自動化綜合監測技術在復雜施工環境運營高速公路隧道中的應用及分析

■陳必港

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

隨著公路里程的不斷增長，新建線路上跨或下穿既有運營公路、一個空間分布多條線路的復雜施工環境將越來越多。 在運營公路隧道周邊施工過程中，勢必會對隧道周圍巖體造成擾動，引起隧道變形，嚴重影響隧道的結構及運營安全。 因此，施工期間對運營隧道結構進行實時監測，并將監測結果指導工程施工對確保運營隧道安全顯得尤為重要。 但傳統的監測大多為人工監測，費時費力，受天氣、人為因素等影響較大，數據不連續，難以滿足工程實際需求。 因此，自動化監測技術應運而生，其具有自動化、實時化、高精度、高效化等特點[1]，但因各方面的限制，目前推廣程度并不高。 另外，實踐表明，相對于單一的自動化監測技術，自動化綜合監測技術可以借助監測結果的相互驗證，提高監測結果的準確性，應用在復雜工程施工環境中，能有效降低施工風險[2-3]。

本研究將自動化綜合監測技術應用于復雜工程環境運營高速公路的工程實際中，無論是保證應用工程的施工安全和風險控制，還是為今后類似工程的經驗積累，以及提升自動化監測技術水平方面都具有重要意義。

1 自動化監測基本原理

1.1 靜力水準儀基本原理

靜力水準儀采用連通管的原理，利用超聲波傳感器發射超聲波， 超聲波到達液面被液面反射，傳感器接收到反射信號，利用已知的超聲波的傳播速度及測出的傳播時間，測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量[1，4]。

假設共布設了n 個測點， 其中1 號為基準點，初始狀態時， 各測點安裝高程相對于參考高程面▽H0間的距離為Y01、Y02、…Y0i…Y0n（0 表示初始狀態，i 表示測點編號）， 各測點安裝高程與液面間的距離為h01、h02…h0i…h0n，則有：

因此，只要用超聲波傳感器測得任意時刻各測點相對于初始觀測值的位移量，則可求得該時刻各點相對于基準點1 的相對高程差，即該時刻各測點的累計沉降量。

靜力水準儀適用于運營隧道的拱頂沉降、拱腳沉降的監測，亦適用于不占道情況下的道路路面沉降監測，具有實時、自動化的特點，但也存在一些技術缺陷，例如液面蒸發、溫度變化會對觀測數據產生一定的影響。

1.2 激光位移計基本原理

利用激光測距對準隧道另一端的測量靶標，激光位移計測出兩點之間的距離即為測線長度，與施工前所測初始值相比較，所得差值即為該測線收斂累計變化量。 激光位移計能快速測定隧道周邊位移，具有快速、準確、實時監測的特點，但碰到障礙物遮擋時會影響數據觀測，分析時要注意將這些數據剔除。

1.3 應變計基本原理

受篇幅所限且因工程實例中僅應用了振弦式應變計，在此僅對振弦式應變計的基本原理做相應闡述。

振弦式應變計原理的基本理論公式為：

對上式兩邊取平方，并整理可得：

式中，f 為鋼弦頻率；l 為鋼弦長度；ρ 為鋼弦密度；K 為鋼弦系數，K=4l2ρ。

假設在初始狀態，鋼弦初始應力為σ0，頻率為f0，當受到σ 應力時，頻率為f，根據式（7），可得從初始狀態到σ 應力狀態的應力增量△σ 為：

由胡克定律（Hooke’s law）可知，此時鋼弦的應變增量為：

式中，E 為鋼弦的彈性模量；k 為鋼弦的靈敏度系數，由出廠標定，k=K/E。

在監測過程中，一般假定監測結構的變形與應變管、鋼弦的變形一致，即監測結構的應變增量等于鋼弦的應變增量。 因此結合式（9），只要測得振弦的變化頻率，即可得到監測結構的應變增量。

應變計能較為準確地測量出隧道結構表面的變形，以此推斷周邊環境是否對隧道結構造成影響，但其會受被測面變化（傾斜、凹凸、光澤等）的影響。

1.4 裂縫計基本原理

裂縫計基本構造見圖2。 當被監測結構的裂縫發生變化時（擴張或收縮），會使位移計左、右安裝支座產生相對位移， 并引起振弦受到應力變化，從而改變振弦的振動頻率， 其原理同1.3 節內容。 同時，電磁線圈激撥振弦并測量其振動頻率，頻率信號經電纜傳至讀數裝置或數據采集系統，經換算即可得到被監測結構裂縫相對位移（相對于初始測量值）的變化量。

圖1 靜力水準儀基本原理圖

圖2 裂縫計基本構造

裂縫計能較為準確地觀測出隧道襯砌表面裂縫的伸縮、擴張變化情況，但無法觀測到襯砌內部裂縫的延伸情況。 此外，因安裝問題，裂縫計對于邊角處的裂縫觀測可能并不適用。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某已運營高速公路隧道需在上部新建高鐵，下部新建地鐵，形成“上跨高鐵，下穿地鐵”。 其中新建的高鐵在DK237+524～+574 里程處上跨公路隧道，高鐵路肩頂部距離隧道拱部襯砌外緣最小凈距約2 m， 公路隧道原結構設計未考慮上跨鐵路荷載和影響，鐵路施工及運營期間，鐵路及公路安全均不能保證，因此需對交叉影響段既有公路隧道襯砌結構采取“置換加固”方案處理。 下穿地鐵采用盾構法施工， 對公路隧道交叉影響段為：ZK19+365～+445和YK19+365～+445， 與公路隧道的交角為70°，地鐵隧道右線結構頂距公路隧道結構底的距離為11.922 m， 左線結構頂距公路隧道結構底的距離為11.924 m， 地鐵隧道下穿公路隧道的地層主要為素填土、粉質粘土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖。兩項目施工期間，公路隧道仍需正常運營。為保證公路隧道的結構安全及正常運營，需對公路隧道結構進行自動化監測。

2.2 工程難點

（1）本項目為“上跨高鐵，下穿地鐵”的項目，且“上跨高鐵”需對既有公路隧道襯砌結構采取“置換加固”處理，在國內類似工程可謂絕無僅有，無工程經驗可供參考。

（2）公路隧道自身埋深淺，新建的高鐵路基和地鐵隧道距離公路隧道襯砌結構凈距小，需對公路路面沉降和隧道變形嚴格控制。

（3）除“置換加固”外，其余施工期間公路隧道仍需正常運營，增加了監測過程的危險性。

（4）隧道施工段圍巖條件差，具有遇水易軟化、崩解及形成流沙的不良特性，加劇了施工及監測難度。

2.3 監測方案

（1）下穿項目：共有拱頂沉降、周邊位移、路面沉降、襯砌表面應力4 類監測項目。 拱頂沉降、周邊位移、路面沉降在交叉段每10 m 布設1 個斷面，在影響段每20 m 布設1 個斷面，左、右幅隧道合計布設激光位移計14 個，靜力水準儀28 臺，加2 臺基準點水準儀，共30 臺靜力水準儀。 襯砌表面應力選取典型斷面（交叉段且為下穿隧道軸線處）共布設3個應變計。 測點平面布置圖如圖3 所示。

圖3 下穿地鐵項目測點平面布置圖

（2）上跨項目：共有拱頂沉降、周邊位移、襯砌裂縫寬度3 類監測項目。 拱頂沉降、周邊位移在交叉段每10～15 m 布設1 個斷面，在影響段每30 m 布設1 個斷面，左、右幅隧道合計布設激光位移計18 個，靜力水準儀18 臺，加2 臺基準點水準儀，共20 臺靜力水準儀。 襯砌裂縫寬度選取典型裂縫（最大縱向裂縫） 分別在裂縫兩端和中部共布設3 個裂縫計。 測點平面布置圖如圖4 所示。

圖4 上跨高鐵項目測點平面布置圖

所有監測設備每1 h 采集1 次數據，每天24 h不間斷采集數據，在施工關鍵階段，可通過后臺修改指令提高采集頻率。 為減少過往車輛振動對測點數據產生的影響及減小外界溫度的影響，在進行分析時取每日0 點左右的數據為當日的分析數據，其余時間點數據為突發情況時的參考數據。 監測項目、儀器、監測頻率、控制標準如表1 所示。 另外，為便于隧道內支護狀況日常巡查，在典型裂縫處黏貼玻璃片，通過檢查玻璃片是否開裂，判斷襯砌變形是否過大。

表1 監測項目、儀器、監測頻率及控制標準

圖5 測點斷面布置示

圖6 現場安裝照片

2.4 數據分析

2.4.1 下穿地鐵監測項目

2019 年4 月1 日儀器安裝完畢，開始對運營公路隧道進行自動化監測數據采集工作。 4 月3 日盾構從地鐵隧道右線影響段邊界（樁號右SDK0+800）開挖，至4 月7 日地鐵隧道右線已完成對運營隧道的下穿。11 月4 日盾構從地鐵隧道左線影響段邊界（樁號左SDK0+875）開挖，至4 月7 日地鐵隧道左線已完成對運營隧道的下穿。

Y19+395 斷面的拱頂沉降累計值-時間關系曲線見圖7。 從圖7 可知，監測期間內，監測數據最大值為0.30 mm， 最小值為-0.63 mm， 且大部分數據在-0.40～0.20 mm，整個曲線變化趨勢平穩，無明顯波動跡象，能保證隧道結構的安全與穩定。

圖7 下穿地鐵項目YK19+395 拱頂沉降累計值-時間關系曲線

2.4.2 上跨高鐵項目

2018 年11 月11 日儀器安裝完畢，開始對運營公路隧道進行自動化監測數據采集工作（裂縫計為2019 年3 月12 日安裝）。2018 年11 月-2019 年2 月中旬，對隧道拱頂上覆巖層進行開挖，開挖深度為14 m，距離拱頂10 m 尚未開挖。 2019 年2 月中旬-2019 年4 月中旬，采用人工挖孔樁跳躍式開挖中部錨固樁，開挖最大深度為28 m。 2019 年12 月20日-2020 年2 月23 日， 對運營隧道左洞剩余上覆巖層進行清除；2020 年2 月24 日-3 月1 日將左洞交叉影響段的二襯拆除。 之后進行支護鋼筋拆除及重新澆筑、加固二襯作業。

YK19+285 斷面的拱頂沉降累計值-時間曲線和拱頂沉降日變化曲線見圖8、9。 從圖中可知，2018 年11 月11 日-2019 年12 月20 日，曲線變化趨勢平穩，無明顯波動跡象，意味著開挖14 m 上覆巖層及開挖中部錨固樁對運營隧道結構安全與穩定的影響不大，完全在可控范圍內。 在2019 年12 月20 日對隧道左洞剩余上覆巖層進行清除后，拱頂沉降速率立即增大，當日沉降速率為0.12 mm/d，次日達到了0.84 mm/d，并在2019 年12 月25 日達到最大值1.15 mm/d，超過了施工控制標準。 沉降累計值曲線呈上行趨勢，由2019 年12 月20 日的3.64 mm陡增到2020 年2 月21 日的8.91 mm， 沉降累計值在這2 個月的增加幅度遠遠大于其他12 個月的累計值。

圖8 上跨高鐵項目YK19+285 拱頂沉降累計值-時間關系曲線

圖9 上跨高鐵項目YK19+285 拱頂沉降日變化速率曲線

為進一步分析施工對運營隧道的影響， 圖10、11 分別給出了YK19+285 斷面的周邊位移累計值-時間關系曲線及靠近YK19+285 的3# 測點襯砌裂縫寬度累計值-時間關系曲線。 從圖10 可知，周邊位移累計值-時間關系曲線在2019 年12 月31 日出現拐點，此時僅為5.9 mm，至2020 年3 月3 日，周邊位移累計值達到19.3 mm，臨近控制標準值，前后增幅為13.4 mm，是其余時間段位移累計值的2 倍多。 圖11 顯示了在該施工階段內，裂縫進一步被拉寬，變化了0.15 mm，寬度達到了0.9 mm，說明該階段施工對隧道結構變形具有顯著影響。

圖10 上跨高鐵項目YK19+285 周邊位移累計值-時間關系曲線

圖11 3# 測點襯砌裂縫寬度累計值-時間關系曲線

綜合上述分析結果，為保證運營隧道的結構安全及右洞車輛通行安全，監測單位和施工單位進行了預警處理并采取應急措施。

3 應急措施

3.1 監測單位

監測單位采取了如下措施： ①經多方數據核實，確認是施工導致隧道結構變形較大后，第一時間將監測結果匯報至有關單位， 并出具預警單；②提高數據分析頻率， 不僅關注0 點左右的數據，并查看其他時間點的數據， 密切關注變形發展過程，預測其變化趨勢；③加強隧道內巡查，由一日一巡查提高到一日兩巡查。

3.2 施工單位

施工單位采取了如下措施：①通知技術人員啟動應急預案，暫停施工作業；②組織相關人員進行現場勘查并對變形較大的區域進行加密觀察；③在變形較大的區域采取保護措施；④及時接收、查看每日反饋數據，待隧道變形穩定后，再酌情恢復作業。

上述措施有效地控制了隧道變形，拱頂沉降累計值在2020 年2 年21 日后出現回落，周邊位移和裂縫寬度變化曲線也趨于穩定， 防止了危險的發生，為后續施工順利開展打下了良好的基礎。

4 結論

（1）通過自動化監測，可以及時、準確地掌握隧道的變形情況，指導施工，達到施工全過程的實時動態控制，從而保證施工安全及既有公路隧道的安全運營，具有實時化、自動化、高精度等特點，有較好的工程應用價值。

（2）受多種因素的影響，采用單一的自動化監測技術往往誤差較大， 會造成監測結果的誤判，而自動化綜合監測技術可以借助監測結果的相互驗證，提高監測結果的準確性。

（3）對比各類監測項目數據曲線走勢圖，在拐點、上行線、下行線都有一定的一致性，與施工情況較為符合，說明監測結果的可信程度較高，可為工程施工提供指導。

（4）受溫差的影響，靜力水準儀在白天、夜晚采集的結果有一定的差異，監測過程中應盡量采用夜晚所采集的數據進行分析， 或通過溫度修正系數、水管外層包裹隔熱層等方式減小溫度的影響。

（5）本次工程實例在數據預警時及時采取了有效的預防措施，避免了危險的發生，保證了施工的安全開展，可為類似工程提供借鑒。