高鐵隧道監控量測技術應用分析

宋慶軍

（北京鐵研建設監理有限責任公司，北京 102628）

0 引言

隨著我國高鐵建設進程的不斷加快，不但為人們出游帶來了方便，也促進了地區之間的經濟和文化交流。然而，在實際施工中，由于跨越的地域范圍較大，部分地段的地質條件較為苛刻，因此需要進行隧道施工，對技術要求極高，施工過程面臨諸多不確定性因素，大大增加了施工安全風險。量測技術不但可以及時給出隧道施工的各種信息，還可以根據參數設計，提出更加合理的實施方案，從而實現安全可靠、快速、節省成本的施工控制。

1 監控量測技術在高鐵隧道施工中應用的重要性

近年來，國內交通運輸基礎設施在經濟發展中起到愈益重要的作用，為區域發展帶來了巨大的效益。國家也加大了對交通設施的投入，高鐵項目不斷增多。中國區域遼闊，地理環境復雜多變，由于地理差異，對量測人員提出了較高的要求。尤其在隧道施工中，技術安全問題更是突出，使得高鐵隧道施工的技術難度大大增加。因為隧道與普通道路施工有顯著的不同，所以，在對隧道的監控中，量測技術的應用尤為重要，精確地控制量測數據能夠為后期施工質量控制、成本管理等提供有效的參考依據。作為一項復雜且不可預測的工程，環境往往非常惡劣，甚至可能導致塌方等眾多事故，不僅會給施工人員和財物帶來巨大的損失，還會危害建筑施工質量和安全。所以，在隧道施工時，必須特別小心謹慎。因此，在高鐵隧道施工中，監控量測技術起著至關重要的作用，可以提供更加精確的量測數據，有效地預測施工中可能出現的問題，從而保證施工質量和安全。

2 工程概況

在某一新建客運專線的設計中，采用雙線的設計方式，實現該區域內外的雙向交流。該高鐵的行駛速度達到250km/h，行駛的路段總長為45.514km，該路段的起始里程為DK329+687.5，終止里程為DK378+178。在這段高鐵上，新建了26 座正線橋隧道，總長22852.8m，其中5 座長度大于1km，總長14407.94m，21 座長度小于1km，總長8444.9m，規劃施工作業面達到22 個。

3 高鐵隧道監控量測的方法

該項目的監控量測儀器與以往有了顯著的改變，不再使用數字攝像機觀測高鐵隧道內外的情況，使用水準儀和鋼卷尺檢測拱頂下降的情況，使用收斂計檢測水平收斂，使用鋼卷尺和一般的水準儀檢測地表下降。

隨著技術進步，傳統的水準儀和鋼卷尺已經不能滿足高精度的檢測需求，因此，全站儀、光電水準儀等數字化儀器正在被廣泛使用[1]。其具備藍牙功能，通過與量測信息管理軟件的手機客戶端連接，實現實時量測和數據上傳，從而提高了工程質量和效率。

4 高鐵隧道監控量測技術的要求

4.1 隧道監控量測項目

根據具體施工圖紙和施工技術的要求，選取必測的量測項目。具體而言，在隧道內外觀察中，需要利用數碼相機、羅盤儀設備進行測量；在拱頂下層，對凈空變化、地表沉降、拱腳下沉、拱腳位移，需要利用全站儀設備進行測量。

4.2 監控量測斷面及測點布置原則

在隧道開挖之前，應該在淺埋和下穿工程的部位，設置地表沉降測點。應當位于隧道內，且不應該位于同一斷面里程內[2]。H0表示隧道埋深；H 表示隧道開挖高度；B 表示隧道開挖深度，由此可以得出地表沉降測量點的縱向間距：在2B＜H0≤2（B+H）時，間距為15m；在B＜H0≤2B 時，間距為10m；在H0≤B 時，間距為5m。

在隧道中點周圍，地表沉降點的橫向水平距離應該在2～5m，以便更好地進行量測。中點兩邊的量測區域應該不低于H0+B，如果有特殊的要求，適當擴大量測距離和量測的范圍。拱頂下沉測點和凈空變動測點應該安排在同一個截面上，在拱頂軸線周圍設置下沉測點是一個合理的選擇，但是當跨度較大時，應根據施工辦法增加測點。

4.3 監控量測頻率

根據表1 中的數據，項目量測的頻率應當有所不同。在考慮到測點距開挖面的距離和位移速度的情況下，應該縮短量測的周期，進而保障量測結果的準確性。在出現異常時，需要加大量測的頻率。

表1 按距開挖面距離和位移速度確定的監控量測頻率

4.4 測點埋設時間的要求

需要對測點進行及時的埋設，以便保證在隧道開挖前，獲得更為精準的地表沉降數據；在復噴混凝土后的2h 之內，需要對凈空收斂和拱頂下沉進行量測，獲取初始數據[3]。

4.4.1 在量測工作開始之前，應當在相鄰隧道斷面里程內，布設地表沉降測點，以便更好地對隧道內的地質情況進行掌握和了解。

4.4.2 在初次噴射混凝土之前，應該在拱頂下方設置凈空變化的點。

4.5 地表沉降量測

地表沉降量測，使用徠卡DNA03 進行。首先，在施工期間，需要在隧道開挖的縱橫方向上，埋設基點，以便能夠展開相互校核。其次，每個基點的埋設需要與地表沉降量測數據一致。最后，把每個基點與鄰近水準點進行聯合測試，以便取得更為精準的數據。

地表沉降量測的要求：

4.5.1 在對儀器設備進行檢查之后，需要避免在測站和標尺出現抖動的情況下進行量測。

4.5.2 量測的時間盡量在同一天內進行。

4.5.3 量測應遵循四固定原則：固定量測人員、固定量測位置、固定量測時間、固定量測順序[4]。對數據進行分析，可以制作位移和時間的關系圖，如圖1所示。只要曲線方向正常，則說明移動隨著施工的推進而逐漸趨于穩定。一旦發現異常情況，如發現反彎點，說明地表下沉并且發生了迅速增長的情況，圍巖和支撐已經不穩固，應立即采取措施。

圖1 位移u 和時間t 的關系曲線圖

當圍巖位移速率不斷下降時（du2/d2t＜0），圍巖趨于穩定狀態；

當圍巖位移速率保持不變時（du2/d2t＝0），圍巖不穩定，應采取支護措施；

當圍巖位移速率不斷上升時（du2/d2t＜0），圍巖進入危險狀態，必須立即停止掘進，加強支護。

4.6 監控量測注意事項

4.6.1 在澆筑混凝土前，應預先布設量測點，并且，需要避開鋼架和脫空之間的回填處，保障測點能夠順利進入圍巖，不能將測點布置在鋼架上。為了保障量測過程的安全性，應盡快完成布設，并采取有效的措施。例如，在支邊墻出現向內塌陷的情況，需要對測點進行保護，避免出現損壞的情況。若測點出現損壞，應當對測點附近進行補埋，從而實現二次數據的收集。測點出現松動的情況，應盡快采取措施緊固，以確保當天的量測結果準確無誤，并在緊固完成后再次讀取初始數據。

4.6.2 在測點布置完畢后，應當用醒目的涂料標記出來，并且嚴禁在測點位置設置任何建筑物。

4.6.3 應將拱頂下沉和地表沉降量監控量測結果與洞內外水準基點建立有效的聯系。

4.6.4 不得弄虛作假，要求各監控量測人員保障數據的準確性，以便能反映出量測現場的真實情況。

4.6.5 為了確保監控量測工作的順利進行，應及時提供必要的條件，減少可能發生的干擾，并將監控量測元件的埋設計劃納入工程施工進度，確保施工過程順利進行。

4.6.6 在使用量測儀器裝備之前和之后，應該經常加以檢測、校對和率定。收斂儀在運行時，應該調整螺栓，使其逆時針旋轉，以確保螺紋不會外露[5]。在應用一段時間后，應該對零加以校準，查看數顯讀數是不是為零，如果出現誤差，則應該加以修正。完成量測工作后，用棉紗清掃粉塵，并要避免鋼尺出現銹化的情況。

5 數據分析和安全性評價

5.1 數據分析處理

可以通過校核、整合和分析對監控量測的數據進行分析，并且清楚地指出挖掘方式、建造工序及其挖掘面與監控量測點之間的距離等信息內容。

5.1.1 數據校核

通過對監控量測數據結果的校核，可以有效地消除和減少各類差錯因素，從而保證數據分析的可信度和完善性。在一次量測后，應立即對結果加以統計、填表制圖、誤差處理等，以保證數據的正確性和可信度，并適時補測。

5.1.2 數據整理

通過對監控量測數據的整合，可以計算出物理量，制作相應的圖表，并將其打印出來，方便分析數據的變化和趨勢，從而更好地掌握移動時間曲線圖或散點圖。

5.1.3 數據分析

通過統計分析，可以應用比較法、作圖法和數字方法等多種方法，如散點圖和回歸分析方法，研究各監控量測物理量值的變化趨勢，從而預測出風險發生的最終值和影響程度區域，從而有效地評價安全性狀態。通過繪制時間－移動和長度的散點圖，結合實際施工具體情況，選取適當的函數通過回歸分析，估計平均值（終點值），并與量測基準值加以對比，以此綜合評價圍巖和支護結構的狀態。

通過監控量測數據分析，可以獲得多種有效的結果：第一，依據監控量測值描繪時態曲線；第二，采用回歸分析方法，估計結果值，并與監控量測基線值加以對比；第三，對圍巖及支撐構件加以評價；第四，適時反饋評價結果，并提供有效的工程技術措施和意見。

5.2 工程安全性評價

工程安全性應按照位移管理等級劃分為3 個級別，并采取相應的工程技術措施。當移動控制到達三級時，應向監控量測隊長、技術主管和場地監理工程師報告；當到達二級時，應向分部工程主任、總工程師和現場施工責任人報告，總工程師結合具體情況向設計師、業主方和建立方提出具體的解決措施；當達到一級時，應當向有關部門匯報，以確保工程的安全性，立即停止施工，并向業主單位匯報情況，以便于采取解決對策。

5.3 工程對策

5.3.1 一般措施

采取有效措施穩固挖掘操作面，優化施工方式，加強初期支護結構的受力能力和剛性，適時進行鉆孔，盡量減少爆破震動的危害，并在圍巖與支撐構件之間進行回填灌漿。

5.3.2 輔助措施

注漿加固和降水等技術是地層預處理的主要技術手段，并且，還需要合理地利用超前支護技術，如管棚支護和錨桿支護等，保障隧道施工的順利進行。

6 結語

綜上所述，在高鐵隧道施工中，會面臨各種技術難題。在具體的施工過程中，需要重視隧道監控量測技術。在施工現場，相關的施工人員需要結合不同的施工條件，在明確量測內容要求的前提下，利用相關的監控量測技術的工具，保障量測數據的準確性，進而使其成為現場施工作業安全、高效開展的指導和依據。