高速公路隧道監控量測技術與應用

何鳳軍

（中鐵二十局集團第四工程有限公司，山東 青島 266061）

一直以來，監控量測是高速公路隧道施工及管理的重要部分，也是各級檢查的必檢項目，但是由于監控量測在技術和工序方面安排不合理，往往與施工工序之間相互影響，導致部分項目上監控量測“名存實亡”，流于形式，點位不布設或布設后破壞嚴重，量測數據不及時，造假現象嚴重，難以起到監控量測預警及指導施工、節約成本的作用。

文章以石柱至黔江高速公路連湖隧道左線出口段為例，運用高精度全站儀、電子水準儀結合隧道圍巖監測內業處理軟件或Excel表格，對洞外地表沉降、洞內拱頂沉降、周邊收斂等方面進行量測，從觀測項目、點位布置、觀測方法，以及調整預留量、提供變更基礎數據等方面進行分析，探究其技術及應用。

1 工程概況

連湖隧道位于重慶市彭水縣連湖鎮，隧道全長4610m，中鐵二十局集團第四工程有限公司項目部由連湖隧道出口進行施工，其中左線出口里程為K46+183，施工長度1498m。連湖隧道地形地貌屬構造溶蝕侵蝕中山貌區。隧道圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，地質條件復雜。

2 監控量測內容

連湖隧道以隧道洞內、外觀察，洞內周邊收斂量測，洞內拱頂下沉量測，地表沉降觀測（附帶地表位移觀測）為必測項目。重點介紹必測項目，對選測項目內容不做過多的闡述。

2.1 儀器配置

連湖隧道圍巖量測儀器配備表如表1所示。

2.2 洞內、外觀察

洞內觀察主要包括現場掌子面觀察和已支護段觀察。掌子面的觀察在每次開挖后進行，已支護地段的觀察每天應進行1次。掌子面觀察包括掌子面狀態、圍巖情況、節理裂隙、斷層分布和形態等；已施工段觀察滲漏水情況、噴射混凝土有無裂縫、錨桿和鋼架有無破壞和彎曲現象等。及時填寫每天觀察記錄表，觀察中發現異常情況時，應立即上報設計、監理單位，采取相應處理措施。

洞外觀察重點應在洞口段及洞身淺埋段，其觀察內容應包括地表開裂、地表沉陷、邊坡及仰坡穩定狀態、地表水滲透情況等。

2.3 點位布設

（1）地表沉降觀測點埋設。受連湖隧道左線出口地形所限，對地表沉降（兼位移）量測點位按以下布置：在K46+165和K46+155里程處設置地表沉降（兼位移）觀測點，測點和隧道內測點應布置在同一斷面里程。觀測點橫向間距為4m。共埋設18個觀測點及1個深埋基準點，基準點埋設在隧道作業影響范圍以外。地表沉降觀測點點位埋設具體要求：測點采用C20混凝土觀測樁，觀測樁內用直徑16mm鋼筋（也可購買不銹鋼測頭），長35cm，頂部打磨光滑并刻畫十字絲，露出混凝土表面1cm。在埋設測點部位挖長、寬為30cm，深度為40cm的坑，用混凝土回填密實，保證測樁牢固，并做好標記。

（2）拱頂沉降和周邊收斂觀測點埋設。洞內監控量測包括拱頂沉降觀測和周邊收斂觀測。觀測點制作采用鋼筋加工場集中預制，測頭采用3mm的鋼板（3cm×3cm），測點固定桿鋼筋采用Ф16的螺紋鋼，固定桿長度25～30cm，并與測頭鋼板焊接牢固（小斧頭狀）。測頭鋼板用透明膠帶粘貼圍住。為節約成本，可利用鋼筋加工場廢棄的鋼筋頭和鋼板制作固定桿。

（3）洞內測點布設。隧道洞內量測斷面的布置：洞口Ⅴ級圍巖淺埋段5m一個斷面，Ⅴ級深埋和Ⅳ級圍巖10m一個斷面，Ⅲ級圍巖30m一個斷面，可根據數據變化調整斷面布設間距。鑒于以往在實際操作中測點經常被破壞，起不到監控量測的作用，本隧道在測點布設時，由測量人員放樣出具體埋設里程和位置，用噴漆標出，由專門人員（隧道雜工）用專用電鉆和線纜（最好為監控量測專配）在作業班組進行立架工藝時布設，鉆眼后用水泥砂漿或錨固劑填滿后再插入測點固定桿。盡量使兩邊的測點固定桿在測量方向的同一軸線上，外漏部分不宜過長也不宜過短，考慮噴射混凝土厚度，等噴漿結束后，剛好外漏頂端鋼板即可。及時安排人員敲掉外漏鋼板混凝土，揭掉鋼板上保護膠帶，粘上徠卡反射片并再次用透明膠帶粘貼好，確保粘貼牢固可靠并安排監控量測人員采集數據。洞內量測斷面測點的布置個數應根據監測規范和設計要求確定，全斷面法施工地段每個量測斷面處設置1個拱頂下沉測點A及2個水平凈空收斂測點，如圖1所示；臺階法施工地段每個量測斷面處設置1個拱頂下沉測點A，4個水平凈空收斂測點，如圖2所示。無論采用何種施工方法，但每個量測斷面必須布置拱頂下沉測點和一條水平凈空收斂量測測線。

圖1 全斷面法施工拱頂沉降和周邊收斂測點布置示意圖

圖2 臺階法施工拱頂沉降和周邊收斂測點布置示意圖

2.4 監控量測觀測方法和觀測頻率

（1）監控量測觀測方法。①地表沉降觀測的方法。地表沉降點觀測時首先假設基準點高程，用天寶DINI03電子水準儀按二等水準觀測要求施測，進行平差處理，定出首期數據，依次按頻率觀測，繪制時間-沉降曲線表或圖。考慮坡本隧道淺埋段為堆積體，故增加地表位移觀測，保證施工安全。②拱頂沉降觀測和周邊收斂測量方法。觀測拱頂沉降和周邊收斂均為高精度全站儀（采用徠卡TS09全站儀，測角：1″；測距：1+1ppm），這種無接觸式量測方法已經取代老式水準尺、鋼尺、收斂儀，在保證成果的同時，更快速、方便，對施工基本無干擾。觀測時保證儀器適應現場隧道內環境，并做到人員固定、儀器固定、控制基準點固定。拱頂觀測時采用全站儀中間站不量儀器高法或自由設站的方法，減少人為誤差對量測數據的影響；周邊收斂可采用全站儀直接量測相對坐標反算測線長度。測量完成后，將測量數據記錄到記錄表中，方便內業處理分析。本隧道數據分析整理采用2種方法，一種是采用Excel表格功能自行記錄、整理、繪制、分析；另一種方法是采用中鐵天寶開發的隧道圍巖監測信息化系統軟件，手機APP藍牙連接全站儀，照準測點徠卡反射片測量。軟件可自動處理量測數據，減少人為處理，結果更迅速、更直接。中鐵天寶隧道圍巖監測信息化系統使用在此不做過多介紹。

（2）監控量測觀測頻率。①掌子面觀察應在每次開挖后進行，地質情況基本無變化時，可每天進行1次。對初期支護的觀察也應每天至少進行1次。洞外觀察每天進行1次。②地表沉降觀測和地表位移觀測均為每天1測，直至數據穩定后，可停止觀測。③洞內拱頂沉降和水平周邊收斂量測頻率應符合相關要求，如表3所示。特殊工序施工前（如下臺階開挖、仰拱開挖）必須進行量測，特殊工序施工后立即進行下一次量測，并進行分析比對。

表3 拱頂沉降和周邊收斂觀測頻率表

2.5 監控量測數據整理及分析

現場觀測完數據及時整理，包括觀測數據的計算、填表、制圖、誤差處理等；分析主要包括根據量測數值整理制表，繪制位移、沉降-時間曲線圖，對支護及圍巖狀態、工法工序進行評價。每次量測后應及時進行數據整理，包括隧道監控周報表、月報表。監控量測日報可圍巖監控量測動態記錄牌代替，懸掛于監控量測觀測斷面旁（不能掛在測點上），以指導現場施工。監控量測穩定性判別如表4所示。

表4 監控量測穩定性判別表

隧道數據分析以左洞斷面K44+835為例，包含拱頂沉降記錄表如表5所示，拱頂下沉回歸分析圖如圖3所示。周邊收斂數據整理分析，形式和拱頂沉降觀測一樣，在此不做過多展示。

3 監控量測應用

連湖隧道左線出口段在施工過程中充分發揮監控量測作用，在監測過程中發現，地表沉降兼位移觀測點在山體坡腳開挖后沉降量和位移量均達到25～30mm，且地表出現裂縫，項目部果斷采取封閉裂縫，增設抗滑樁施工等措施，使得地表沉降和位移變化量趨于穩定，保證了施工安全。根據監控量測數據可以判斷圍巖的穩定性、分析支護及方法的合理性、待數據穩定后確定二次襯砌的施做時間。通過觀測發現Ⅳ級深埋和Ⅲ級圍巖段，拱頂沉降和周邊收斂最大累計量為15mm，所以調整預留變形量和給設計變更提供圍巖穩定的基礎數據，在保證安全的情況下，通過調整和變更節約了材料，加快了施工進度，連湖隧道左線比預計工期提前19d貫通，有效縮短了工期，取得了較好的經濟效益。

表5 隧道拱頂沉降監控量測記錄表（部分）

圖3 拱頂下沉回歸分析圖

4 結論

文中通過連湖隧道左線出口段監控量測的研究，發現運用高精度全站儀、反射片配合隧道圍巖量測內外業軟件或Excel表格，對隧道圍巖變形進行量測并合理安排布點及量測時間，可以做到不會影響現場施工，且能真正意義上起到監控量測的安全預警，促進節約成本的作用。對類似隧道圍巖監控量測起到指導作用。