監測技術在下穿高速公路隧道支護監測工程中的應用研究

李健，陳凱然，張科研，蘇宏

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100000）

1 引言

傳統隧道監測數據采集，多以高精度水準儀、全站儀等光學儀器采集平面和高程數據，數據采集費時費力，并且傳統接觸式測量無法保證測量數據質量，也會產生一系列安全隱患，同時平面坐標和高程數據相對獨立，大幅降低了數據的采集和處理效率。通過在隧道支護結構內部埋設特定的傳感器，如ZHRS-GJ20 型振弦式鋼筋計、ZHRS-TY 型振弦式土壓力計、ZHRS-HYB 型振弦式混凝土應變計、ZHRS-DB 網絡式動態信號采集分析儀，可以遠程、實時地監測隧道結構的穩定性變化。這種監測方式不僅保障了隧道施工的安全性，同時具備了自適應學習、數據采集等功能，并可進行數據的實時傳輸，提高了監測數據分析的科學性和時效性。

2 監測技術分析

2.1 Z H RS-G J20 型振弦式鋼筋計

ZHRS-GJ20 系列振弦式鋼筋計是一種測力和應力、應變的傳感器，主要用于混凝土結構中的鋼筋、錨桿等軸向受力狀態測量，也可用于鋼拉桿、鋼支撐、鋼拱架、鋼梁、柱等鋼結構應力、應變等力學參數的測量。加裝測溫配件，可同步測量埋設點的溫度[1]。

ZHRS-GJ20 系列振弦式鋼筋計是由高強度圓鋼經數次熱處理調值后加工制成的，中間裝有高靈敏度的振弦式系統組件，兩端由螺牙與標稱直徑的安裝桿連接，使用時將安裝桿與被測鋼筋（或其他鋼體）按要求連接即可。

2.2 Z H RS-H Y B 型振弦式混凝土應變計

ZHRS-HYB 型振弦式混凝土應變計承接應變的盒體采用傳統的液壓囊作為一次應變感應體，并充分考慮此感應體與埋設點應力場的匹配；選用高精度小體積振弦式孔隙壓力計作為二次傳感部位，測量精度比目前國內同類產品提高一個數量級以上，且測量值不受長電纜影響，更適合自動化測量。ZHRS-HYB 型振弦式混凝土應變計用于埋設在混凝土壩等水工建筑物或其他大體積混凝土建筑物內部，以長期測量混凝土內部壓應力，并可同步測量埋設點的溫度。

2.3 Z H RS-T Y 型振弦式土壓力計

ZHRS-TY 型振弦式土壓力計是一種比較理想、安全可靠的振弦式土壓力計。該產品的引出電纜經過二次密封，防水能力很強。廣泛適用于長期測量土石壩、防波堤、護岸、碼頭岸壁、高層建筑、管道基礎、橋墩、擋土墻、隧道、地鐵、機場、公路、鐵路、防滲墻結構等建筑基礎所受土體的壓應力，是了解土體對土中構筑物壓應力變化量的有效監測設備。ZHRS-TY型為通用型，ZHRS-TYS 為振弦式雙膜土壓計，采用承壓膜片傳遞引力，解決集中應力的影響。

2.4 Z H RS-DB 網絡式動態信號采集分析儀

每個測點有一個BNC 輸入端子，設置為電壓輸入時可以直接接入電壓信號。儀器每個通道采用獨立24 bits ADC，具有較高的信噪比，保證每個通道同步采集，多臺儀器組網時也能保證所有通道的同步性。

3 監測技術在隧道監測中的應用探究

現以四川省綿陽市創業大道西延線下穿G5 京昆高速綜合管廊隧道監測工程為例，開展相關的研究分析。

創業大道西延線綜合管廊下穿綿廣高速公路處（樁號K5+363.411～K5+421.411）共58 m 長，凈寬5.25 m，凈高4.85 m，與綿廣高速公路成90°夾角。

隧道施工采用淺埋暗挖施工方法從出口端進洞開挖施工，以減小對G5 高速公路的影響，同時避免施工對既有輸油管線的擾動。管廊隧道埋深約8 m，暗挖隧道出口位置距離G5高速公路界樁10.75 m，距離高速路基邊溝18.75 m。G5 高速既有路基坡腳寬24.5 m。

隧道周邊地質多為中風化泥巖，圍巖等級為V 級，采用通長大管棚+超前小導管進行超前支護；地下水類型為基巖裂隙水，水量較平泛，施工時局部成淋雨狀出水，由于該段隧道施工條件和地質條件的復雜性，更加體現了隧道監測的重要性。

本次研究通過傳統的光學儀器隧道監測技術和智能監測技術相結合共同揭示復雜施工環境下隧道支護結構的變化規律。

3.1 監測點布置

為了監測高速公路行車動態荷載對隧道結構的應力變化，在隧道初支完成面設置3 個觀測橫斷面，每個橫斷面環向布置1 個加速度傳感器、8 個ZHRS-GJ20 型振弦式鋼筋計、8 個ZHRS-HYB 型振弦式混凝土應變計、8 個ZHRS-TY 型振弦式土壓力計，共計75 個傳感器，并且監測橫斷面全部設置在高速路正下方。

專案組人員說，像謝暉這樣霸道、貪婪的官員令人咋舌。他的人生走向了另一個極端，無限放大“主觀能動”，瘋狂地把權力當作謀取私欲的工具。執法犯法，踐踏法制，一步步“搬進”了自己親手筑起的牢籠。案情披露，在對謝暉立案審查前，紀檢部門已掌握其涉嫌收受張某等3名私營業主650萬元人民幣，兌換外幣480萬元，將2000余萬元交由張某等保管的違紀違法事實。其余涉及收受私營業主及干部賄賂、濫用職權、巨額財產來源不明、非法持有私藏彈藥等違法問題，均是對謝暉審查期間，其本人如實供述的。公訴機關在起訴時，并未就謝暉所供述的非法持有、私藏彈藥行為提出控訴。

在圖1 中監測斷面位置，二次襯砌與初期支護之間設置應力傳感器，同時在隧道縱向拱頂對應位置，初支與二襯之間設置X、Y、Z 3 個方向的加速度傳感器。監測橫斷面布置如圖1 所示。

圖1 監測橫斷面布置示意圖

3.2 傳感器安裝

3.2.1 ZHRS-GJ20 系列振弦式鋼筋計安裝1）安裝前的準備

安裝前請做好以下工作：（1）儀器的校對檢查。備好鋼筋計，檢查規格型號、編號與廠家對每只儀器的出廠檢驗證書是否一致，安裝桿是否配齊等。（2）對每只鋼筋計都應用頻率計測讀零點頻率，做好記錄。該零點頻率與廠家檢驗合格證上的零點頻率的差值應不大于50 Hz。（3）將鋼筋計用電工膠布全部纏繞3～4 層。（4）引出加長的電纜應在室內提前接好，做好防水密封、編號、保護等工作。（5）鋼筋計拉桿與主筋連接的方式推薦采用綁焊。（6）預備工具、材料，如電工膠帶、尼龍扎帶、毛巾、水等。

2）現場安裝

一是綁焊。綁焊是將鋼筋計安裝在主筋上的一種安裝方法，先將鋼筋表面應力（變）計與安裝桿連接后，再把安裝桿焊接在主筋上，焊接時也要用與對接焊一樣的方法沖水冷卻。

二是保護電纜。電纜是鋼筋計唯一的信息通道，保護不當將會前功盡棄，安裝時必須作好電纜保護工作。安裝中電纜不允許懸空，須用塑料扎帶綁扎在鋼筋下側，每隔0.5 m 左右應扎一道，關鍵部位應增加保護管保護措施。

三是做好各項記錄。

3.2.2 ZHRS-HYB 型振弦式混凝土應變計安裝

混凝土應變計埋設時應特別注意受壓板與混凝土之間的充分接觸。應變計用以測量水平應變時，可用一支架將應變計固定在設計埋設點處，將除去8 cm 以上骨料的混凝土覆上，用小型搗振器振搗后，去掉支架即可。特別提醒：混凝土硬化前切勿使應變計受到任何沖擊。

如應變計用以觀測垂直及傾斜方向時，須在混凝土硬化后進行應變計埋設。此種情況應變計的埋設方法如下：先在混凝土表面預留30 cm×30 cm×30 cm 的孔洞，24 h 后將埋設坑表面刷毛，在底部用砂漿鋪平（厚度約5 cm），待砂漿初凝后（約1.5 h），再用80 g 水泥、120 g 細砂（料徑≤0.6 mm）和適量水拌成塑性砂漿，做成圓錐狀幾何體置于埋設孔洞中央，然后用應變計輕輕旋壓使砂漿從應變計底盤邊緣擠出，再用三腳架放在應變計表面，施加200 N 荷重，將除去8 cm 以上大骨料的同標號混凝土覆上，并用小型搗振器振搗，然后輕輕取出三腳架，并在埋設處插上標志即可。傾斜方向應變計的埋設可參考水平方向應變計的埋設方法[2]。

3.2.3 ZHRS-TY 型土壓力計安裝

ZHRS-TY 型土壓力計光面為受壓面，用于監測土體對支護體界面土壓力時，應注意土壓力計的受壓面須面對欲測量的土體，并設法讓受力面與土體充分接觸。在人體不宜到達處，必要時應加裝不同的附件。

用于測試混凝土應力時，應特別注意受壓板的方向及與混凝土之間的充分接觸，不能存在氣泡和空隙，埋設時儀器周邊的混凝土中應除去粒經大于8 cm 的石料，用人工搗實。

3.3 數據采集

3.3.1 地表沉降數據采集

監測方法采用二等幾何水準方法施測。觀測方法具體為：根據現場情況選定一條閉合水準路線；或從一個水準點出發至另一水準點，選定一條附合水準路線。安置水準儀的測站至前、后視立尺點的距離，應該量距并使其相等[3]。

3.3.2 內應力傳感器數據采集

內應力傳感器數據采集需要體現結構物在不同施工工序，不同時間跨度上內應力的變化值。因此，第一次數據采集要在傳感器安裝完成后，二次襯砌澆筑前作為傳感器的初始值；二次襯砌澆筑完成之后可進行第二次數據采集；在結構物澆筑成型之后，數據采集頻率為1 次/d；當結構物趨于穩定后，視現場施工情況而定，可適當調整觀測頻率。

3.3.3 加速度傳感器數據采集

加速度傳感器為了采集高速路行車荷載不同位置對結構物產生的動態影響。在數據采集前需要配備相應的配套設施（包括便攜式筆記本電腦、4 通道動態數據采集儀、YHT-SA 加速度處理軟件）。數據的采集要在不同時間段進行，以便獲取不同車流量，不同載重車輛產生的加速度數據。

3.4 數據分析

鋼筋計應力變化、混凝土應力變化及土壓力變化如圖2所示。圖2 中A～E 曲線為隧道斷面不同區域的鋼筋受力點應力變化；F 為混凝土應力變化曲線；G 為土壓力變化曲線。根據圖2 可以分析出隨著時間周期的推移，高速路面傳導至隧道結構的荷載變化情況。

圖2 鋼筋計應力變化曲線圖

4 結語

由于各種施工條件、地質條件的限制，采用現代測繪技術手段，改進與加強隧道變形監測工作，有助于評定隧道變形量的健康狀況，合理優化隧道工程的施工環節，通過本項研究可為類似的隧道工程提供監測技術指導。