高速公路隧道施工監控量測技術研究

劉 先 王 鵬

四川沿江宜金高速公路有限公司 四川 成都 610000

1 引言

現代高速公路隧道的設計與施工中，監控量測技術是保證項目成功的關鍵因素。隧道工程的復雜性要求工程師能夠準確地理解地質條件，監控施工過程中的各種變量，并對可能的風險進行預測和管理。隨著技術的進步，一系列先進的監控量測技術被開發和應用，從基礎的地質預測到復雜的實時監測系統，這些技術提高了工程決策的準確性，減少了不確定性，確保了施工過程的安全性和效率。

2 高速公路隧道施工分析

2.1 高速公路隧道的類型和結構特點

高速公路隧道通常分為幾種類型，包括巖石隧道、土質隧道和水下隧道。每種類型的隧道都有其獨特的結構特點和施工要求。巖石隧道多數貫穿于堅硬的巖石中，主要特點是穩定性高，但在施工過程中可能需要爆破或鉆掘。巖石隧道通常需要較少的支撐結構，因為巖石本身具有較好的自承能力。土質隧道多建于松軟或疏松的土質中，隧道的支撐和穩固尤為重要，以防止坍塌。常見的支撐結構包括預制混凝土襯砌、噴錨支護等[1]。水下隧道是一種特殊類型的隧道，建造在水體下方，如河底或海底，水下隧道面臨的最大挑戰是防水和承受水壓，常用的施工方法包括沉管法和盾構法。

2.2 隧道施工的常見方法和工藝

隧道施工的方法和工藝多種多樣，但主要可以分為兩類：傳統方法和現代方法。傳統方法包括鉆爆法和手工鑿巖法。鉆爆法是一種常見的巖石隧道開挖方法，通過鉆孔和爆破來破碎巖石；手工鑿巖法則主要用于土質較軟或巖石較脆弱的隧道，施工速度較慢，但對周圍環境的影響較小。現代隧道施工技術主要包括盾構法和TBM（隧道掘進機）。盾構法適用于各種土質和巖石條件，特別是在城市地下施工中廣泛應用；TBM是一種高效的隧道開挖設備，能在固定的軌道上自動推進，同時進行開挖、支撐和襯砌作業。

3 監控量測技術分類

3.1 地表位移監測技術

地表位移監測技術是地質學和土木工程中的關鍵技術，用于精確測量和分析地表或土體的移動和變形，在建筑施工、地質災害監測、礦山開采等多個領域發揮著至關重要的作用。地表位移監測可分為幾種主要類型，包括地表總站測量、GPS測量、InSAR（合成孔徑雷達干涉測量）、激光掃描測量等。地表總站測量使用光學或電子總站儀進行地表位移監測。通過精確測量特定監測點的位置變化，可用于追蹤地表或結構物的微小移動。總站測量精度高，但受到測量距離和氣象條件的影響；全球定位系統（GPS）監測技術利用衛星信號測量地表位移。GPS測量可以提供連續、實時的監測數據，適用于大范圍和遠距離的地表位移監測。然而其精度受到多路徑效應和大氣干擾的影響；合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）是利用雷達衛星圖像來監測地表位移的技術。InSAR可以覆蓋大范圍區域，能夠測量毫米級別的地表變化，適合監測地質災害和長期土地沉降。激光掃描測量，如激光雷達（LiDAR），通過發射激光脈沖并測量其反射時間來確定地表的準確位置。激光掃描測量能提供高分辨率的三維地表數據，適用于復雜地形的監測[2]。

3.2 深部位移和壓力監測技術

深部位移和壓力監測技術是工程和地質學領域的關鍵組成部分，尤其在評估地下工程穩定性和預測自然災害方面發揮著至關重要的作用。這些技術主要用于監測深層土體或巖石中的位移和壓力變化，提供了對地下結構動態行為的深入理解。深部位移監測通常涉及將傳感器深埋于地下，以監控巖土體的移動，而壓力監測則關注于土壤或巖石的應力狀態及其隨時間的變化。深部位移的監測技術主要包括地下位移計、傾斜計和應變計。地下位移計能夠測量沿特定方向的位移量，而傾斜計則用于監測地下結構的傾斜變化；應變計則用于測量巖石或土壤內部的應變，間接推斷位移情況。上述儀器必須具備高度的靈敏度和穩定性，以確保在復雜的地下環境中獲得可靠數據。壓力監測則通過壓力計、應力計和孔隙水壓力計進行，可以測量土壤或巖石內部的應力狀態，包括總體壓力和有效壓力。孔隙水壓力計特別適用于監測土體中的水壓變化，對于評估滑坡和地下水動態等地質災害的風險至關重要。實際應用中，深部位移和壓力監測需要綜合運用多種技術和方法。監測數據的采集通常依賴于先進的數據采集系統和無線傳輸技術，確保實時、準確地收集和傳輸信息[3]。此外，數據解析和模型仿真在深部監測中也扮演著重要角色，能幫助工程師和科學家解釋監測數據，預測未來的地質變化。

3.3 結構健康監測技術

結構健康監測技術是用于評估建筑物、橋梁、隧道等工程結構完整性和性能的技術，通過持續或定期監測結構的物理和化學屬性，能及時發現結構損傷、老化或其他潛在問題，預防災難性的結構失敗。結構健康監測通常包括使用各種傳感器測量結構的振動、應力、應變、溫度和腐蝕等參數。例如，振動傳感器可以檢測由交通或自然因素引起的結構動態響應；應力和應變傳感器則用于監測結構承載能力的變化。此外，為了評估結構的腐蝕程度，電化學傳感器也被廣泛應用于結構健康監測中。結構健康監測技術能提供即時的結構性能數據，通過長期數據積累，利用先進的數據分析和機器學習算法，預測結構的未來性能和壽命，對于制定有效的維護和修復計劃至關重要。結構健康監測技術的應用有助于降低維護成本，延長結構的使用壽命，并確保公共安全。

3.4 遠程和無線監測技術

遠程和無線監測技術在環境監測、工業自動化和災害預警等領域發揮著越來越重要的作用，使得監測工作可以在沒有人工直接介入的情況下進行，特別是在對人員安全構成威脅或難以到達的地區尤為重要。遠程監測通常依賴于各種傳感器網絡，這些傳感器能夠持續收集環境、化學、生物或物理數據，并通過無線網絡發送回中心數據庫或控制中心。無線監測技術的主要優勢是其部署的靈活性和低成本。例如，利用無線傳感器網絡（WSN），可以輕松監測廣闊的農業土地、工業設施或城市基礎設施，傳感器具備低功耗和長期運行的特性，適合于在惡劣環境下持續工作。此外，遠程和無線監測技術還與云計算和物聯網（IoT）緊密結合，能夠實現大規模的數據收集、存儲和分析，為決策提供實時和準確的數據支持。隨著通信技術的發展，遠程和無線監測技術正變得更加高效和可靠，能提供豐富的實時數據，通過預測分析幫助管理人員及時響應潛在的問題和危機，在智慧城市建設、環境保護、災害管理和許多其他領域都有廣泛的應用前景。

4 高速公路隧道施工監控量測技術的應用

4.1 地質預判與風險評估

高速公路隧道施工中，地質預判與風險評估是至關重要的環節。這一過程涉及到對即將施工地區的地質條件進行詳細的分析和預測，旨在識別可能的地質風險，如地下水流、不穩定的巖層、斷層或其他地質異常情況，如果不被提前發現和處理，可能會導致工程延誤、成本增加甚至安全事故。為了有效地進行地質預判和風險評估，通常會采用一系列先進的監控量測技術。例如，地質雷達（GPR）和地震反射法可以用來探測地下結構和識別潛在的地質隱患。此外，鉆孔取樣和地下水位監測也是評估地質條件的常用方法，工程師能夠獲得關于地層結構、巖石類型、地下水條件和其他重要因素的詳細信息[4]。基于這些數據，可以建立詳細的地質模型，并進行風險評估，預測可能的風險，并提出相應的預防措施，包括加固地層、改變施工方案或采用特殊的施工技術。

4.2 施工過程中的實時監測

高速公路隧道施工過程中的實時監測技術是確保工程安全和效率的關鍵，能夠提供關于施工進度、結構穩定性和環境影響的實時數據，使得工程團隊能夠快速響應潛在問題，減少風險和延誤。實時監測技術包括但不限于位移傳感器、應力應變計、傾斜計和地表沉降監測設備。設備安裝在隧道的關鍵位置，可以監測隧道壁的移動和變形和隧道周圍地表的沉降情況。實時數據通過無線傳感網絡傳輸到數據中心，工程師可以利用這些數據進行實時分析和決策，配合人工智能和機器學習算法，可以進一步提高數據分析的效率和準確性，提高隧道施工的安全性和效率，減少了不確定性和潛在的風險。

4.3 隧道襯砌質量的監測

隧道襯砌質量的監測直接影響到隧道的安全性和耐久性。襯砌結構是隧道施工中用于支撐和保護隧道內部的關鍵結構，必須能夠承受地下壓力、地震和其他自然力的作用。為了確保襯砌結構的質量，需要對其進行精確且全面的監測。監測技術通常包括應力應變監測、裂縫監測和滲漏監測。應力應變監測是通過在襯砌結構上安裝應變計來完成的，能夠實時監測襯砌結構的應力和應變狀態，及時發現過度的變形或應力集中，對于防止襯砌結構損壞至關重要。裂縫監測則通過視覺檢查和自動裂縫監測系統來實現，后者可以連續記錄裂縫的寬度和擴展情況。滲漏監測則是通過觀察和記錄襯砌結構表面的滲水情況來進行的，對于確保隧道防水性能和整體結構穩定性非常重要[5]。除傳統的監測方法，現代隧道施工中還普遍使用了高科技監測手段，如激光掃描和地面穿透雷達（GPR），可以提供襯砌結構的詳細三維圖像，幫助工程師更準確地評估襯砌質量和結構完整性。

4.4 環境監測與控制

環境監測與控制旨在確保施工過程中的環境影響最小化，保護工作人員的健康和安全。環境監測主要涉及空氣質量、噪聲、震動等方面的監測。空氣質量監測是監測施工現場中粉塵、有害氣體（如一氧化碳、硫化氫等）和通風情況的重要部分，有助于防止有害氣體在隧道內積聚到危險水平，保障工作人員的健康。噪聲和震動監測則是為了評估施工活動對周圍環境和附近居民的影響，尤其是在城市地區施工時尤為重要。為了有效地進行環境監測與控制，通常會使用一系列先進的監測設備和技術。例如，實時空氣質量監測儀器可以連續追蹤有害氣體的濃度，而噪聲和振動傳感器則能夠精確測量施工活動產生的噪聲和震動水平。數據收集后，通過分析和評估這些數據，可以采取相應的控制措施，如改進通風系統、調整施工方法或采取隔音和減振措施。

4.5 安全預警系統的建立

高速公路隧道施工中，建立有效的安全預警系統至關重要，以確保施工過程中的安全并及時響應潛在危險。安全預警系統的核心在于實時監測施工現場的各種關鍵參數，并在達到預定的安全閾值時發出警報。安全預警系統還包括綜合的數據處理和分析中心，該中心負責收集和分析所有監測數據，并在必要時發出警報。這個系統通常與先進的軟件平臺相結合，利用數據分析和人工智能算法，以提高預警的準確性和效率。通過這種方式，安全預警系統可以及時通知管理人員和工作人員，采取緊急措施以防止事故的發生。

4.6 施工后的長期穩定性評估

高速公路隧道施工完成后，進行長期穩定性評估是確保其安全運營的關鍵環節，旨在監測和分析隧道在投入使用后的性能，包括其結構完整性、抗裂性能和防水性能等。長期穩定性評估涉及到持續的監測和定期檢查，以便及時發現和處理可能出現的問題。為了有效地進行這種評估，通常會在隧道內部和周圍環境中安裝長期監測設備，包括但不限于應變計、傾斜計、裂縫寬度計和地表沉降測量儀，可以持續跟蹤隧道的位移、應力變化和可能出現的裂縫。特別是在地質條件復雜或極端天氣頻繁的區域，這種監測顯得尤為重要。除了物理監測，定期的結構檢查也是長期穩定性評估的重要組成部分，包括結構完整性測試和防水性能評估。必要時，還可以采用非破壞性監測技術，如地面穿透雷達和聲波檢測，以更深入地評估隧道的內部狀態。隨著監測技術和數據分析方法的進步，長期穩定性評估正在變得更加高效和準確，及時發現和修復潛在問題，也對于規劃未來的維護工作和改進設計方案具有重要意義，因此，長期穩定性評估是保障高速公路隧道安全、可靠運營的基礎。

5 結語

總結來說，監控量測技術在高速公路隧道施工中的應用極大地提升了工程的安全性、可靠性和效率。從地質預判到施工過程的實時監測，再到施工后的長期穩定性評估，這些技術的綜合應用確保了隧道工程能夠在復雜多變的環境中順利進行。此外，這些技術的發展和應用不僅對當前的工程項目有著重要意義，也為未來的隧道工程設計和施工提供了寶貴的經驗和數據支持。未來，隨著技術的不斷進步，可以預見監控量測技術將在確保工程安全、提高工程質量以及促進工程可持續發展方面發揮更加重要的作用。