談監控量測在隧道信息化施工中的應用

冉小兵

(貴州高速公路開發總公司，貴州貴陽 550000)

談監控量測在隧道信息化施工中的應用

冉小兵

(貴州高速公路開發總公司，貴州貴陽 550000)

云貴地區山區高速公路隧道設計眾多，施工期間可能遇到諸多不確定的因素，隧道施工期間實施監控量測顯得十分必要。結合筆者近幾年在山嶺隧道施工一線現場積累的經驗，闡述監控量測在隧道信息化施工中的應用，對隧道實施動態監測能夠及時獲悉施工期間的各種動態信息，通過對獲悉到的信息進行分析判斷，可達到指導施工、修正設計的目的。此外，在隧道突發異常之前通過監測信息及時預警。

隧道工程;監控量測;動態監測;預警;信息化施工

0 引言

近10年來，國內高速公路發展迅速，公路隧道所占的份量越來越重。由于公路隧道所占的比例的增大，建設難度也大大增加，如何降低隧道施工期間的風險，確保施工安全是公路建設者面臨的一大挑戰。在公路隧道的眾多施工方法當中，應用最廣的還是新奧法施工，由于新奧法是一種動態設計的施工方法，因此在施工期間實施動態監測的意義十分重大。

對隧道等隱蔽工程進行動態監測，是保證設計合理、施工安全的重要措施。概括來講，隧道施工過程的監測主要目的在于收集施工期間的各種動態信息，據以判定隧道圍巖的穩定性，并進一步確定所設計的支護結構的安全性及施工方法的合理性。目前根據國內公路隧道施工及驗收規范的相關要求，隧道施工監控量測項目分為必測項目和選測項目兩大類，每一種監測項目所采取的儀器設備與方法原理亦是不相同的。

1 監控量測的必要性

20世紀70年代以來，隨著新奧法技術的問世以及在中國的成功應用，通過廣大公路建設者的不斷實踐和總結，逐步將新奧法中的“利用量測信息確保施工安全”的技術途徑發展到采用監控量測對掌子面前方工程地質、水文地質條件進行動態監測和對圍巖、支護的時空變形、應力、壓力進行量測，通過反饋信息及時修正支護參數的動態反饋設計與信息化施工方法，真正起到“指導施工、修正設計”的目的。

動態反饋設計與信息化施工較之傳統新奧法的監控量測反饋修正設計信息更豐富、內容更廣泛，特別是融入了一些最先進的現代量測技術，如TSP203超前探測系統、GPR(探地雷達)、TCA2003全站儀等，使得量測更迅速、數據更準確、結果更全面。

隧道是地下工程，具有隱蔽性、復雜性和不可預見性等特征。一方面隧道周圍及掌子面前方的工程地質、水文地質條件與隧道施工安全密切相關。不良的地質條件極易引起隧道坍方、突水突泥，不僅在技術上給隧道施工帶來極大的困難，也常常因突發事故導致人身傷亡、設備損失、工期延誤，從而造成巨大的經濟損失;另一方面，各階段工程地質勘察手段的局限性，難以準確地查明洞身圍巖狀況，導致圍巖劃分的不準確或偏保守，施工中如果完全照搬就有可能導致巨大浪費或安全事故。通過對圍巖、支護的時空變形和應力、壓力的量測數據分析，對隧道支護狀態進行評價，可及時預報險情，亦可結合隧道超前地質預報評定設計的合理性，從而反饋到設計，對原設計方案適時予以變更。

隧道監控量測貫穿隧道施工的全過程，為施工中的工程變更提供科學依據，為提高工程質量、降低工程造價、加快施工進度、確保施工安全提供技術保障。具體來講在隧道施工過程中實施監控量測意義如下：

(1)通過監測資料，業主能夠全面、客觀、真實地把握工程的質量，掌握工程各主體部分的安全信息，確保項目能夠按照預定的目標完成。

(2)作為監測項目，其數據和資料往往是處理工程合同糾紛的重要依據。它可使監測數據真實可信，在處理工程質量問題時提供相關的證據。

(3)監測資料以數據庫的方式進行存儲和管理，并經過整理和分析，及時反饋到施工現場，指導施工。

(4)根據監測數據的變化趨勢(如變形量及變形速率)發出警告信息，提示或建議施工單位采取相應技術措施，既可以對質量事故做到防患于未然，又可以對各種潛在的問題做到心中有數。

表1 隧道監控量測項目、實施方案及規范要求Table 1 Monitoring measurement project of tunnel，plan and standard

(5)監測資料的收集、整理和分析，可作為設計變更和工程評價的依據，解決工程中所遇到的難題。

2 監控量測項目

目前國內隧道施工期間實施的監控量測項目按照《公路隧道施工技術規范》要求分為必測項目和選測項目兩大類［1］。其中必測項目主要有：地質及支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、洞口淺埋段地表下沉、開挖段面凈空、錨桿抗拔力等。選測項目主要有：圍巖內部位移量測、圍巖和襯砌間接觸壓力、初襯與二襯間接觸壓力、鋼支撐內力、二襯混凝土內應力、錨桿軸力、土體側向變形、滲透水壓力等。

常見監控量測項目及相關技術要求概括如表1。

3 監控量測項目的實施

監控量測項目的實施按照時間先后順序主要分為：監測前期準備、現場數據采集、室內數據分析等三個階段。

3.1 監測前期準備

監測前期準備主要是指監測儀器使用前的校正及現場監測點布置開展等主要工作。其中，最關鍵的就是監測點的布置。常見監測項目測點布置應遵循的原則如下：

(1)周邊位移每斷面2對測點，拱頂下沉3個測點(見圖1);

圖1 周邊位移及拱頂下沉測點布置圖Fig.1 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on periphery displacement and vault crown settlement

圖2 地表下沉監控量測點布置示意圖Fig.2 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on surface subsidence

圖3 圍巖內部位移監測測點布置示意圖Fig.3 Arrangement schematic diagram of monitoring measurement point on internal displacement of rock wall

(2)錨桿抗拔力及錨桿軸力量測每個斷面隨機選擇5根錨桿;

(3)地表下沉每斷面10個測點(見圖2);

(4)圍巖內部位移測試每個斷面布置5個測點(見圖3);

(5)鋼支撐應力測試每個斷面布置5個測點(見圖4);

(6)圍巖壓力、兩層支護間壓力、噴砼應力、支護及襯砌應力量測每個斷面各布置單項5個測點(見圖5);

(7)開挖斷面凈空測量每斷面選取20個測點。

圖4 鋼拱架應力監測測點布置示意圖Fig.4 Arrangement schematic diagram of monitoring measure point on steel arch stress

圖5 圍巖壓力、兩層支護間壓力、噴砼應力、支護及襯砌應力量測測點布置示意圖Fig.5 Arrangement schematic diagram of monitoring point

3.2 現場數據采集

現場數據采集主要采用帶有內存儲卡的新一代儀器設備，其中最典型的就是TCA2003或leica TCR1 200+高精度全站儀。現場操作時，將專用反射片粘貼在測點上，基點設在離地面較近的穩定襯砌或洞壁上，使用高精度全站儀自由設站，在不同位置觀測兩次，減少對中整平誤差的影響，通過相對坐標計算三角形的絕對變化量。利用TCA2003或leica TCR1 200+高精度全站儀能實現拱頂下沉、周邊位移、淺埋段地表下沉、開挖段面凈空測量等多個監測項目。其主要優點在于能實現一機多用、數據電腦化，由于現場采集數據方便，無需人工記錄而大大提高了效率等。

3.3 室內數據分析

現場采集完數據后，需要對數據進行誤差分析處理，必要時還應進行回歸分析。如：在隧道的收斂變形監測數據的分析中，根據監測獲得的位移—時間曲線，即能看出各時刻的總位移量、位移速度以及位移加速度的趨勢等。但要衡量圍巖的穩定性，除了監測值外，還必須有判斷圍巖穩定性的準則，這些準則可以由總位移量、位移速率或位移加速度等表示，其值一般由經驗或統計數據給定。

4 監控量測數據處理及隧道穩定性判定

野外采集到的數據必須結合現場實際情況加以分析，排除干擾因素，濾除誤差數據，進行相應的處理才能用于分析推斷，才能對隧道的穩定性做出最終判定。

4.1 監控量測數據處理

一般而言，對外業量測的數據進行整理，主要是檢查外業記錄，包括觀測斷面及觀測點編號、觀測時間、觀測斷面與開挖掌子面的距離等等。對采用收斂計進行量測的還應對觀測值作溫度改正，然后計算斷面兩測點間收斂值、測點絕對位移值。用全站儀直接計算各測點絕對位移值，根據該斷面每次量測結果繪制以下主要曲線：

位移—時間變化曲線，位移速度—時間變化曲線，位移—開挖面距離關系曲線，位移—時間回歸曲線，求出最終凈空位移量(見圖6)。

圖6 位移—時間曲線圖示例Fig.6 Displacement－ time cyrve

對圍巖體內位移量測，除繪制孔內各點位移—時間變化曲線外，還應繪制不同時間位移—深度關系曲線。

由于量測的偶然誤差所造成的離散性，繪制的曲線總是上下波動和不規則的，必須經過適當處理獲得合理的典型曲線，通常采用回歸分析的方法，得出相應的函數式。

回歸分析是對一系列具有內在規律的測試數據進行處理，通過處理和計算得到兩個變量之間的函數關系式。用這個函數式做出的曲線能代表測試數據的分布，并可推出因變量的極限值。采用回歸分析確定測試數據分布規律，可從以下函數式中選用一個進行計算。

對數函數，如：u=a+b/lg(1+t)

指數函數，如：u=a(1－e－bt)

雙曲函數，如：u=a［1－(1/1+bt)2］

式中：a、b為回歸常數;t為初讀數后的時間(d);u為位移值(mm)。

根據量測獲得的位移—時間關系曲線，可看出各時刻的總位移量、位移速度、位移加速度，按照規范所給出的隧道周邊允許相對位移值判斷圍巖穩定性。對位移無急劇變化的正常情況，可據回歸關系式預測總的位移量。如遇位移急劇變化情況應及時向施工單位反映，并結合地質條件、施工方法、支護設計匯同施工、設計分析原因，制定處理方案。

4.2 隧道穩定性判定

位移速度和位移加速度是判定隧道圍巖與支護結構是否穩定的兩個重要指標，具體如下：

4.2.1 位移速度是判別圍巖穩定性標志之一

開挖通過監測斷面時位移速度最大，以后降低，一般情況下，初期位移速度約為總位移值的1/4～1/10。日本新奧法設計施工指南提出，當位移速度＞20 mm/d時，就需要特殊支護。有的則以初期位移速度，即開挖后3～7 d內的平均位移速度來確定允許位移速度，以消除空間作用及開挖方式的影響。

目前，圍巖達到穩定的標準通常都采用位移速率。中國《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中以收斂速率為0.1 ～0.2 mm/d，拱頂下沉速率為0.07 ～0.15 mm/d 作為圍巖穩定的標志之一［2］。法國新奧法施工標準中規定：當月累計收斂量＜7 mm，即每天平均變形速率＜0.23 mm，認為圍巖已達基本穩定。但是試驗表明，軟弱圍巖隧道在施工后2～3年，甚至5～6年圍巖變形才能最終穩定。

4.2.2 位移加速度則從另外一個角度來分析判定圍巖及支護結構的安全性

一般來講：位移加速度為負值(即：d2u/dt2＜0)，即圍巖變形速度不斷下降，表明圍巖變形趨向穩定;位移加速度為零(即：d2u/dt2=0)，即圍巖變形速度長時間保持不變，表明圍巖趨向不穩定，須發出警告，要及時加強支護襯砌;位移加速度為正值(即：d2u/dt2＞0)，即圍巖變形速度增加，表明圍巖已處于危險狀態，須立即停止開挖，迅速加固支護襯砌或采取措施加固圍巖。

5 監控量測成果的應用

監控量測的成果主要體現在：“指導施工、修正設計、確保安全、降低成本”等十六字方針上。具體來講主要應用在以下幾個方面：

(1)據周邊位移、拱頂下沉量測成果確定預留變形量。設計預留變形量是根據圍巖類別、隧道埋深結合施工方式以及支護形式給出的。實際工作中需根據實測資料確定預留變形量，以避免預留量過大造成開挖工作量的浪費，過小則使初期支護侵限，不能保證二襯厚度。

(2)據周邊位移、拱頂下沉量測成果確定最佳襯砌施做時機。二次襯砌和仰拱的施做，時間因素影響很大，直接關系到襯砌結構的安全。過早施做將使襯砌承受較大的圍巖壓力，過晚可能導致初期支護破壞。依據《公路隧道施工技術規范》(JTJ042—94)的要求，二次襯砌的施做應在滿足以下條件時進行：

①位移速率明顯收斂，圍巖基本穩定;② 累計位移量已達到預留變形量或已達預計總位移量的80%～90%;③ 周邊位移速率 ＜0.1 ～0.2 mm/d，或者拱頂下沉速率＜0.07～0.15 mm/d。但對于膨脹性圍巖隧道，一般在圍巖變形基本穩定，變形速率＜0.2～0.5 mm/d后施做二次襯砌為宜。

(3)準確分析變形原因，有針對性地調整支護參數。通過周邊位移、拱頂下沉的量測，特別是利用高精度全站儀可測出每個測點水平及垂直位移(判定位移的優勢方向)，有利于分析變形原因，使支護參數調整更具針對性。

(4)根據圍巖、支護系統穩定性及時預報險情。

(5)根據應力、壓力量測成果評價支護設計的安全度。

應據此求出隧道結構初期支護及二次襯砌上的最終荷載，以便對結構安全度作出正確的判斷。若經過對各種量測數據聯合反分析計算后，發現初期支護或二次襯砌結構安全系數較大，則可對后續類似地質類型地段相近的支護參數作適當調整。

6 結束語

隨著新奧法在中國的公、鐵路領域的成功應用，通過廣大公路建設者的不斷實踐和總結，逐步將量測信息確保施工安全性的技術途徑發展到采用超前地質預報對掌子面前方工程地質條件、水文地質條件進行動態監測和對圍巖、支護的時空變形、應力、壓力進行量測。掌握圍巖動態，了解支護結構在不同工況時的受力狀態和應力分布，對圍巖穩定性作出評價，通過反饋信息及時修正支護參數的動態反饋設計與信息化施工。

隧道是地下工程，具有隱蔽性、復雜性和不可預見性的特征。周圍及掌子面前方的工程地質和水文地質情況對隧道施工的質量和安全關系重大。一方面不良的地質條件極易引起隧道坍方、突泥涌水，不僅在技術上給隧道施工帶來極大的困難，也常常因突發事故導致人身傷亡、設備損失、工期延誤，從而造成巨大的經濟損失;另一方面，由于各階段工程地質勘察手段的局限性，難以準確的查明洞身圍巖狀況，導致圍巖劃分的不準確或偏保守，施工中如果完全照搬就有可能導致巨大浪費或安全事故。通過對圍巖、支護的時空變形、應力、壓力的量測數據分析，對隧道支護狀態進行評價，預報險情、評定設計的合理性，反饋設計，及時變更設計，不僅能避免重大的傷亡事故出現，創造出巨大的社會效益與經濟效益，而且還能減少不必要的浪費，符合目前低碳經濟的時代主流趨勢。

總之，監控量測貫穿隧道施工的全過程，為施工中的工程變更提供科學依據，為提高工程質量、降低工程造價、加快施工進度、確保施工安全提供技術保障;由此可見，在隧道施工過程中實施監控量測的重要意義是顯而易見的。

［1］JTG D70—2004，公路隧道設計規范［S］.

［2］GB50086—2001，錨桿噴射混凝土支護技術規范［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，高級工程師，道路橋梁專業，從事高速公路建設管理工作。E－mail：ranxb1463@163.com

于繼紅)