板巖隧道施工監測體系及預警技術研究

郭志剛

（中交路橋南方工程有限公司，北京101100）

1 引言

自20世紀60年代新奧法提出以來，人們對隧道監測技術有了新的認識和研究，從測試項目、測試方法、測試工具、數據處理、信息反饋等方面開展了系列研究，也取得了系列成果【1～5】。王運橋【6】基于數據庫、云平臺、物聯網等技術與隧道施工理念的結合，研發了于隧道人員定位及圍巖監測的信息綜合管理系統，并在工程中得到了應用；陳小雄【7】提出了結合實際工況進行監測過程控制的方法，強調監測過程的有效控制，以及監測數據與實際現象對比，才能保證預警的準確和及時，并指出保證監測數據可信的6個條件。

板巖在我國分布較為廣泛，成因使其具有層理結構特性，內部多存在板狀劈理、裂隙等缺陷，表現有明顯的各向異性。本文將以板巖隧道為研究對象，提出板巖隧道施工監測體系，以及板巖隧道的預警措施，為板巖隧道的開挖質量提供技術支撐。

2 板巖隧道施工監測體系

2.1 監測范圍

板巖隧道施工監測體系需涵蓋整個施工階段中的所有因素，具體包括掌子面開挖前的超前地質預報，開挖過程中及開挖完成后圍巖支護結構的變形與內力監測，以及整個施工過程中的人員巡查，下面將分別進行說明。

2.1.1 超前地質預報

超前地質預報是監測體系中的第一道屏障，是對掌子面前方及其周邊未開挖圍巖和地層情況做出的預報，如巖性、結構、斷層、巖溶、破碎帶、暗河等。超前地質預報所反饋的信息對掌子面開挖方法及輔助措施的確定具有直接指導意義。

2.1.2 圍巖支護結構監測

圍巖支護結構監測項目包括必測和選測項目：必測項目包括拱頂下沉、周邊位移、凈空變化等；選測項目包括地表下沉、圍巖內部位移、圍巖壓力、錨桿軸力、鋼支撐內力內力、襯砌內力等項目。

2.1.3 人員巡查

圍巖支護結構監測由于施工作業條件（如空間、可見度等）及測量設備的限制，常會出現數據采集不及時的問題。另外，單純的監測數據分析往往存在一定的片面性，因此，人員巡查可以配合圍巖支護結構監測使用，共同成為監測體系的一部分，兩者反饋信息的綜合分析才更可靠。人工巡檢內容包括地質及支護狀態觀察、滲漏水、預埋件狀態、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、構件強度等方面。

2.2 監測布點

超前地質預報的測試原則是在保證監測數據可靠的前提下，盡量減小對圍巖的擾動。圍巖支護結構監測中的必測項目布點間距一般為10～50m，對于洞口段、淺埋段、特別軟弱地層布點距離要小于20m，選測項目視情況而定，代表性斷面一般要布設監測點。人員巡查在爆破、開挖、初期支護后必須開展，其他時段按固定頻率開展。下面主要介紹幾個監測項目的布點要求。

2.2.1 周邊收斂

初期支護完成后進行量測，斷面設置距離如上所述，每個斷面設置3～6條線，收斂線條數取決于開挖方式和地質條件。

2.2.2 拱頂下沉

拱頂下沉監測點一般布設在拱頂中心線上，洞跨較大時，可在拱頂設置3個監測點，當有側墻或中隔墻時，在側墻和中隔墻下部左右臺階處埋設監測點。

2.2.3 錨桿內力監測

錨桿內力監測一般間隔10m設置1個監測斷面，每個斷面至少對3根錨桿進行監測。

2.2.4 地表下沉

地表下沉監測點與周邊收斂和拱頂下沉監測點布置在同一橫斷面上，斷面間距為5～50m，具體取決于埋深和洞跨的關系，每個監測斷面至少埋設7個監測點。

2.2.5 圍壓壓力與支護壓力

測點布設在代表性斷面，每個斷面布設測點5～8個，每個測點一般設置1個壓力盒。

2.2.6 鋼支撐內力

測點布設在代表性斷面，每個斷面布設測點5～8個，每個測點一般設置2個應力計。

2.3 監測方法

超前地質預報測試方法很多，具體包括地質法、超前鉆探法、超前導坑、地質雷達法、地震波反射波法、紅外探水法等，每種方法都有自身的優勢和不足，實際工程中為保證預報結果的可靠性，一般綜合采用2種甚至集中測試方法，相互補充，相互驗證。

圍巖支護結構監測目前以人工測試為主，通過收斂計、土壓力計、鋼結構表面應變計、鋼筋應力計、全站儀、水準儀、鋼尺等監測設備開展測量工作，但人工測試方法經常受限于施工條件，如開挖空間、可見度的影響，或者現場出現突發狀況導致監測人員無法測試等，這些都會導致監測數據的滯后。目前，可以借助數據庫、云平臺、物聯網等先進技術和相關測試理論開發監測信息管理系統，可以實現監測數據的自動采集與分析。

3 板巖隧道風險預警技術

風險預警是應對風險的存在做出的提前響應，從根本上遏制風險的進一步演化，從程序上可以將風險預警機制劃分為風險識別、風險分析、風險決策3個環節，下面將針對板巖隧道從以上3個方面進行說明。

3.1 風險識別

風險識別可以劃分為3個層面：一是施工前的風險預測，即通過采用超前地質預報對掌子面前方可能存在的地質風險進行識別，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、溶洞等，這一層面的風險識別精度在很大程度上決定了隧道開挖的整體質量；二是開挖過程中風險的動態監測，即通過對圍巖與支護體系變形和內力的監測，以及工作人員的現場巡查，尤其是在爆破開挖后對新揭露巖體性狀的觀察來對開挖后隧道的穩定風險進行識別；三是施工管理風險，工作人員的專業素養與安全意識，以及施工管理體系都是這一層面上所需識別的風險，這類風險在實際施工中容易被忽視。

3.2 風險評估

風險評估可以分為2類：第一類是針對前面的第一層面與第二層面風險，需要對現場監測的數據進行采集、篩選、分析，并對相關風險進行評估，進而對隧道開挖中的安全情況有個整體掌握，以確保相關風險預警信息發出的時效性；第二類是針對前面的第三層面的風險，是對隧道施工過程中環境、設備、人員、管理體制進行評估，對其中的風險項進行歸納，為風險決策提供基礎。

風險評估環節需要制定完善的評估制度，并根據這套評估制度進行風險評估，整理出其中的風險項，并對此制定相應的預警機制。評估依據包括相關的管理政策、規定、辦法，相關的國家與行業標準、規范、規程，以及項目本身的文件要求。

3.3 風險預警與決策

風險預警與決策是根據所獲取的風險信息進行決策，包括預警值的確定以及決策機制的建立2部分。板巖隧道的預警值包括允許值、警戒值、基準值，警戒值與基準值分別為允許值的2/3和1/3，滿足以下要求：

1）拱頂下沉、水平收斂允許值：V級圍巖100mm、IV級圍巖70mm、III級圍巖40mm；

2）仰拱隆起：允許值30mm；

3）地表沉降：允許值50mm。

風險預警采用三級管理：

1）達到或超過允許值，作I級報警。當出現下列情況之一時，也應采取I級報警：（1）變形速率，拱頂沉降速率連續5d超過30mm/d，連續4d超過40mm/d，連續3d超過50mm/d，呈加速趨勢；（2）量測值發生突變；（3）初期支護或二次襯砌裂紋寬度達5mm；（4）洞口地表出現開裂、坍塌；（5）洞內圍巖壓力有明顯異常；（6）時態曲線長時間沒有變緩。

2）達到或超過警戒值應作II級報警。

3）達到或超過基準值應作III級報警。

4）基準值以下正常施工。

針對I級報警，需迅速組織有關技術人員進行評估，或啟動遠程專家會診系統，獲得專家鑒定意見，借用應急預案快速處理現場安全問題。

4 結語

隧道開挖階段的監測及預警對施工全過程具有直接指導作用，可有效保證隧道的開挖質量。本文以板巖隧道為對象，構建了由監測范圍、監測布點與頻率、監測方法等組成的施工監測體系，并在此基礎上提出了由風險識別、風險評估、風險預警與決策組成的板巖隧道施工監測預警技術，可有效應對施工過程中潛在的風險因素，進而保證隧道的開挖質量。