山嶺隧道施工監測技術實踐及預警管理

陳小雄

(湖北交通職業技術學院，武漢 430079)

0 引言

隧道施工監控量測的目的在于評價施作初期支護后圍巖的穩定狀態，以便確定進一步的施工措施。而監測過程的控制是提供可靠數據的必要前提，只有對有效數據的統計分析才能得出可信的結論，進而提供準確、及時的反饋信息，尤其是危險預警。但目前多數研究集中在對圍巖的力學行為分析和監測數據的統計分析方面，如:文獻［1］監測并分析了土質淺埋隧道CRD法施工中隔壁變形;文獻［2］研究了黃土隧道地表塌陷原因分析與施工對策;文獻［3］研究了隧道圍巖大變形信息化施工;文獻［4］研究了炭質板巖地層大斷面隧道變形控制施工技術;文獻［5］研究了新蜀河隧道炭質片巖大變形控制技術;文獻［6］分析了隧道洞口圍巖穩定性變形的非線性回歸;文獻［7］探討了隧道監控量測的數據回歸分析;文獻［8］對不同基坑施工引起的圍護結構變形及建筑物沉降進行了對比分析。少數研究涉及監測管理系統的設計與開發，如文獻［9］設計開發了隧道監控量測數據分析與管理系統。未見研究監測過程控制及數據有效性分析。為了保證監測數據的可靠，開展監測過程控制的研究，尋求控制方法和準則，本文分析監測工作中存在的問題，進行監測過程控制的研究，提出結合工況進行監測過程控制的方法和數據判讀實例，報告監測過程控制的準則和技術要領。

1 工程概況

1．1 工程背景

十白高速公路是國家規劃的“7918”網中東西向橫線之一——福州至銀川高速公路十天聯絡線(編號為G7011)途經湖北西北部的一段。路線位于湖北省西北部的十堰市境內，與316國道和襄渝鐵路并行，全長58．398 km，設計速度80 km/h，設計年限為20 a。其中長度大于2 000m的隧道5座(共10 150 m)，長2 000 m以下的隧道32座(共12 220 m)。

十白高速公路隧道施工監控量測第三合同段共負責雙洞11座隧道的施工監測工作。隧道單洞總長度為16．245 km，其中最長的花石溝隧道全長2×2 161 m。宋家灣隧道和鮑家店隧道為雙連拱隧道，董家灣隧道為小凈距隧道，其他均為分離式隧道。

1．2 區域地質評價

本合同段內隧道多位于風化剝蝕中低山、構造剝蝕低中山區，基巖在不同程度上受區域斷裂的影響，存在軟弱破碎巖層。隧道穿越地層以武當山群片巖為主，少量輝綠巖，節理發育，存在不同程度斷層破碎帶，且強度較低，對隧道施工有一定影響。

區域地表水系不發育，主要為大氣降水形成的地表流水及山體溝谷內的季節性流水等，受季節影響變化較大，其自然排泄暢通。降水對隧道洞口邊、仰坡及淺埋段施工有一定影響，對隧道正洞施工影響較小。地下水主要賦存于第四系松散堆積物及基巖裂隙中，處于斜坡地帶，分布不均勻，貯水條件較差，易滲透流失，受大氣降水補給，水量較貧乏，對隧道正洞施工影響較小。勘察區歷史上無大的地震災害記錄，地殼基本穩定。

2 監測工作概況

第三合同段監測的隧道分屬第7～11標共5個土建施工合同段，路線總長31．5 km。其中隧道2×11座，共開辟施工工點14個，開挖作業面28個，分布于316國道黃龍鎮至胡家營鎮區段兩側，區段國道45 km，施工便道總長35 km。

第三合同段隧道監測工作計劃任務包括必測項目:洞內拱頂下沉及水平收斂監測斷面426個，地表下沉監測斷面153個，仰拱隆起監測斷面63個。選測項目共4個:圍巖壓力監測2個，圍巖內位移監測1個，爆破震動監測1個。

本合同段隧道圍巖級別及監測斷面數量統計見表1。

表1 隧道圍巖級別及監測斷面數量統計表Table 1 Grades of surrounding rocks of tunnel and number of monitoring cross-sections

其中，需要重點監測的Ⅴ級和Ⅳ級圍巖區段長度合計10 470 m，占隧道總長度的64．4%。需要重點監測的還包括加寬帶、車行橫洞附近區段。在實際工作中還會由于圍巖級別的變更，增加重點監測工作量。預計施工中可能出現大變形、滑塌以及支護開裂等問題。要特別注意的是，十白高速公路行經區域道路工程施工中都曾發生過隧道塌方事故。

在圍巖破碎，穩定性差的條件下，施工多采用臺階法開挖，工序多，且轉換頻繁，監測時機難以掌控(如遇隧道出碴或噴漿作業時就不能進行監測作業，需要等待或推遲)，不僅會耗費大量工作時間，更重要的是不能及時對圍巖穩定狀態進行評估。而一旦現場監測不及時、數據判讀不準確，就不能及時發出警報，繼而耽誤搶險加固處治時機，失去量測監控的預警作用。

3 圍巖變形監測預警管理

《隧道監控量測和超前地質預報實施細則》一般要求:隧道施工監測應采用精密測量方法，以確保量測數據準確。同時規定允許值、警戒值(允許值的2/3)、基準值(允許值的1/3)應滿足以下要求:

1)拱頂下沉、水平收斂允許值。正洞Ⅴ級圍巖100 mm、Ⅳ級圍巖70mm、Ⅲ級圍巖40mm;緊急停車帶Ⅳ級圍巖100 mm、Ⅲ級圍巖70 mm。

2)仰拱隆起。允許值為30 mm，警戒值為20 mm，基準值為10 mm。

3)地表沉降。允許值為50 mm，警戒值為30 mm，基準值為20 mm。

監控量測預警應實行三級管理，具體要求如下:

1)達到或超過允許值，應作Ⅰ級報警。當施工中出現下列情況之一時，也應采取Ⅰ級管理:①變形速率，拱頂沉降連續5 d超過30 mm/d，連續4 d超過40 mm/d，連續3 d超過50 mm/d，且呈加速趨勢;②量測值發生突變;③初期支護或二次襯砌有較大開裂，裂紋寬度達到5mm;④洞口地表出現開裂、坍塌;⑤洞內圍巖壓力有明顯異常;⑥時態曲線長時間沒有變緩的趨勢。

2)達到或超過警戒值應作Ⅱ級報警。

3)達到或超過允許值應作Ⅲ級報警(一般作口頭報警)。

4)在允許值的1/3以下，可正常施工。

也就是說，圍巖變形監測應該配置精密水準儀、專用收斂計等測量儀器，并建立獨立的監測網，包括基點、測點、測程。

4 監測工作中存在的問題

在實際監測工作中發現主要存在測量精度和工作成效2個問題。這2個問題同時又是直接相關的。具體表現在:

1)由上述可知，隧道圍巖變形監測值的變化幅度在0～20/100 mm，也就是說，在儀器誤差影響條件下，如果能監測到20～100mm的量值變化，就可以視為有效觀測。但《隧道監控量測實施細則》要求的精密水準儀、鋼尺收斂計的測量精度都超過實際被測量值變化幅度的2～3個數量級，而且儀器精度越高，操作和實測過程越繁鎖、費時，工作效率越低，因此選用高精度的測量儀器的實際意義并不大。

2)一般Ⅴ級和Ⅳ級圍巖區段多采用臺階法開挖，拱頂下沉監測需要將銦鋼尺掛在拱頂的測點上(鋼筋鉤)，不僅掛設很困難，而且由于銦鋼尺僅2 m或3 m長，在隧道內高度超過2．5 m的開挖臺階上下，不能在一站使前后視尺子同時進入儀器水平視線，也不便設置轉站，因此無法傳遞高程。如果在前視拱頂測點上掛設鋼卷尺，后視配5 m鋁合金塔尺，雖然能解決上述問題，但由于尺子的原因，即使用高精度水準儀，也得不到高精度觀測結果，而且鋼卷尺的掛設也同樣比較困難。鋼尺數顯收斂計雖然操作并不困難，但經常因開挖工作臺架阻擋而延誤觀測時機，尤其是監測點掛鉤極易受損而造成數據不連續。

3)臺階法開挖施工過程比較復雜，其施工工序至少包括上半斷面開挖及支護、下半斷面左側開挖及支護、下半斷面右側開挖及支護、落底及支護(仰拱封閉)。多工序作業導致圍巖變形過程的復雜，因此僅根據單純的變形觀測數據是不能做出準確判斷的，需要結合實際工況進行分析。

4)Ⅴ級和Ⅳ級圍巖是圍巖變形監測的重點區段，要選用精度適當、簡便易行、行之有效、重點突出的監測儀器和監測方法。否則就可能顧此失彼，抓不住重點，喪失監測工作的作用。

5 圍巖變形監測準則與技術要求

5．1 監測工作的基本準則

隧道施工監測工作不僅要依靠適當的測量技術，還必須充分了解施工過程、充分認識圍巖變形發展規律、努力提高工作效率，才能及時掌握圍巖變形量、準確判斷發展趨勢、有效發出危險警報，并發揮站崗放哨的作用。一般應遵循以下幾點原則:

1)監測儀器要簡便實用，尤其要適用于隧道洞內施工環境;

2)監測儀器的精度要適當，只要能反映出被測量值的變化幅度即可，不用片面追求高精度;

3)監測方法和過程要適宜，尤其要與隧道施工方法和施工過程相適應;

4)對觀測數據整理要及時，尤其是地質不良區段、加寬區段、橫洞區段;

5)對觀測數據判讀要準確，尤其要與施工工序轉換過程相對應、與實際征兆相對應。

實際工作中對應制定了基點聯測制度、檢核避錯制度、及時觀測制度、現場計算制度、精細操作制度和內業準備制度。

5．2 施工過程觀察及配合

在Ⅴ級和Ⅳ級圍巖區段，由于臺階法開挖施工的多工序轉換，致使圍巖應力的多次重分布，表現為變形過程的復雜多變，給監測工作和動態判讀帶來困難。在此條件下，只有充分了解施工過程，才能有針對性地實施監測，提高監測功效。

觀察發現，實際上一部分隧道施工采用長臺階法開挖，其具體過程是:上半斷面掘進循環進尺1～3 m，上半斷面開挖約4 h—通風排煙找頂約1 h—出渣及二次找頂約3 h—拱部初期支護4 h(在這個過程中，上半斷面掘進20～60 m，約需20個循環、歷時240 h，共10 d)—開挖下半斷面和落底，下半斷面掘進循環進尺2～4 m，左側開挖及支護約4 h—右側開挖及支護約4 h—落底及仰拱約4h(約需10～15個循環，歷時120～180 h，共5 ～7．5 d)。

期間需要設置1～2個監測斷面。若初期支護合理，則圍巖變形應經歷2個“加速-減速”階段性過程，并趨于穩定，否則趨于不穩定。

因此，監測的實施過程必須與圍巖變形過程相配合，才能實時反映圍巖變形量、變形速度及變形加速度，為判斷圍巖穩定狀態提供依據。這種過程性配合應包括監測頻率、監測時機和監測期間的全面配合。

5．3 測量儀器精度要求

為了滿足檢測工作要求，考察和比較了可用于圍巖變形監測2類儀器不同型號的精度，并對其使用性能的適宜性作出了初步評價，見表2。

表2 不同型號儀器的精度比較Table 2 Comparison and contrast among different monitoring instruments and devices in terms of precision

5．4 測點和基準點的建立要求

隧道施工期間，洞內光線、噪聲、震動、煙塵、濕熱以及空間狹小等環境條件，對監測工作有著明顯影響，且采用普通精度的測量儀器和方法。要保證監測結果準確，除遵循測量技術基本要求外，還要求視距不能太長、測站數不能太多，測點要牢固且便于保護、基點更要穩定。具體要求:

1)基點離監測斷面不宜太遠，一般要求視距不超過30 m、單程測站不超過2站。

2)測點用φ8 mm鋼筋加工成135°彎勾，焊接在鋼拱架外露于噴射混凝土外10～15cm，同時要求保證初期支護背后與圍巖密貼;測點做好后應立即用紅色噴漆作出標記，并記錄斷面樁號;測點上嚴禁懸掛物品。

3)基點必須建立在已做好的隧底填充層上，穩定、不被擾動又便于觀測的位置;也可直接共用施工控制測量基點作為監測基點。

4)當監測斷面離基點較遠時，可在臺階上設立臨時轉點，但必須與永久基點聯測。

5．5 拱頂下沉測量要求

采用DSC132水準儀+普通標尺進行拱頂下沉測量時，需遵循以下要求:

1)及時觀測。新建拱頂下沉監測斷面應及時測取初始值。一般應在該斷面所在區段作業循環時間內完成，最遲也應在下一作業循環的爆破開挖之前完成。

2)基點聯測。新建監測斷面拱頂下沉初始值觀測時，必須將監測基點與最近的施工控制測量基點聯測，以便于遭到破壞后及時恢復。此后一周再聯測一次;若發現變形值接近Ⅱ級警戒值或Ⅰ級警戒值時應立即聯測。

3)檢核避錯。初始值觀測和基點聯測，必須采用雙儀高法或往返測量，并檢查監測基點標高、校正拱頂下沉量值。在洞口Ⅴ級圍巖區段，監測基點標高校正值，可視為仰拱隆起或下沉量。

4)現場計算。現場監測工作中，應盡量做到現場計算、現場檢核，并評價觀測結果的可靠度，及時判讀監測值是否達到警戒值。

5)精細操作。包括立(掛)尺子、立腳架、架儀器、照明、瞄準、讀數等各項操作，都必須做到操作無誤、有條不紊、配合協調。

6)內業準備。所有需要內業整理的觀測數據、觀察記錄，都必須當天整理完成;并為第2天做好各項準備，如儀器、工具、記錄本、計算器等。

5．6 水平收斂測量要求

采用手持式激光測距儀進行水平收斂測量時，需遵循以下要求:

1)上半斷面開挖并施作拱部初期支護后，應及時測取拱部水平收斂初始值。一般應在本次作業循環時間內完成，最遲也應在下一個作業循環的開挖之前完成。

2)下半斷面開挖并施作墻部初期支護后，應及時測取墻部水平收斂初始值。一般應在本次作業循環時間內完成，最遲也應在下一個作業循環的開挖之前完成。

3)下半斷面開挖后，上半斷面水平收斂應繼續觀測1～2次，并同時觀察初期支護拱腳與墻部連接是否出現開裂、起鼓等現象。若發現開裂、起鼓等現象，應繼續拱部水平收斂監測。

4)水平收斂初始值觀測時，必須至少觀測3次，較差不超過1 mm，取平均值。

5)水平收斂監測(一側)基點可用鋼筋頭埋設于初期支護噴射混凝土中，外露1～3 cm，或者用射釘槍將鋼釘訂設在噴射混凝土中;(另一側)測點可用反光片粘貼于初期支護噴射混凝土面上，或者將噴射混凝土面磨光后劃線標記(為測點)。

6)利用水準儀基座與手持式激光測距儀組合使用，即可以實現定位和定向(將手持式激光測距儀固定在水準儀基座上，將一個腳螺旋安置在測點D上，利用另外2個腳螺旋調整激光束方向使之瞄準測點E)。

6 圍巖變形監測數據評價與判讀

在實際監測工作中，如何通過采用觀察、觀測、分析等手段，對圍巖穩定狀態及變形發展趨勢作出正確判斷并及時發出警報，是監測工作的重要內容之一，更是終極技術目的。為此，既要解決好對監測數據的評價，又要解決好監測數據與實際現象的對照，才能做到準確判讀。

6．1 監測數據評價

一般認為，在隧道施工過程中，圍巖變形量及其發展過程是可以觀測到的。并進而認為:觀測到的數據屬于離散數據，應當可以應用數理統計分析技術，得到理想的典型曲線，見圖1。對其進行分析、評價和判讀，從而找出數據群反映出來的某種現象及規律。

圖1 理想的典型歷時曲線Fig．1 Typical curve of deformation VS time

然而，實踐表明:在實際隧道施工過程中觀測到的圍巖變形量數據的離散度很大，無論是采用二元回歸還是高階分析，都很難得到理想的典型曲線，見圖2—4。分析其原因是圍巖變形不是一個簡單過程，而是一個受多種因素影響的復雜過程。

影響圍巖變形過程的主要因素主要有3方面:1)圍巖的非均質性和地應力的非均布性，使圍巖的變形不可能呈現出一個簡單的規律;2)施工過程的多變，必然使圍巖的變形產生較大的波動;3)支護質量的不穩定，更加劇了圍巖變形數據的離散。而觀測數據中也必然包含有誤差甚至是錯誤。

6．2 結合工況數據判讀

將數理統計技術和方法應用于隧道施工監測工作中時，如果不將數據與施工過程中的實際現象進行對照分析，就難以對圍巖穩定狀態和變形動態發展趨勢作出準確和有效的判斷。盡管得到的是一些非典型曲線，但仍然可以從中找到圍巖變形的特征性要素，能夠幫助判斷圍巖穩定狀態及其發展趨勢。

現代隧道工程理論分析表明:在隧道施工過程中，因開挖-支護的交替作用，使圍巖內發生應力重分布，表現為圍巖變形(或者圍巖加支護協調變形)。其中，開挖是解除約束，會使圍巖變形加速;而支護是增加約束，會使圍巖變形減緩。具體到臺階法開挖施工過程中表現為:上半斷面開挖后，圍巖變形量有一個突增過程，支護后則應減緩;下半斷面左側(或右側)開挖后，圍巖變形量有一個突增過程，支護后則應減緩;落底后，圍巖變形量有一個突增過程，仰拱封閉后則應顯著減緩。

本項目已完成的338個斷面(多數在Ⅴ級和Ⅳ級圍巖區段，臺階法開挖)監測數據顯示:絕大多數斷面事實上趨于穩定狀態的監測數據，雖然不能呈現理想的典型曲線，但卻顯示出圍巖趨向穩定的特征性要素，即變形量累計值不超過警戒值、變形速度先加后減，見圖2和圖3，成為判斷圍巖趨于穩定的重要參考(其中圖2顯示在下半斷面開挖之前幾天，出現一個短暫的拱頂上抬過程，結合實際判斷為側向擠壓所致;圖3汪家溝隧道ZK30+044斷面在8月10日—12日，出現多次拱頂上抬，結合實際判斷為炮震引起)。

而少數斷面(7個)事實上趨于不穩定狀態的監測數據，根本不能呈現理想的典型曲線，但卻顯示出圍巖趨向失穩的特征性要素，即變形量累計值超過警戒值、變形速度持續居高，見圖4，成為判斷圍巖趨于失穩的重要參考。這些判斷正好契合了現代隧道工程理論分析和實際施工過程。

此外注意到:有些斷面在初期支護施作后，圍巖變形速度曲線卻并沒有及時出現拐點。洞內觀察發現其主要原因是初期支護的拱腳支墊不夠密實穩固、鎖腳錨桿數量不足或安裝不規范。而那些趨于不穩定狀態的斷面，也必然產生初期支護開裂、錯臺、起鼓、脫落、擠入等破壞現象。這些質量問題和破壞現象，是判斷圍巖變形發展趨勢更為直觀和必不可少的依據。

7 結論與建議

1)在監測工作實踐中，只有解決好對監測過程的有效控制，同時解決好監測數據與實際現象的對照，才能保證預警的準確、及時。這是監測工作的基本準則。

2)在保證合理的人員、設備投入的前提條件下，執行基點聯測、檢核避錯等6項監測工作制度，是保證獲得可信的監測數據的有效途徑。

3)在保證能有效觀測到圍巖變形量波動值的前提條件下，適當降低監測儀器的精度要求，并采取與施工過程密切配合的施測方法，能顯著提高監測效率。

但測點及塔尺掛鉤、塔尺接頭、手持式激光測距儀的定向裝置的技術設計問題，還有待與儀器設備供應廠商合作研究開發，以保證將此類偶然誤差對觀測值的影響控制在最低程度。在實際工作中，還需考慮如何對監測人員進行有效的技術培訓，以保證將人為偶然誤差對觀測值的影響控制在最低程度。

深入研究監測的技術方法、儀器精度等與監測數據之間的關系，研究監測數據與施工過程之間的關系，不僅可以指導監測技術的改進和儀器設備的研發，更可以為隧道施工提供有效的安全預警和過程調控依據。

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