西南地區(qū)山嶺隧道自動化變形監(jiān)測技術的效益分析

羅 昊, 陳宇波, 何 剛, 鄧 飛

(1. 中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039; 2. 中建隧道建設有限公司， 重慶 401320；3. 四川金通工程試驗檢測有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國西南地區(qū)高速公路、高速鐵路和城際軌道等重點工程建設熱潮的到來，該地區(qū)山嶺隧道建設進入了高峰期。變形監(jiān)測是保障山嶺隧道安全建設和成功運營的重要手段[1-2]，目前圍巖變形監(jiān)測技術形式多樣，但可歸納分為人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測2大類。變形監(jiān)測要求應用的技術可連續(xù)、多頻次地及時覆蓋被測目標，獲取變形數據，以供決策[3]。人工監(jiān)測速度慢、效率低、精度受監(jiān)測人員水平影響較大，如今長距離、大斷面、穿越復雜地質段的山嶺隧道工程越來越多，變形監(jiān)測的工作任務十分艱巨，傳統的人工監(jiān)測對這種長距離、大面積、密集點的監(jiān)測對象顯得十分無力[4-5]。

相對于人工監(jiān)測，自動化變形監(jiān)測可實現高精度、連續(xù)多頻次監(jiān)測，并且與軟件平臺結合良好，故自動化技術越來越多地被引入變形觀測工作中。李欣等[6]證明Sinco公司的巴塞特測量系統在收斂監(jiān)測中具有很好的應用效果。劉紹棠等[7]在山嶺隧道中實現了靜力水準系統實時、動態(tài)的智能遠程遙測，平均誤差僅0.01 mm，優(yōu)于人工水準儀監(jiān)測效果。潘國榮等[8]運用多臺測量機器人試驗無人值守的自動化監(jiān)測，監(jiān)測精度較高。郭一詩[9]提出了一種融合三維激光掃描和攝影測量的車載式全斷面測量系統，可高速提取隧道斷面輪廓變形信息。激光傳感器被周奇才等[10]設計加工成一體化收斂測量系統，應用效果表明該系統可實現中長期、高頻率的監(jiān)測工作。光纖變形監(jiān)測系統近年來成為研究熱點，趙勇等[4]利用布拉格光柵傳感器在佛山地鐵隧道中布設了分布式變形監(jiān)測系統，監(jiān)測靈敏度高。尹龍等[11]在京石客專六線隧道中成功運用BOTDR監(jiān)測系統進行了深部圍巖變形監(jiān)測，精度與位移計相當。綜上，針對眾多自動化變形監(jiān)測方法已有不少的研究，但上述各類方法均存在一定局限性，故自動化變形監(jiān)測尚未普及。

目前，大多數應用者對于自動監(jiān)測投入和產出方面的認識，還處于粗放狀態(tài)，很多自動化監(jiān)測項目沒有系統、客觀地進行效益分析，而一味地投入高新尖的監(jiān)測技術，從而造成了經濟成本過高、技術參數上又存在浪費的局面。還有一些觀點認為傳統的人工監(jiān)測非常成熟沒有必要運用自動化監(jiān)測，從而失去了獲得良好效益的機會。從近年的文獻資料來看，已有學者對各類隧道圍巖變形監(jiān)測技術進行了總結介紹[12]，分析了人工監(jiān)測技術的普遍缺點，描述了各類自動化監(jiān)測技術的優(yōu)越性，但并沒有做全面的對比分析，各類技術優(yōu)缺點還不明確，且在成本層面上鮮有相關報道，這不利于隧道變形監(jiān)測技術的應用與發(fā)展。

針對以上情況，本文結合近5年收集到的技術、設備價格資料和西南地區(qū)數十條山嶺隧道監(jiān)控量測運營成本和投標資料，從技術和經濟效益2個方面對比分析人工監(jiān)測和自動化監(jiān)測，并根據對比分析結果提出在目前技術、經濟水平下效益最優(yōu)的變形監(jiān)測選用方案，同時輔以實例說明，以期為現階段優(yōu)化西南地區(qū)山嶺隧道工程監(jiān)測技術提供相關參考。本文主要討論的測試參數為鐵路隧道監(jiān)控量測規(guī)范[13]中的必測項目，即洞口地表沉降、洞內拱頂沉降和凈空水平收斂。

1 人工監(jiān)測技術

傳統人工監(jiān)測主要使用水準儀、收斂計和全站儀進行變形觀測。水準儀和收斂計測量準確度高、穩(wěn)定性好、價格不高，但因是接觸式測量，對于高、大斷面，水準儀的鋼尺懸掛十分困難，收斂計無法測量高位置測線，且對施工作業(yè)有一定干擾。全站儀使用較方便，可以對各類型斷面的任意位置進行監(jiān)測，但效率仍較低。

另外，目前低成本的人工式近景攝影測量和便攜式激光測距儀在變形監(jiān)測中也有了很多應用。近景攝影測量使用經校驗的普通數碼相機在短時間獲取一定范圍內大量測點的三維位置數據，精度可達mm級，現場操作便捷，但后期處理內業(yè)工作量較大[14]。參考收斂計測量原理，可運用便攜式激光測距儀進行隧道變形測量[15]，操作簡單，測速很快。由于上述2種技術精度受環(huán)境影響明顯，易發(fā)生較大偏差，還有待進一步改進，故未廣泛運用。

2 自動化監(jiān)測技術

目前主要應用的自動化監(jiān)測技術有巴塞特收斂測量系統、自動靜力水準監(jiān)測、測量機器人、三維激光掃描和自動化攝影測量、自動化激光測距變形監(jiān)測以及光纖變形監(jiān)測。

巴塞特收斂測量系統采用固定在斷面上帶傾角計的組合臂測定收斂，精度高、數據實時，但傳感器昂貴，單斷面布設費用在3～4萬； 自動靜力水準監(jiān)測能實現穩(wěn)定的遙測，但只能進行沉降觀測； 測量機器人本質是自動化的全站儀，可遠程獲取測點的三維坐標變化，但單臺布置于測站后同全站儀一樣觀測距離有限； 三維激光掃描能快速獲取海量目標物的三維坐標，提供較全面、生動的數據，可實現車載式，但數據量大，內業(yè)處理時間長，設備價格也高，為50～120萬/臺； 自動化近景攝影測量和自動化激光測距變形監(jiān)測分別是相機和激光測距儀加裝自動化操控和傳輸裝置，以較低的經濟成本實現原有技術升級，但原有技術的一些局限性仍在。

光纖變形監(jiān)測技術最早運用SOFO點式傳感器，分辨率高達2×10-3mm，單個傳感器價格需0.1～0.3萬。目前運用較多的是FBG傳感器，可實現高速實時的準分布式監(jiān)測，但本質上亦是點式傳感器，單個傳感器價格不低于0.07萬。在大、長隧道中布設SOFO和FBG傳感器不經濟也費時費力。近來分布式光纖技術發(fā)展迅速，其光纖既是傳感介質又是傳輸通道，解決了點式存在的漏檢問題，空間分辨率可達0.1 m。傳輸距離最遠為幾十km[12]，能適應復雜環(huán)境，且成本低廉，所用光纖一般在2～8元/m，故其在大、長、復雜隧道的變形監(jiān)測中具有優(yōu)勢。光纖變形監(jiān)測技術均需配置解調儀，SOFO和FBG在20萬以上，分布式則在75萬以上，設備投入高昂。

3 技術效益分析

通過對比各人工及自動化監(jiān)測技術特征(見表1)，不同自動化技術各有優(yōu)缺點，但總體上自動化變形監(jiān)測技術相對于人工監(jiān)測技術具有優(yōu)越性，可提升監(jiān)測效率、范圍和精度。一方面，隧道長度越長，斷面越大，圍巖等級越高，工程監(jiān)測頻次、斷面數量和測點密度就越大，人工監(jiān)測觀測時間遠長于自動監(jiān)測，故自動化監(jiān)測相對于人工監(jiān)測的效率優(yōu)勢也就越明顯，同時觀測的范圍也要大得多。另一方面，人工監(jiān)測設備由不同經驗水平的人員操作，所測數據的精度差距明顯，而自動化設備則不存在此類問題，且多類自動化設備精度和分辨率指標高于傳統人工設備，故總體上自動化監(jiān)測技術的觀測精度更可靠。

注： 1)FBG和分布式光纖測值為應變值，故不列出位移量精度； 2)監(jiān)測范圍是指滿足監(jiān)測要求精度下的最大觀測范圍，按觀測方式分為單斷面觀測和多斷面觀測，多斷面觀測下的觀測范圍指觀測距離； 3)抗干擾能力指對復雜環(huán)境的適應性，特別是對低能見度、高/低溫和高濕度的適應性。

但是需指出的是，在施工隧道中，爆破和施工機械作業(yè)容易對自動化設備造成嚴重破壞，產生的振動及煙塵會極大地影響監(jiān)測的精度，故自動化監(jiān)測技術在施工隧道中的應用受到了很大制約，監(jiān)測時需避開施工時間，并盡量選用如光纖這種埋入式或可移動式的自動化技術。

綜上，從技術效益來看，巴塞特系統、測量機器人和SOFO、FBG光纖可用于重要斷面、區(qū)間的高精度監(jiān)測，不適用于大、長范圍的施工隧道；靜力水準系統只能用于單一沉降高精度監(jiān)測；自動化激光測距和近景攝影測量適用觀測環(huán)境較好的工程；三維激光掃描儀則適用于采樣時間緊張，又有大量測點的大、長隧道； 分布式光纖運用于大、長隧道的實時動態(tài)變形監(jiān)測有良好的效果。需注意的是，分布式光纖和FBG的監(jiān)測結果為應變值，目前應變值轉換位移值的準確度還有待進一步研究。實際運用時需根據工程情況，如被監(jiān)測物的結構和材質、所處環(huán)境、監(jiān)測目的和所需參數等，綜合考慮，選擇一種或多種手段。

4 經濟效益分析

在變形監(jiān)測技術選擇時，除要從技術方面考慮，成本亦是需要考慮的重要因素。詳細列出不同類型隧道各變形監(jiān)測手段的成本是不現實的。隧道長度、斷面大小和圍巖等級是決定變形監(jiān)測工作量、監(jiān)測等級和精度要求的重要因素，而施工和運營期不同的監(jiān)測環(huán)境也對成本有很大影響。通常情況下施工監(jiān)測的頻次高，而運營監(jiān)測的精度要求更嚴格，監(jiān)測人力、設備和耗材費用主要受上述隧道長度等因素影響。故本研究分別在施工和運營2大類隧道下按長度、斷面大小和圍巖等級3個影響因素，劃分出典型隧道類型，并基于近年來西南地區(qū)40余處監(jiān)測工程成本資料及通過電話、網絡等手段多方詢價到的成本資料，建模計算出現階段西南地區(qū)山嶺隧道較合理的監(jiān)測成本。監(jiān)測內容為必測項目： 洞內拱頂沉降和凈空水平收斂。洞口地表沉降在山嶺隧道變形監(jiān)測工作中所占比例小，不同類型隧道洞口布點形式和數量也相差不大，故為突出成本對比，不考慮測算洞口地表沉降參數，靜力水準監(jiān)測也不納入成本討論范圍。

4.1 施工隧道監(jiān)測

施工監(jiān)測中，將斷面大小和圍巖等級因素轉化為測點數量和斷面密度，共歸納為3類： 1)3點(1個拱頂沉降點，1對收斂測線)，斷面距為30 m； 2)5點(1個拱頂沉降點，2對收斂測線或3個拱頂沉降點，1對收斂測線)，斷面距為20 m； 3)7點(3個拱頂沉降點，2對收斂測線)，斷面距為10 m。

為利于比較成本，設定3類監(jiān)測斷面在同一隧道長度下數量相等，特長、長、中長和短隧道長度分別取5 340、2 640、840、240 m，即每類斷面在上述長度隧道中分別對應為90、45、15、5個。5 340、2 640、840、240 m的隧道測算模型中分別有270、135、45和15個監(jiān)測斷面，工期按經驗依次取3年、2年、1年和100 d。具體測算成本如表2所示。表中成本已計入人、機、料和措施費，不考慮管理費。設備和材料成本取市場上的低位值，設備折舊年限按3年計，為方便比較，折算出每延米成本。巴塞特系統價高又不易保護，近幾年未見施工應用案例，故不做測算。表2中除特長隧道外，自動化監(jiān)測的主要設備(測量機器人、掃描儀、相機和光纖解調儀)及配套按1套考慮，采取移動監(jiān)測，避免多臺設備增加成本； 特長隧道設備移動困難，計算時考慮2套計入設備成本。

結合表2分析，對于短隧道和中長隧道，人工監(jiān)測費用均低于自動監(jiān)測。對于長隧道，總體上，人工監(jiān)測與自動監(jiān)測成本差距有所縮減，自動化近景攝影測量和自動激光測距技術的成本已經低于各人工監(jiān)測方法。而在特長隧道監(jiān)測中，除自動化近景攝影測量和自動化激光測距技術外，其他自動化監(jiān)測技術成本較于人工監(jiān)測技術無成本優(yōu)勢。自動化近景攝影測量和自動化激光測距技術在長、特長隧道中成本具有優(yōu)勢是因為設備成本低。而特長隧道監(jiān)測中除上述2類技術，其他自動化技術成本不僅相對于人工監(jiān)測成本更高，也高于相應長隧道中各技術類型，這是因為增加了1套價格昂貴的設備。而山嶺長大隧道規(guī)模越大，輔助坑道、施工面就會增多，就需要更多的設備投入，費用便十分高昂，這無疑是制約施工隧道自動化監(jiān)測應用的主要因素。

綜上，從成本角度看，在施工隧道監(jiān)測工程中，現階段主要還是推薦使用人工監(jiān)測，但長、特長隧道建議可使用自動化近景攝影測量和自動化激光測距技術。

表2 施工隧道不同監(jiān)測技術成本測算

注： 自動化激光測距儀在二次襯砌施作前回收繼續(xù)用于下段初期支護，以節(jié)約成本。光纖傳感器按埋入考慮，不回收。

4.2 一般運營隧道監(jiān)測

運營監(jiān)測中，目前尚未有規(guī)范強制規(guī)定監(jiān)測斷面間距和點位數。一般運營監(jiān)測與施工監(jiān)測最大的區(qū)別是監(jiān)測頻率明顯降低。本文一般運營期監(jiān)測計算模型仍按施工監(jiān)測計算模型建立，但監(jiān)測頻率取1季度1次，監(jiān)測期為2年。成本計算如表3所示，在短隧道和中長隧道監(jiān)測中，總體上人工監(jiān)測成本具有明顯優(yōu)勢，這與施工監(jiān)測一樣。不同于施工監(jiān)測的是，對于長和特長隧道，總體上，自動化監(jiān)測對于人工監(jiān)測卻沒有明顯的成本優(yōu)勢，只有自動化近景攝影測量技術成本低于各人工監(jiān)測技術。另外，測量機器人、三維激光掃描儀技術成本在特長隧道監(jiān)測中對比人工監(jiān)測，其成本在應用中也是能接受的。故一般運營監(jiān)測中仍建議以傳統人工方式為主，但是在特長隧道監(jiān)測中，從成本上看，自動化近景攝影測量技術、測量機器人和三維激光掃描儀亦是可以考慮運用的。當然，如果在施工監(jiān)測時使用的是光纖變形監(jiān)測技術，繼續(xù)使用光纖技術，成本會大大降低，并且實現了實時、快速的施工加運營全周期監(jiān)測。

表3 一般運營隧道不同監(jiān)測技術成本測算

注： 巴塞特系統、自動化激光測距和光纖傳感器在運營隧道中需固定位置，光纖傳感器按埋入考慮。其他自動化監(jiān)測設備在監(jiān)測中均需按測站移動，避免使用多臺設備，增加成本。

4.3 重點保護段監(jiān)測

重點保護段是指下穿、上跨既有重要交通線，鄰近重要建筑物基礎或處于高地應力、富水和地熱等復雜地質情況下的高風險隧道段，區(qū)別于一般運營監(jiān)測，重點保護段運營監(jiān)測頻次明顯增加，一般需要實時監(jiān)測和預警。

本文計算模型按長度200 m，斷面間距10 m，共計21個斷面，每斷面7個測點，監(jiān)測頻率按2次/d，監(jiān)測期為2年，具體成本測算如表4所示。由表可見，人工監(jiān)測技術成本最低為激光測距儀(1 710元/延米)，而自動化技術成本中只有巴塞特收斂系統、三維激光掃描和分布式光纖技術因為設備昂貴而成本高于上述值，這說明自動化監(jiān)測手段在重點保護段監(jiān)測中總體上是具有成本優(yōu)勢的。這主要是107 310點次的工作量使人工成本顯著提高，例如同樣是激光測距儀技術，自動化監(jiān)測技術成本為1 190元/延米，僅是人工監(jiān)測的69.6%。

表4重點保護段隧道不同監(jiān)測技術成本測算

Table 4 Cost prediction for key section of tunnel with various deformation monitoring technology

監(jiān)測方式 成本測算/(元/延米)人工監(jiān)測水準儀與收斂計2 020全站儀(0.5 s)2 245近景攝影測量1 905激光測距儀1 710自動化監(jiān)測巴塞特收斂系統4 910測量機器人1 660三維激光掃描儀3 035自動化近景攝影測量1 310自動化激光測距1 190SOFO光纖1 470FBG光纖1 235分布式光纖2 670

注： 巴塞特系統、自動化激光測距和光纖傳感器在運營隧道中需固定位置，光纖傳感器按埋入考慮。其他自動化監(jiān)測設備在監(jiān)測中均需按測站移動，避免使用多臺設備，增加成本。

從成本上來看，重點保護段運營監(jiān)測推薦使用自動化監(jiān)測技術手段，可選用的技術有測量機器人、自動化激光測距、自動化近景攝影測量、SOFO光纖和FBG光纖。其中，測量機器人、自動化激光測距和FBG光纖也是目前實際工程中應用較多的。對于分布式光纖技術，如原安設有此項技術，則可考慮繼續(xù)使用。

5 實例分析

通過上述不同隧道變形監(jiān)測技術的技術效益和經濟效益分析，擬定了變形監(jiān)測技術選擇流程： 1)根據工程性質確定監(jiān)測技術要求參數； 2)對應技術要求參數，選出符合的技術類型； 3)計算出運用各項技術類型或技術類型組合的成本； 4)根據實際需求，選擇成本最優(yōu)、技術參數符合或成本可接受、技術參數最佳的技術方案。

上述選擇流程在重慶市郊鐵路縉云山2#隧道K2+133～K1+933溶洞發(fā)育重點保護段運營監(jiān)測技術方案選用中予以運用。此段為梨樹坪斷層影響區(qū)，又發(fā)育有白云巖砂化的大型巖溶，施工監(jiān)測過程中進行了2次紅色預警。在襯砌完成后，發(fā)現在地表降雨增多后，原本無水的泄水孔出現股狀含砂地下水。為保障此段在施工質量保證期內安全可控，故增加2年的運營監(jiān)測，監(jiān)測精度要求為1 mm，頻次為2 次/d，監(jiān)測段共計200 m，斷面間距10 m。由于斷面較大，每斷面設計7點，即3個拱頂沉降點和2條水平收斂測線。

按選擇流程，首先按監(jiān)測精度和頻次要求，結合表1分析，除三維激光掃描儀精度不滿足外，其他均符合要求。由于本運營監(jiān)測工程和本文4.3節(jié)重點保護段運營監(jiān)測計算模型一樣，故成本計算參考表4，最后選擇成本最低，精度可滿足監(jiān)測需求的自動化激光測距技術，實際應用效果令人滿意。

6 結論與討論

本文分析對比了山嶺隧道不同變形監(jiān)測方式的技術效益和經濟效益，彌補了現有文獻中各類監(jiān)測技術優(yōu)缺點不明確，且未在成本層面上對比分析的不足，這對現階段西南地區(qū)山嶺隧道工程中變形監(jiān)測技術的選用和自動化監(jiān)測技術的應用發(fā)展十分有意義。由上文研究得到以下結論。

1)不同變形監(jiān)測技術各有優(yōu)缺點，整體上自動化監(jiān)測相對于人工監(jiān)測在技術效果上更符合隧道變形監(jiān)測的用意，即動態(tài)監(jiān)測和實時預警。目前設備成本和施工作業(yè)干擾是限制自動化監(jiān)測技術廣泛使用的主要原因。受制于技術現狀和經濟水平，人工與自動化相互結合、互相驗證和優(yōu)勢互補應是目前監(jiān)測技術應用發(fā)展的方向。

2)選擇變形監(jiān)測技術的流程可參考步驟為： 首先，需根據工程性質確定監(jiān)測技術要求參數，再選出符合的技術類型；然后，計算出運用各項技術類型或技術類型組合的成本；最后，根據實際需求，選擇成本最優(yōu)、技術參數符合或成本可接受、技術參數最佳的一種或多種技術組合的監(jiān)測方案。

3)現階段施工和一般運營隧道仍建議主要采用人工監(jiān)測，可引入信息化技術以提升效率； 重點監(jiān)測段落可考慮引入自動化手段實現實時動態(tài)監(jiān)測。如考慮大范圍運用自動化技術，長、特長施工隧道中可選用自動化激光測距系統和自動化近景攝影測量系統；特長運營隧道監(jiān)測中，可考慮使用三維激光掃描儀、測量機器人和自動化近景攝影測量技術；而重點保護段運營監(jiān)測可選用的自動化監(jiān)測技術有測量機器人、自動化近景攝影測量、自動化激光測距、SOFO和FBG光纖。

本文研究也存在以下不足，需進一步研究。

1)由于成本測算的復雜性，本文分析過程較為簡略，沒有細分出人、機、料和措施費。

2)由于經濟成本與地域、人力資源和技術更新密切，本研究資料來源為近年西南地區(qū)，故成本效益只代表西南地區(qū)現階段水平。隨著科技迅速發(fā)展，監(jiān)測技術更新會愈加快速，未來數年內技術效益也可能發(fā)生巨大變動，目前價格高昂的設備價格也會隨之降低。另外，不同類型隧道監(jiān)測項目也有所區(qū)別。故本研究成果可為現階段西南地區(qū)山嶺隧道監(jiān)控量測技術選擇提供一定參考，對其他地區(qū)、其他類型和數年后隧道項目甄選監(jiān)測方法的借鑒作用有一定的局限性，但相關應用者可參考本文研究模式收集相關最新資料進行探討后作出理性選擇。

3)目前，市場上又出現了如加拿大Shape Accel Array柔性線纜變形監(jiān)測技術、英國Senceive設計的嵌入式無線傳感器和日本佐藤工業(yè)開發(fā)的隧道開挖面變形實時監(jiān)測系統等新型自動化監(jiān)測技術，但由于缺乏詳細的資料，故未在本文進行討論。