隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)分析

阮英利

（中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 商洛 726000）

我國近些年公路隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度和建設(shè)規(guī)模都呈現(xiàn)不斷加大的趨勢(shì)，基礎(chǔ)設(shè)施有著更加復(fù)雜的功能和結(jié)構(gòu)，隧道工程的長度和斷面也不斷擴(kuò)大。在運(yùn)營和使用期間，隧道的功能性、安全性標(biāo)準(zhǔn)要求逐漸提高。想要滿足時(shí)代發(fā)展需求，就要加強(qiáng)隧道工程施工質(zhì)量管控，提高隧道施工技術(shù)水平。但是隧道工程往往處于環(huán)境惡劣、地質(zhì)情況復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)的環(huán)境當(dāng)中，作業(yè)空間有限，如果控制不當(dāng)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的安全事故，為此，要采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控測量的方式，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隧道工程各個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，采取針對(duì)性的控制措施，避免發(fā)生質(zhì)量安全事故。

1 監(jiān)控量測技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用價(jià)值

處于復(fù)雜環(huán)境中的隧道工程有著多種特征，比如施工復(fù)雜性、隱秘性、不可量測性等。隧道施工中可能遇到諸多不可預(yù)見的問題導(dǎo)致施工難度增加，安全風(fēng)險(xiǎn)增大，比如常見的突水、塌方等事故。一旦出現(xiàn)這些事故將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，甚至出現(xiàn)較大的社會(huì)影響。通過在隧道工程中應(yīng)用監(jiān)控量測技術(shù)可以對(duì)隧道工程中存在的問題進(jìn)行預(yù)測，保證工作人員明確隧道工程實(shí)際情況，并且采取針對(duì)性的控制方法，降低出現(xiàn)危險(xiǎn)事故的概率。此外，在前期進(jìn)行監(jiān)控量測還有助于為設(shè)計(jì)人員開展施工方案設(shè)計(jì)提供支持。

2 隧道監(jiān)控量測目的、內(nèi)容及方法

2.1 監(jiān)控量測目的

在隧道開挖階段需要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)以及圍巖的位移情況，常用工具包括水準(zhǔn)儀、全站儀、羅盤、收斂計(jì)等。監(jiān)控量測的目的是獲取圍巖相關(guān)狀況數(shù)據(jù)信息，從而保證技術(shù)人員明確支護(hù)解耦股的性能，對(duì)開挖過程中的安全方面進(jìn)行客觀判斷，并且對(duì)隧道二次襯砌施工時(shí)間進(jìn)行科學(xué)確定。

2.2 隧道監(jiān)控量測內(nèi)容

必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目是隧道監(jiān)控量測的主要兩方面內(nèi)容，其中拱頂下沉、地表下沉、洞內(nèi)外觀察、周邊收斂為必測項(xiàng)目。選測項(xiàng)目往往有著較高的測量成本和較為復(fù)雜的測量方式，通常只測量局部危險(xiǎn)地區(qū)，當(dāng)前圍巖壓力、錨桿軸力、圍巖彈性波速等都是常見的選測項(xiàng)目。

2.3 隧道監(jiān)控量測方法

（1）拱頂下沉和周邊收斂。工作人員可以使用水準(zhǔn)儀、鋼尺、全站儀等設(shè)備量測拱頂下沉量，可以用收斂計(jì)和全站儀量測周邊收斂情況。工作人員要盡量在爆破開挖24 h以內(nèi)或者下此爆破前完成測點(diǎn)的布設(shè)，量測點(diǎn)要和開挖掌子面的距離控制在2 m以內(nèi)，根據(jù)圍巖級(jí)別、施工方法、施工規(guī)范要求等方面做好測點(diǎn)數(shù)量、讀數(shù)頻率和停測時(shí)間的確定。同時(shí)，要盡量按照如圖1所示的方式在拱頂、拱腰兩側(cè)對(duì)稱布置測量點(diǎn)。

圖1 隧道拱頂下沉和周邊收斂量測點(diǎn)布置

（2）地表下沉。如果隧道埋深是隧道開挖跨度的2倍以內(nèi)，那么需要監(jiān)測地表位移情況。測量人員可以使用全站儀兩側(cè)隧道地表下沉情況，以隧道中樁為對(duì)稱軸對(duì)稱布置地表下沉的測點(diǎn)，通常數(shù)量在6~10個(gè)之間。在布設(shè)中要適當(dāng)增加隧道軸線測點(diǎn)的密度，適當(dāng)降低距離隧道軸線遠(yuǎn)的位置的密度。同時(shí)，要根據(jù)埋設(shè)深度確定地表下沉量測斷面。

3 隧道施工監(jiān)控測量技術(shù)的應(yīng)用

某隧道右線全長354 m，為短隧道。隧址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山溝谷切割地貌，進(jìn)洞口一側(cè)受沖溝切割，地形陡峭，坡向265°，坡角40~55°，坡度大，最淺埋深2.3 m。隧址區(qū)進(jìn)口一帶山頂大部分基巖裸露倒懸，陡傾裂隙發(fā)育，洞頂風(fēng)化層及堆積體較厚，處于基本穩(wěn)定~欠穩(wěn)定狀態(tài)。該隧道設(shè)計(jì)速度為100 km/h，雙洞6車道，單洞限高5.0 m。

（1）洞內(nèi)、外觀察。隧道工程監(jiān)控量測的必測項(xiàng)目之一就是隧道洞內(nèi)外觀察，通過洞內(nèi)外觀察可以對(duì)開挖位置地質(zhì)條件有更加客觀的了解。此外，通過觀察隧道洞內(nèi)外情況可以對(duì)噴層錨桿的狀態(tài)、支架結(jié)構(gòu)組織可靠性展開客觀分析，工作人員得到的周邊圍巖的數(shù)據(jù)更加科學(xué)穩(wěn)定。很多隧道工程在開挖一段時(shí)間后會(huì)對(duì)地下水發(fā)育情況、斷層、洞內(nèi)巖性等方面內(nèi)容進(jìn)行細(xì)致觀察，并且將開挖工作面相關(guān)地質(zhì)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，對(duì)圍巖等級(jí)進(jìn)行科學(xué)判斷。

（2）周邊位移量測。隧道工程施工監(jiān)控量測中還要注意量測周邊位移情況，通過位移情況量測可以將隧道圍巖力狀態(tài)變化情況直接反映出來。具體來講，開展周邊位移量測主要可以達(dá)到三個(gè)效果。第一，可以更加客觀地判斷隧道空間內(nèi)部的穩(wěn)定性；第二，能夠更加科學(xué)地指導(dǎo)施工現(xiàn)場作業(yè)；第三，可以量測周邊位移情況，做好二次襯砌施工時(shí)間的合理確定，客觀地判斷圍巖穩(wěn)定性。

（3）拱頂下沉量測。通過量測拱頂下沉情況可以提前采取措施預(yù)防拱頂崩塌的問題，有助于提高拱頂下施工安全性，有助于保證順利安全地完成施工作業(yè)。通過量測拱頂下沉情況工作人員可以對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定，為后續(xù)施工作業(yè)提供指導(dǎo)，就支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。鋼卷尺、精密水準(zhǔn)儀是拱頂下沉量測常用的儀器設(shè)備。首先，工作人員要將水準(zhǔn)儀放置在拱頂測點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)高程之間。在安裝好水準(zhǔn)儀后需要對(duì)齊水準(zhǔn)尺的最低端和標(biāo)準(zhǔn)高程點(diǎn)，利用水準(zhǔn)尺將其調(diào)平，觀察水準(zhǔn)儀讀數(shù)，拱頂測點(diǎn)的總高程如下式：H=H1+H2+H0其中，H1——水準(zhǔn)尺記錄讀數(shù)；H2——普通鋼卷尺記錄讀數(shù)；H0——標(biāo)準(zhǔn)高程點(diǎn)的高程。拱頂高程差為兩次不同測試時(shí)間段內(nèi)的拱頂下沉變化量。

（4）地表下沉量測。對(duì)于一些淺埋隧道工程，可能會(huì)影響到地表結(jié)構(gòu)，此時(shí)可以通過量測地表下沉情況確定地表沉降量。在淺埋隧道中通常都會(huì)進(jìn)行地表下沉量大小、地表下沉范圍、地表下沉穩(wěn)定時(shí)間、地表下沉量等方面的量測，同時(shí)要對(duì)其下沉規(guī)律進(jìn)行細(xì)致分析。在量測地表下沉量過程中工作人員要保證監(jiān)測儀器和量測拱頂下沉量的相同。通常測量人員在量測地表下沉量時(shí)會(huì)設(shè)置至少11個(gè)測點(diǎn)，并且根據(jù)施工隧道環(huán)境和地質(zhì)條件選擇測點(diǎn)的間距，通常間距控制在2~5 m范圍內(nèi)。在地表下沉量測點(diǎn)布置時(shí)需要結(jié)合實(shí)際地形情況，如果地形需要可以適當(dāng)做好測點(diǎn)數(shù)量的增加，并且增加隧道軸線附近測點(diǎn)的密度。此外，工作人員還要埋設(shè)好預(yù)埋件，將其固定好，并且采取措施做好保護(hù)工作，可以設(shè)置警示牌等。在兩側(cè)地表下沉情況時(shí)工作人員首先要做好水準(zhǔn)點(diǎn)的選擇，在選擇水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)要注意避免對(duì)現(xiàn)場施工作業(yè)產(chǎn)生影響。然后兩側(cè)人員利用水準(zhǔn)儀測量各個(gè)測點(diǎn)的高程，之后選取額外水專電校核測點(diǎn)高程。在量測時(shí)，要使用加掛鋼筋網(wǎng)、加長加密錨桿等措施提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。

（5）水文觀察。測量人員要長期觀測隧道洞身地表水文地質(zhì)情況，對(duì)施工階段地表水體和地下水位變化情況進(jìn)行細(xì)致觀測。

4 隧道監(jiān)測測點(diǎn)布置

在布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)時(shí)要保證其能夠?qū)⒈O(jiān)測對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)和變化趨勢(shì)充分反映出來，在結(jié)構(gòu)內(nèi)力或者變形關(guān)鍵特征點(diǎn)等特殊的位置做好監(jiān)測，確保和監(jiān)控要求相符合。

（1）邊坡頂部監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)原則。在布設(shè)頂部水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)時(shí)要布置在基坑周邊，尤其要重點(diǎn)布設(shè)周邊中部、陽角位置。在圍護(hù)墻頂或者坡頂布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，尤其要在變形最大的位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。水平豎向位移監(jiān)測點(diǎn)不可布設(shè)在支撐位置。工作人員要按照不超過20 m的間距、不少于3個(gè)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。

（2）土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)原則。也稱該監(jiān)測項(xiàng)目為側(cè)向變形監(jiān)測或者測斜監(jiān)測。工作人員在基坑周邊中部、陽角等位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在變形最大位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，避免在支撐位置設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。在數(shù)量方面，每3~4幅地下連續(xù)墻進(jìn)行1孔的布設(shè)，如果隧道基坑較為重要，可以按照每2幅墻布設(shè)1孔的方式進(jìn)行布設(shè)，并且要保證每邊布設(shè)的數(shù)量都在1孔以上。在測斜管長度控制方面，可以在圍護(hù)墻體內(nèi)埋設(shè)測斜管，其長度要符合圍護(hù)墻鋼筋籠深度，同時(shí)要按照＜2 m的標(biāo)準(zhǔn)控制無效長度。如果是在土體中布設(shè)斜側(cè)管，那么其長度應(yīng)當(dāng)是基坑開挖深度的1.5倍以上，并且比圍護(hù)墻深度更長。

（3）立柱豎向位移監(jiān)測點(diǎn)布置原則。在地質(zhì)條件較為復(fù)雜、多根支撐點(diǎn)交匯的位置以及基坑中部位置需要布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，并且按照數(shù)量為立柱總數(shù)量5%以上的標(biāo)準(zhǔn)控制監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量。

（4）支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布置原則。工作人員在選擇布設(shè)位置時(shí)要盡量選擇較大支撐內(nèi)力或者控制整個(gè)支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上。在監(jiān)測鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)時(shí)可以在支點(diǎn)間1/3位置布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，避免在節(jié)點(diǎn)部位布設(shè)。如果采用表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測鋼支撐結(jié)構(gòu)，可以在兩支點(diǎn)1/3位置布設(shè)，并且在支撐端頭分別布設(shè)反力計(jì)監(jiān)測設(shè)備，避免在支撐活絡(luò)頭一側(cè)布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。在數(shù)量方面，需要在每道支撐上布設(shè)3個(gè)以上的監(jiān)測點(diǎn)，并且保證每道支撐監(jiān)測點(diǎn)處于同一垂直線上。鋼筋混凝土支撐的截面上布設(shè)4個(gè)以上的傳感器，在鋼筋混凝土支撐斷面4個(gè)角部主筋上分別布設(shè)傳感器，每個(gè)鋼支撐截面也要布設(shè)2個(gè)以上監(jiān)測點(diǎn)。

5 實(shí)際應(yīng)用情況

該隧道按照6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該隧道基巖出露，隧址區(qū)進(jìn)口一帶山頂大部分基巖裸露倒懸，陡傾裂隙發(fā)育，洞頂風(fēng)化層及堆積體較厚，有局部巖性破碎層為主要不良地質(zhì)。在地表沉降方面，研究設(shè)置測點(diǎn)于隧道洞口淺埋區(qū)段，設(shè)置斷面3個(gè)，每個(gè)斷面3個(gè)測點(diǎn)，對(duì)邊坡以及地表穩(wěn)定性進(jìn)行測試。該隧道內(nèi)地表沉降值已經(jīng)穩(wěn)定。在隧道周邊位移方面，該案例埋設(shè)測點(diǎn)于隧道圍巖中，對(duì)開挖后圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，一共7個(gè)測試斷面，每個(gè)斷面6個(gè)測點(diǎn)。該隧道內(nèi)圍巖已經(jīng)基本穩(wěn)定。

6 監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)

（1）擬定監(jiān)測計(jì)劃。為了保證順利開展量測工作，確保采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，需要在準(zhǔn)備階段做好監(jiān)測計(jì)劃的合理編制，具體來講，在監(jiān)測計(jì)劃中要重點(diǎn)做好如下工作內(nèi)容：第一，在具體擬定監(jiān)測計(jì)劃時(shí)要采集施工現(xiàn)場基礎(chǔ)參數(shù)信息，比如明確工程所在區(qū)域的地下水位置、斷面位置、地質(zhì)情況、外界環(huán)境情況等，在明確各項(xiàng)信息后，整理相關(guān)數(shù)據(jù)，通過篩選匯總得到有效數(shù)據(jù)，并且在監(jiān)測計(jì)劃中合理應(yīng)用這些數(shù)據(jù)內(nèi)容，將監(jiān)測計(jì)劃內(nèi)容的完整性提高。第二，加強(qiáng)現(xiàn)代信息科技的應(yīng)用，比如可以利用BIM技術(shù)模擬監(jiān)測計(jì)劃運(yùn)行過程，利用其模擬功能對(duì)監(jiān)測點(diǎn)位置進(jìn)行校驗(yàn)，明確施工中是否存在沖突，盡量避免對(duì)施工活動(dòng)產(chǎn)生影響，將后續(xù)引測的工作量減少，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果誤差控制，提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。第三，隨著隧道工程施工作業(yè)不斷推進(jìn)要適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測計(jì)劃內(nèi)容，在調(diào)整過程中可以使用應(yīng)用模型，對(duì)調(diào)整后的計(jì)劃內(nèi)容可行性進(jìn)行分析和優(yōu)化，為指導(dǎo)工作的有序開展提供支撐，確保量測技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值最大化。

（2）加強(qiáng)人員隊(duì)伍組建。通過組建專業(yè)的量測隊(duì)伍可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高，有助于監(jiān)測結(jié)果使用價(jià)值的提升。雖然當(dāng)前很多隧道工程都開始使用自動(dòng)化設(shè)備，但是仍然需要高素質(zhì)的人才來完成量測工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果準(zhǔn)確性的提升。第一，要在招聘階段做好人才的選拔，提高準(zhǔn)入門檻，篩選具有較強(qiáng)責(zé)任心和專業(yè)能力的量測人員，并且要盡量選用青年化的人才，確保其能夠更好地接受新的量測技術(shù)和方法，提高量測隊(duì)伍的整體學(xué)習(xí)能力。第二，定期組織培訓(xùn)活動(dòng)，加強(qiáng)監(jiān)測人員綜合能力的培養(yǎng)，構(gòu)建學(xué)習(xí)體系和考核制度，制定競爭上崗制度，對(duì)不符合考核標(biāo)準(zhǔn)的人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)崗處理，通過這種方式提高量測人員對(duì)量測工作的重視度。第三，構(gòu)建完善的責(zé)任管理制度，將監(jiān)測人員具體工作內(nèi)容和承擔(dān)的責(zé)任明確，保證在出現(xiàn)問題后可以及時(shí)追責(zé)并且及時(shí)解決問題，通過這種方式提高工作人員的責(zé)任心，將人為因素帶來的負(fù)面影響盡量降低。

（3）做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。通過儲(chǔ)存量測的結(jié)果可以為后續(xù)工作提供便捷，同時(shí)可以為其他工程項(xiàng)目提供參考，發(fā)揮數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，為此，不但要保證量測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，也要及時(shí)保存這些數(shù)據(jù)信息。在信息時(shí)代，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)為數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存做出了巨大貢獻(xiàn)，企業(yè)可以積極使用這些技術(shù)構(gòu)建存儲(chǔ)平臺(tái)，專門用于監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。信息技術(shù)的應(yīng)用不但可以保證各個(gè)部門實(shí)時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，還可以長期保存數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)，可以按照監(jiān)測時(shí)間、監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行分類，在未來為其他工程項(xiàng)目建設(shè)或者隧道工程后期運(yùn)營維護(hù)等方面提供支持，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。在存儲(chǔ)前工作人員還要將錯(cuò)誤數(shù)據(jù)、重復(fù)數(shù)據(jù)剔除，充分做好篩選工作，確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)信息的應(yīng)用價(jià)值最大化。

7 結(jié)束語

施工監(jiān)控量測和數(shù)據(jù)分析在隧道工程施工中的應(yīng)用價(jià)值越來越高，工作人員要根據(jù)工程實(shí)際情況科學(xué)地選擇量測方法，加強(qiáng)對(duì)施工過程的監(jiān)控，從而客觀地判斷隧道支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為施工人員生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。在未來發(fā)展中，要加強(qiáng)現(xiàn)代信息科技的應(yīng)用，切實(shí)發(fā)揮監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值。