隧道建造與尾礦庫區耦合影響監控監測技術應用研究

摘要 對納晴高速公路小馬廠隧道與該隧道洞頂鉛鋅尾礦庫相互影響開展監測技術研究。為規避尾礦在填筑過程以及隧道在建造過程中對各自穩定性和結構安全性的相互耦合影響。確保隧道能夠安全建造、結構安全的前提下，鉛鋅尾礦棄方體的穩定性也不受影響，特形成洞內外聯合監測及預警機制，運用了內外數據聯動共享科學的監測預警聯動機制，在隧道建設和尾礦棄渣耦合影響方面起到了良好的效果。

關鍵詞 鉛鋅尾礦棄方體;隧道施工;自動監測;監測預警聯動

中圖分類號 U418.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0013-03

收稿日期：2022-04-02

作者簡介：解振乙（1985—），男，本科，高級工程師，研究方向：公路工程。

0 引言

在高速公路建設過程中隧道難以避免會穿越大型棄渣場或尾礦庫區，給隧道的安全建造和尾礦庫區穩定性造成了影響，要確保在二者的相互耦合作用下隧道建設不會對正在棄筑的鉛鋅尾礦棄方體穩定性造成影響，同時正在棄筑的鉛鋅尾礦棄方體，不會因其自重荷載和側向推力對隧道建造和安全方面造成危害[1]。因此就需要通過科學的監控預警預測手段，指導隧道施工與尾礦棄渣安全生產工作。通過洞內外設置監控監測預警系統，實現內外數據互聯綜合預測、預警，達到安全生產科學施工的目的。

1 隧道與尾礦工程概況

納晴高速公路主線路線全長約161.6 km，共設隧道65 229 m/34座，其中特長隧道30 715 m/8座，橋隧占路線長度的比例為70.4%。其中小馬廠隧道位于貴州省普安縣白沙鄉境內。隧道洞身主體由北東～南西向展布，隧道采用分離式隧道方案，其中左幅起訖里程樁號ZK140+175～ZK143+065，長2 890 m;右幅長2 910 m，隧道最大埋深253 m。該隧道進口采用削竹式洞門，出口采用端墻式洞門。離隧道進口約500 m，位于隧道正線左側約100 m處有一鉛鋅尾礦庫，尾礦庫投影面積約90 000 m2，最低點海拔高度為1 421.6 m，預計棄渣高度為30 m，估算棄渣量為50萬m3，新增棄渣將改變巖土受力，影響隧道受力狀況和隧道建設安全。

2 隧道施工與尾礦庫區耦合影響監測意義

依據實際調查和地質調繪結果可知，該尾礦庫目前正在持續性棄渣，隨著棄渣量不斷增加，將改變既有巖石受力狀態，對隧道圍巖體將產生加載側向水平推力，對隧道建設安全有一定影響，測算尾礦庫棄渣對隧道施工以及遠期運營的安全性影響情況。總體監測應結合地表尾礦礦區監測+隧道洞內監測，根據相互監測數據協同控制。地表尾礦礦區采用自動化位移監測+深層位移監測;隧道洞內監測采用巡視觀測+無接觸儀器，并加密隧道洞內施工監測點和監測頻率，針對隧道開挖、支護及襯砌段落進行實時觀測，根據觀測數據預警隧道異常情況，保證隧道施工安全性的同時，確保地表尾礦區的穩定性監測。

3 尾礦庫影響區地表位移自動化監測

3.1 監測目的和內容

通過在隧道頂面礦渣堆積表面布設GNSS自動化監測測線，實時監測隧道施工過程中尾礦庫影響區地面位移，評價隧道周邊巖層的穩定狀況，為隧道施工安全做出預測預警，實現尾礦庫區地表位移變化，無人值守自動監控數據實時上傳。通過位移變化情況對尾礦庫區進行穩定性評估和設置安全預警報警系統，確保庫區安全;在各監測面建立起地表位移變化監測平臺，工程各方參建單位都能實時的了解隧道圍巖的安全狀況，評價對隧道施工的影響程度，指導隧道施工支護參數調整，確保隧道安全建造[2]。通過地表位移監測與隧道洞內量測點的監控相互耦合，綜合分析為隧道施工安全提供可靠的數據支撐和預警機制。

3.2 GNSS自動監測的優勢

GNSS自動監測屬于三維導航定位系統范疇，是通過衛星定位系統對地表站點的位移監控。可提供全天候24小時監控，在地球的任意一個角落，任何一時間，均可滿足同時有4顆衛星精準觀測，能夠實時提供三維空間坐標。其測量不會受天氣影響，無論白天、黑夜、雨天、雪天、霧天都不受影響。同時測量還不受地形影響，能夠適應不通視條件的險峻惡劣地形，只需測站上空開闊即可。滿足供電系統，電源線到達不了的地方，該系統設置有太陽能發電板和儲能裝置，保證觀測和數據傳輸，不會因人力電網系統的中斷或電力系統到不了的地方而受到限制。GNSS的觀測精度比較高，可達到毫米級，與傳統測量比較有較大優勢，規避了人為操作測量儀器的誤差，減少了大量的人力測量，測量效率高。不光是測量領域，GNSS系統還用在導航，測速、測時等領域。

3.3 GNSS自動監測原理

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System），縮寫為GNSS。GNSS自動化監測系統涉及的工程項目主要有：變形監測控制網（基準站）、不穩定體特征點表面位移監測。GNSS系統主要由三個部分組成：GNSS數據采集系統、數據傳輸系統、數據處理和分析系統。該系統最終是通過用戶接收機將各項監測數據全天候連續動態地提供給使用者，GNSS工作原理如圖1。

3.4 GNSS現場布置方案

該項目擬設GNSS觀測點7個，采用光伏板供電無人值守自動監控系統。基準站設置在尾礦庫北側穩固視野開闊的平整的基巖上，其地基錨固務必牢固可靠。根據鉛鋅尾礦堆砌方向、地形坡度、可能滑動趨勢。沿尾礦區下低上高的坡面滑動趨勢面，布置1條大體呈環狀的自動化位移監測測線，測線上布置6個衛星定位連續運行的監測點站。平面控制方面采用獨立坐標系統，采用北京坐標系（1954年）;高程控制方面采用獨立高程系統，運用黃海高程系（1956年）。每個GNSS測點獨立接收衛星定位數據，分別以GNSS基準站為基準，進行定期靜態解算，解算成果轉換為1954年北京坐標系，并以報表、過程線等方式呈現，監控監測點總體布置如圖2。

3.5 GNSS監測系統的數據處理和分析

GNSS無人值守監測系統是將數據采集、數據處理、數據分析、數據管理4個模塊進行有機整合關聯，通過有效算法和數理處理，最終以數顯用戶接收終端App呈現給使用人。其中數據處理承擔著整個系統對三維坐標的處理和呈現，包含了坐標轉化、數據平差計算、數據采集格式轉化以及成果最終輸出等工作內容。數據分析及管理，承擔了變形矢量位移分析、數據靈敏度分析、基準穩定性分析、變形分析、空間三維應變分析以及參數的設置及精度、最終顯示及輸出等任務[3]，GNSS自動化系統結構圖如圖3。

4 隧道洞內監測

為確保小馬廠隧道在建造的過程中的施工安全，監控及預警地表尾礦的壓重和偏壓荷載對隧道建造過程的安全風險，為隧道建造提供安全建造數據支持。根據隧道的施工方法制定合理的監控監測方案，隧道洞內監控主要監測內容為：一是通過巡視觀察，初期支護變化情況。二是對洞內初期支護的拱頂下沉、水平位移收斂及仰拱標高進行監測。進而確定尾礦對隧道的側向壓重對隧道建造安全的影響，同時為隧道施工的支護參數調整、施工方法的選擇及調整，以及隧道冒頂、塌方、大變形方面提供數據支撐和安全預警[4]，小馬廠隧道地形斷面圖如圖4。

4.1 地質與支護觀察

洞內觀察指對隧道已施作的初期支護和掌子面開挖后的圍巖進行巡視觀察。一般在隧道開挖爆破完掌子面圍巖碴體清理完成后進行，采用地質羅盤、地質錘、放大鏡、數碼相機或攝像機對掌子面圍巖體進行觀察和分析。對于軟弱夾層、掌子面出滲漏水點、圍巖充填體、巖層節理、傾向、傾角信息詳細記載。若出現溶洞、暗河通道、巖溶管道等做重點記錄并完成攝像。對地表進行踏勘、走訪、調研，了解與隧道有無貫通，重點記錄留檔。對于已支護完成的初期支護段落，每天專人進行初支面外觀觀察，詳細記錄是否有開裂、蹦殼、滲漏水現象，如果發現，則需定點重點觀察，實時記錄發展趨勢以及矢量變化情況。對于鋼拱架的接頭位置要重點觀察，主要查看連接板有無開裂張口，工字鋼有無變形扭曲。仰拱有無底鼓，翹曲開裂、滲水等現象。

4.2 拱頂下沉及周邊收斂量測

4.2.1 監測斷面埋設及測點布置

拱頂下沉量測及周邊收斂是監測隧道支護和圍巖變形情況，根據隧道具體開挖方法，該段隧道設計采用臺階發開挖，圍巖為Ⅳ級，因此監控量測點位，按照監測斷面布設間距為5～10 m，拱頂沉降測點在隧頂布設2～3個測點，周邊位移每臺階布設一對測點。量測點應錨入基巖不小于30 cm深，確保錨固穩定，同時測量標識應醒目，避免隧道洞內操作人員及施工機械誤傷破壞。測量點靶心應采用滿足測量儀器要求的反光膜靶心貼標，確保測量方便快捷。對于軟弱夾層段落地質變化段，監控量測點位應適當加密。根據圍巖的動態調整，若現場施工工法進行了調整，測量點位布設應根據規范做相應的調整。

4.2.2 監測方法

根據測量儀器的不斷迭代升級，測量方式和精度不斷提高，該隧道均采用非接觸免棱鏡光學測量方法進行監控量測，測量的基準點采用隧道施工坐標系，應布置于相對已穩定的仰拱或二襯段。測量儀器的選擇應為精度在2"以內的免棱鏡全站儀，測距精度應達到±（2 mm+2×10-6）以內。測量方法采用三維坐標自動儲存讀取、傳送，進行空間及水平收斂數據采集及后臺算法處理。

4.3 隧道監控量測預警管理

（1）根據《公路隧道施工技術規范》（JTG/3660—2020）隧道監控量測預警管理是根據隧道監控量測數據綜合對圍巖體溫度性進行判斷，通過拱頂下沉數據、水平收斂數據收斂分析，對隧道進行施工及安全的預警及指導施工。按照位移測量等級管理，對于隧道位移量的變化按表1執行。

（2）根據監控數據指導施工。監控量測速率變化的大小直接反應圍巖位移變化的劇烈程度，也直接與施工安全生產息息相關，通過地表尾礦位移監測情況結合隧道洞內監控量測情況，可對隧道施工的安全進行綜合判斷。當位移速率大于1 mm/d時，則反映隧道圍巖處于劇烈的變形狀態，加強初期支護應重點關注并注意施工安全;當位移速率大于1～0.2 mm/d時，則反映隧道圍巖處于緩慢變形狀態，應加強觀測，做好加固準備;當位移速率小于0.2 mm/d時，則反映隧道圍巖處于基本穩定狀態。

（3）隧道二襯施作條件。二次襯砌施工應是在隧道圍巖及初期支護變形基本穩定后，根據監控量測位移速率變化情況，還應具備：隧道水平收斂位移速率小于0.2 mm/d，拱頂下沉速率小于0.15 mm/d。隧道位移的相對量，已達到總量的90%以上，回歸曲線分析處于穩定狀態。二次襯砌施作條件，除根據監測數據外，還應根據現場實際情況因地因時，確定二次襯砌施作時間。

5 結語

通過對納晴高速公路小馬廠隧道與該隧道洞頂鉛鋅尾礦庫耦合影響開展監測技術研究。為規避尾礦在填筑的過程中對側下方隧道施工襯砌結構安全的影響，以及隧道建造的過程中對尾礦穩定性方面的相互耦合作用影響，不會因棄方體的加載應力和側向推力對隧道施工產生危害。在洞內和洞外建立聯合監控監測系統及預警機制，通過洞外鉛鋅尾礦棄方體上布設高精度GNSS自動監測系統，洞內專項建立開挖、初支、襯砌監控監測體系，達到了內外聯動數據共享綜合分析。對現場隧道施工和鉛鋅尾礦棄方進行科學、高精度數據預警和監控，起到了良好的效果。

參考文獻

[1]張艷艷， 郭朋朋. 基于物聯網的公路邊坡危巖體監控預警系統[J]. 自動化與儀器儀表， 2021（10）：144-147.

[2]梁中沛， 郭興. 高速公路高邊坡治理中對監測技術的應用[J]. 中國高新科技， 2019（12）：94-95.

[3]張南童. 高速公路高邊坡無線遠程監測技術應用[J]. 交通世界， 2021（9）：79-80.

[4]王少強， 趙飛. 監測技術在高速公路高邊坡治理中的應用[J]. 公路工程， 2010（2）：31-34.