隧道工程施工監控量測技術的應用

朱梅林

摘 要：本文結合某隧道施工實例對其中的斷面監控量測技術加以闡述，以小波分析對實際監測數據做處理，不會讓隨機誤差帶來波動，了解了隧道圍巖的具體變形規律，是分析隧道穩定性的可靠依據。

關鍵詞：監控量測;小波分析;大斷面隧道

1 工程概況

某坡度為4‰、長7 238 m的直線下坡隧道，屬于大斷面雙線隧道，斷面尺寸為1 478*1 246。隧道所在地是一處低山丘陵，地表可見明顯起伏，埋深可達376 m。地表覆蓋物厚度基本控制在0 m～2.00 m 之間，土層依次分別是第四系統風積層全新統坡粉質粘土、上一系統風積層松軟粘土以及成都黏土。隧道的洞身依次貫通和穿越侏羅系中的統上沙溪廟組、上部和下部的統遂寧組泥巖和砂石夾雜的變質巖，圍巖內部存在著很多被破碎的巖體，強度較弱，自穩定性不好。隧道位于 dk23+369與臥龍寺方向斜交，與斷層位于 dk22+524相交，350 m 厚的一條破碎地帶;在工程開挖過程中，地層出現了較大的產狀和變動。多處容易產生沖擊性的突涌洪水，如向斜核段、斷層破碎帶、砂泥巖連接帶。隧區內現有的地下水主要包括基巖裂隙水和第四系土層的孔隙潛水，含硫酸鹽，具H1～H2等級的侵蝕性;地表水不發育。

隧道圍巖當中20.5%為Ⅲ級圍巖，長1 485 m;64.1%為Ⅳ級圍巖，長4 665 m;15.4%為Ⅴ級圍巖長1 108 m，且存在不良地質與部分特殊地質，其施工方法包括預留核心土上中下三臺階與上下臺階法等。施工重點、難點包括：1）開挖進出口淺埋段時可能帶來不良影響;2）撐子的地面表層很有可能發生風化而剝落或者崩潰;3）自順層與斷層的破碎地帶的穿越;4）斷層的破碎地區與巖溶段中常見的突泥、突水問題。故而當前在該段隧道的施工過程中，監控和量測也是一個必要的環節。

2 監測方案

2.1 監測作用與意義

在隧道施工全程實施監測，及時、準確的向甲方反饋信息，作為判斷隧道工程在施工全程安全性的依據，并及時無誤地預報隱患、事故，以便即刻采取可靠措施，杜絕事故發生，并為設計與施工提供指導，達到“設計動態化、施工信息化”的狀態。故而，在進行隧道建設施工期間，監控量測被認為是一項基本的工作，其主要目的有：1）通過借助于監控量測可以了解到隧道施工過程中的范圍巖強度和變化情況，掌握它們對于施工所能帶來的影響及哪些問題存在于薄弱環節，會不會出現失穩;2）可以借助于監控的量測方法了解各種支護結構的承載受力狀態與其變形情況，并進行評價;3）借助監控量測獲悉施工方法的具體效果，實現安全施工;4）評價施工方法是否適用，并即刻加以反饋，對施工、支護參數做出相應調整;5）借助監控量測，獲取大量數據資料，作為隧道施工、設計及修改規范的依據。

2.2 監測方案

監測的內容主要包括：1）孔內外溫度變動情況;2）拱形壩頂下沉;3）切割機的開挖斷面大小;4）孔洞處地表沉降;5）周圍位移。本文主要關注的研究領域為洞內外地質觀察、周圍位移和拱頂沉降資料，具體內容包括：1）洞內外的地質和支護工程狀態的觀察。洞內設置了掌子面和支護結構，借助于對圍巖的地質狀況以及針對性的支護結構進行了詳細描繪，對圍巖作了一個合理的區域劃分，并對圍巖的穩定性作出合理的評估;觀察支護結構內的錨桿、噴砼、鋼架等施工情況;洞外是否有地表的狀態，地表上是否有出現沉陷，邊坡和仰斜度是否平整，地表水是否有滲透等等;2）拱頂下沉。拱頂下沉的測量，需要將其凈空收斂斷面和拱頂下沉的中心線布置在相同的位置上，國內在進行拱頂下沉的斷面測量時最為常見的方式就是在其中間布置一個檢測點，位置則應該選擇在拱頂的中心。中鐵西南科學研究院有限公司從許多隧道建筑工程的測量和實踐中可以發現，若能夠在距離隧道拱頂中心和左右2.5 m 高度的拱腰線上各增設一個檢測點，能達到更好的監測效果;3）周圍位移。在確定的斷面進行開挖、初噴1 d 內，分別在隧道外部，左、右邊墻位置上埋設測樁。測量方法中所需要選擇的精度監測測量方法主要是一種測量精度相對較高的精度水平基準曲線精度監測測量方法，同時展開溫度修正。該監測設備所選用的是SWJ-Ⅳ收斂計。

3 監測數據的具體分析與處理

3.1 洞內掌子面與支護結構、洞外地表、邊坡、仰坡的信息處理與分析

隧道進口端DK23+240～DK23+340區域支護撐子表面基本都是以砂巖為主，偶爾會有夾雜性的泥巖，巖體總是呈現層狀，屬Ⅳ級圍巖，存在著一種發育明顯的軟弱夾層和地下水，圍巖的狀態比較穩定，與其他勘探成果基本吻合。范圍內上部和下臺階左側的拱腳、壩身和拱腰均有滲出的裂隙水，撐子表面始終保持濕潤，同時裂隙中還可能存在少量的泥巖，會在遇水后軟化。為了盡量避免支護結構發生突變，需要采取一些相應的措施，如弱爆破、短時間進尺、排出淤泥和積水、即刻支護等。

3.2 位移數據的處理分析

現場監測得到的隧道相關數據難免包含一定的隨機誤差，故而數據難免會呈忽上忽下的鋸齒波動狀，若是不對所得數據做適當的處理，就無法從中確定各監測對象的具體參數大小，更無法找到其變化趨勢。引入灰色預測模型，借助小波去噪法將檢測數據中的誤差成功消除的同時，還能讓重要數據不會由于突變而發生信息丟失現象。

去噪處理步驟為：1）本文選擇db4進行去噪處理。展開分解時，若分解層數不足，誤差就不能被徹底消除;但是分解太多層，又會拖慢計算速度;當分解層數達到一定大小時，去噪后的監測數據就不會再發生變化。通常來說分解到3層，基本就能符合處理要求;2）確定閾值大小時，要以能將弱小的有用信號從高頻信息中完整的提取出來為目標，必須保證有用的高頻信號不會被誤消除;3）打開matlab7軟件，運行小波基函數db4，做3層分解，并編制相應的程序展開小波分析。

本次監測的斷面位置為Ⅳ級圍巖，量測的數據經過一個小波去噪后，變化主要表現在兩個階段：2020年5月15日-5月25日，時態曲線發生了波動，這可能是由于臺階開挖所帶來的變形;2020年6月13日-7月5日，時態曲線當中的累積值明顯上升，速率、加快度也都出現了波動，同樣可能是因為臺階式開挖所帶來的變形;但是監測30天后，數據的累計值卻非常穩定，而且速率、加快了也降到0。小波除噪能基本地保留了因為施工或者是由于外界環境的波動而帶來的大量監測數據變化，得到的監控數據更加地接近周圍巖石變化的現象和真實規律，將其具體變形規律呈現出來。以及微小波噪聲分析法針對100～300米范圍內的各個拱形斷面拱頂進行分析監測數據集并展開了二次去噪聲化處理，將監測拱頂高度下沉、凈空時間收斂的拱形曲線圖數據進行分析繪制。

4 結語

從對于大斷面隧道建設工程所需要進行的監測量測方法研究實踐中，獲得的結論如下：1）監測數據經過小波去噪處理后，基本可將隨機誤差徹底消除，并可將施工影響與環境帶來的變化完好的保留下來，能呈現隧道工程的圍巖變形規律出來，對隧道穩定性情況做出準確評價，并預判發展趨勢;2）可以借助于監測量檢，能夠深入地了解周圍巖石在施工過程中的溫度變動狀態，對于薄弱環節進行一些重點的監測，讓整個工程順利進行;3）借助監控量測，能了解支護結構情況;4）借助監測量測，能科學調整施工參數，為設計與施工的優化提供依據，為接下來的工程提供數據基礎。

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