及时发现问题并采取措施所致。此外，还有一些安全隐患存在隧道内部，例如地下水、断层等，这些因素也会影响隧道结构的稳定性与安全性。

2.2.2 突发性，隧道建设过程中出现坍塌或者其他意外情况是非常突然且不可预测的，这主要是由其特殊的地理环境及地质条件决定的。同时，隧道施工过程中所使用的材料质量是否合格、设计方案是否合理等也可能成为引发安全事故的原因之一。

2.2.3 多样性，隧道地质灾害类型繁多，不同类型的地质灾害产生的原因及其表现形式均有所区别。例如，滑坡通常是由于岩土体受力不均匀或水文地质条件改变引起的；崩塌则是由于山石滚落或岩石断裂造成的；泥石流则是由于暴雨冲刷山坡上的松散堆积物形成的等等。

2.2.4 群发性，隧道地质灾害不仅只局限于单一地点或者某一时间段内，它们往往还会呈现出群发性的特征。

2.3 隧道地质灾害的监测技术

目前常用的隧道地质灾害监测技术主要包括以下四种。

2.3.1 位移监测技术，该技术是指采用全站仪、水准仪、测斜仪、多点位移计等设备对隧道内部各点位进行水平位移或垂直沉降观测，从而掌握隧道整体变形情况。此外，还可利用激光扫描仪、高清摄像头等先进设备获取更为精确的数据信息。

2.3.2 应力监测技术，该技术主要针对隧道衬砌结构受力状态进行监测，如钢筋应力计、应变计等设备可用于测量混凝土截面内力分布及其变化规律。

2.3.3 渗压监测技术，该技术主要用于判断地下水是否对隧道产生影响，其核心在于安装孔隙水压力传感器，并将采集到的数据传输至后台进行分析处理。

2.3.4 地震波监测技术，该技术主要应用于隧道周边区域可能发生强震的地段，通过布置一定数量的地震波接收器来实现对地震信号的实时监测。

3 隧道地质灾害的预测技术

3.1 隧道地质灾害的预测方法

3.1.1 物探法

该种方法主要是通过利用地震波、电磁波等技术手段，来探测地下介质分布情况以及物理力学性质等相关参数。在实际应用过程中具有操作简便、成本低廉、效果显著等优点。但其缺点也十分明显，即需要进行大面积施工并且受环境因素干扰较大，因此不适用于复杂地形条件下的隧道工程[1]。

3.1.2 地质雷达法

该种方法主要是通过利用高频电磁波向地下发射信号，然后接收由地下反射回来的回波信号，从而获取地下目标体的位置、形状、大小及结构等信息。在使用时需注意合理选择工作频率与采样点数量，以提高数据采集精度；同时还要结合现场实际情况选取合适的天线布置方案，确保能够有效地避开周围建筑物或围岩等障碍物。此外，为了保证测量结果准确可靠，应当采取多种措施进行质量控制，例如采用多次重复观测求平均值等。

3.1.3 超前水平钻探法

3.2 隧道地质灾害的预测模型

目前，国内外学者已经提出许多关于隧道沉降变形预测方面的研究成果。例如，李鹏飞等人通过分析大量实测数据，总结出一套较为完整的隧道沉降变形规律；王志刚等人则是利用数值模拟软件FLAC-3D进行仿真计算，得出一些有价值的结论。这些研究成果都为今后开展相关工作提供宝贵经验与参考依据。

基于既有的研究成果以及现场实践经验，本文将从以下四个方面入手来构建一个相对完善的隧道沉降变形预测模型。

第一，收集并整理隧道工程相关资料。包括隧道所在区域的地形地貌特征、地层岩性分布情况、水文地质条件、隧道结构形式及支护方式等等。同时，还要充分考虑隧道周边环境变化可能带来的影响。

第二，采用数学统计法对前期采集得到的各项基础数据进行处理分析，以获取有用信息。具体而言，可以应用回归分析、时间序列分析等方法对数据进行处理。

第三，结合实际工程情况，选择合适的预测模型。针对不同类型的隧道，选用相应的预测模型进行建模分析。

第四，借助MATLAB 等工具箱，编制相应的程序代码，实现数据处理、模型求解等功能。最终可输出相应的预测结果及其误差范围，供后续决策使用[2]。

3.3 隧道地质灾害的预测程序

一是加强现场监控量测工作。通过实时采集数据信息，能够准确地掌握围岩及支护结构的动态变化情况，从而判断其是否存在异常现象。二是利用先进的物探技术手段。例如，使用地震波反射法或者电磁辐射法，能够快速有效地确定掌子面前方可能发生的地质灾害类型及其规模大小。三是结合超前地质预报结果。当遇到复杂地质环境时，应该采取相应措施提前做好预防工作，避免事故的发生。

1.城市公共绿地少，且分布不均，中心城区公园绿地面积17.0hm2，人均公园绿地仅为1.3m2，居住区无大型公共绿地。城区内已建成的两处公园，服务设施尚不完善，不配套。缺乏形式美、自然美、意境美；街头绿地少，没有形成街头小环境。

4 隧道地质灾害的防治措施

4.1 隧道洞口段的处理措施

4.1.1 加强超前支护，在隧道施工过程中，应采用先进、可靠的超前支护技术，以确保开挖后掌子面及周边围岩具有足够的稳定性。常用的超前支护形式有管棚法、小导管注浆法等。

4.1.2 合理选择开挖方式与进尺，隧道开挖时，应根据实际情况选取合适的开挖方式，如全断面开挖或台阶分部开挖等。同时，还需控制好每次开挖深度以及开挖速度，并及时进行初期支护封闭成环。

4.1.3 优化爆破设计方案，为了减少爆破震动对周围环境的影响，可采取微差松动爆破或光面爆破等措施；此外，还可以通过调整装药量来降低单响药量，从而减轻爆破振动对周围建筑物的损害程度。

4.1.4 科学设置排水设施，隧道洞内一旦出现大量渗水现象，不仅会增加工程成本，还会严重影响施工进度。因此，必须在隧道进出口处设置完善的防排水系统，将地下水有效地排出洞外[3]。

4.2 隧道边仰坡的处理措施

4.2.1 加强监控量测，在施工过程中，必须严格按照设计要求进行监控量测工作，及时发现问题并采取相应措施予以解决。同时，应建立健全信息反馈机制，确保各类数据得到充分收集、分析与利用。

4.2.2 优化开挖方式，针对不同地段采用不同的开挖方式，如软岩地段可采用光面爆破或预留核心土法等；硬岩地段则需采用控制性爆破或者机械破碎等方式。此外，还应对围岩做好支护加固工作，以保证施工安全及结构稳定。

4.2.3 合理选择衬砌类型，隧道衬砌材料应具备较好的耐久性能以及防水能力，且应满足强度、刚度等方面的要求。在实际工程中，常用的衬砌形式有钢筋混凝土衬砌、钢拱架衬砌、复合式衬砌等。

4.2.4 完善排水系统，隧道周边水体容易导致山洪暴发，因此需要设置完善的排水设施，将地下水排出洞外。具体而言，应结合现场地形地貌特点以及水文气象条件，合理确定截水沟、盲管、泄水管等设施的位置、数量及参数，确保其畅通有效。

4.3 隧道底部的处理措施

4.3.1 在施工过程中应及时进行初期支护，当围岩稳定性较差时，必须加强支护措施，例如增加钢拱架、钢筋网片等。同时还要注意喷射混凝土厚度及强度的控制。

4.3.2 合理设置仰拱，仰拱是为了填充隧洞形成的空间而设置的一种结构物，它可以有效地减小隧洞周围的应力集中现象，从而提高整个工程项目的安全性。因此，在实际操作中，需要严格按照设计要求来确定仰拱的位置以及相应的尺寸。

4.3.3 采用合适的二衬时机，由于二次衬砌具有一定的时间限制，所以在选择二衬时机时应该充分考虑现场的实际情况并结合相关规范标准进行综合分析后再做出决定。此外，还需注意二衬与掌子面之间的距离不能过大，以确保施工人员的人身安全[4]。

4.3.4 做好排水工作，地下水往往会对隧道造成很大的危害，特别是在一些地形复杂或者地下水位偏高的地区。

4.4 隧道出口段的处理措施

4.4.1 加强监控量测，在隧道施工过程中，必须严格按照规范要求进行监控量测工作，及时掌握围岩及支护结构的动态变化情况，以便采取相应的预防性养护、维修等措施。同时还应注意观测点布置的合理性以及数据采集频率的确定[5]。

4.4.2 采用合适的开挖方式，由于该工程为双洞单向交通隧道，因此需要采用适宜的开挖方式来保证施工安全与效率。具体而言，可以考虑采用三台阶七步法或环形预留核心土法等较为先进的开挖工艺，并结合实际情况灵活调整各项参数指标，确保施工质量。

4.4.3 优化初期支护设计方案，针对隧道出口段存在的特殊地质条件，如软弱破碎带、断层等不良地质体，需进一步优化初期支护设计方案，选用强度高、刚度大、耐腐蚀性能好的材料作为主要构件，从而提高整个支护体系的稳定性和耐久性。

5 结语

本文通过分析目前国内外在隧道施工过程中采用的各种测量手段，结合实际工程案例，提出一种基于全站仪自由设站边角交会法的隧道横向位移自动监测系统。该系统具有自动化程度高、精度可靠、操作简便等优点，能够实现实时准确地获取隧道各部位的三维坐标及断面尺寸信息，为隧道施工提供及时有效的数据支持。同时，针对隧道围岩收敛变形问题，从理论上进行了深入探讨，并给出相应的解决方案。研究结果表明，利用该系统可以较为精确地掌握隧道围岩的收敛变形情况，进而提前采取措施进行支护或加固处理，确保隧道结构安全稳定。