隧道施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及思考

唐文棟，馬振波

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032；2.內(nèi)蒙古嘉和建設(shè)項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

1 引言

隧道監(jiān)控量測(cè)是保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全和實(shí)現(xiàn)信息化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)化施工的基礎(chǔ)。綜合分析施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)所得的直觀信息，認(rèn)真解讀監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)，以保證隧道施工安全、施工節(jié)奏合理及結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；對(duì)隧道施工全過程中提取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的分析及反分析，以檢驗(yàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)；掌握隧道結(jié)構(gòu)受力及變形規(guī)律，控制隧道變形速率，以制定合理的隧道作業(yè)節(jié)奏，保障隧道施工安全高效，從而做到信息化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)化施工。目前，隨著工程復(fù)雜度與監(jiān)控量測(cè)技術(shù)手段的交替螺旋式提升，隧道及基坑工程監(jiān)控量測(cè)發(fā)展進(jìn)入到了一個(gè)嶄新的階段[1]。

2 隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前通用的針對(duì)隧道施工所進(jìn)行的監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括4個(gè)必測(cè)項(xiàng)目和11個(gè)選測(cè)項(xiàng)目，通過這些監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形狀態(tài)有一個(gè)較為全面的掌控。4個(gè)必測(cè)項(xiàng)目分別是隧道地質(zhì)和支護(hù)結(jié)構(gòu)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表沉降。由于隧道工程狀況的復(fù)雜性和前期不確定性，因此要求根據(jù)實(shí)際工程的特殊性，選擇合適的監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目，制定針對(duì)性的隧道監(jiān)控量測(cè)方案。在監(jiān)測(cè)手段方面精密儀器、自動(dòng)化儀器的投入應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速提升，使得隧道監(jiān)控量測(cè)工作進(jìn)入新的階段[2]。

2.1 監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

拱頂下沉及周邊位移的量測(cè)需沿隧道軸線在初期支護(hù)上均勻地布置測(cè)點(diǎn)，目前測(cè)點(diǎn)的主要布置方式為通過膨脹鉤或自制φ6鋼筋鉤錨固于初期支護(hù)上[3]，應(yīng)結(jié)合隧道開挖方法合理布置測(cè)點(diǎn)。對(duì)于分部開挖隧道，應(yīng)盡量確保測(cè)點(diǎn)布置在同一斷面內(nèi)形成閉環(huán)。測(cè)點(diǎn)布置形式如圖1所示。同時(shí)應(yīng)結(jié)合隧道實(shí)際環(huán)境要求開展相應(yīng)的選測(cè)項(xiàng)目，陳建勛[4]對(duì)選測(cè)項(xiàng)目的測(cè)點(diǎn)布置方式及測(cè)量方法皆作出了較為詳細(xì)的描述，在此不再贅述。

測(cè)點(diǎn)的布置宜由監(jiān)測(cè)單位負(fù)責(zé)，施工單位予以配合實(shí)施。各測(cè)點(diǎn)的預(yù)埋件應(yīng)當(dāng)牢固可靠，不易破壞，具有一定的耐久性。在實(shí)際施工中存在施工單位自行埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)埋設(shè)不及時(shí)、不規(guī)范的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量作業(yè)不能按規(guī)范開展，測(cè)量數(shù)據(jù)不能反映隧道真實(shí)情況。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

按照規(guī)范要求對(duì)于隧道周邊位移和拱頂下沉的測(cè)量，初始值的采集對(duì)于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能否反映真實(shí)的隧道變形量起到控制性作用，因此要求測(cè)點(diǎn)與隧道掌子面的距離應(yīng)在2m以內(nèi)[3]，但在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過程中往往無法滿足，主要原因是掌子面附近噴射混凝土過程中易造成測(cè)點(diǎn)的污損和破壞，同時(shí)噴射混凝土的強(qiáng)度不足易造成測(cè)點(diǎn)布設(shè)不牢固；另外在下一循環(huán)施工過程中超欠挖及施工工藝的粗放易造成測(cè)點(diǎn)的破壞。鑒于施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，監(jiān)測(cè)工作應(yīng)當(dāng)在力所能及范圍內(nèi)優(yōu)化測(cè)點(diǎn)布設(shè)時(shí)機(jī)，施工過程中注重對(duì)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)，以確保掌子面附近監(jiān)測(cè)初始資料采集的及時(shí)性和連續(xù)性。

地表沉降監(jiān)測(cè)則需沿隧道軸線布置若干由測(cè)點(diǎn)組合而成的監(jiān)測(cè)斷面，以全面監(jiān)測(cè)隧道施工全過程中圍巖穩(wěn)定性，確保施工安全，周邊影響可控。地表沉降測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)當(dāng)埋設(shè)混凝土水準(zhǔn)標(biāo)石保證測(cè)點(diǎn)的穩(wěn)定性和耐久性，地表沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)置2個(gè)以上的基點(diǎn)，滿足數(shù)據(jù)校核需求，基點(diǎn)位置在隧道開挖影響范圍以外，一般取3～5倍隧道洞徑范圍。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目開展

①隧道地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察

該項(xiàng)目采取觀測(cè)形式，直觀地了解隧道開挖所呈現(xiàn)出的圍巖性質(zhì)狀況、地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況、地下水情況及支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作情況。

②周邊位移量測(cè)

周邊位移的量測(cè)主要選用收斂計(jì)，在隧道條件滿足的情況下亦可選用高精度全站儀。一般按照之前設(shè)計(jì)的測(cè)線埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)于采用上下臺(tái)階法施工的隧道通常在上臺(tái)階開挖完成后進(jìn)行上臺(tái)階測(cè)線的數(shù)據(jù)采集，下臺(tái)階開挖完成后進(jìn)行下臺(tái)階測(cè)線的數(shù)據(jù)采集。受施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件限制，在下臺(tái)階開挖完成后一般將只量測(cè)下部測(cè)線[5]。

③拱頂下沉量測(cè)

拱頂下沉的量測(cè)方式整體上可分為直觀量測(cè)和間接推算兩種。可選用銦鋼尺配合精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行量測(cè)；也可通過在隧道拱頂均勻布設(shè)反光貼片配合精密全站儀進(jìn)行量測(cè)；還可選用周邊位移量測(cè)數(shù)據(jù)推算隧道拱頂下沉量[6]。

對(duì)于拱頂下沉的量測(cè)，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性以及設(shè)置是否規(guī)范對(duì)于測(cè)量結(jié)果有著直接影響?；鶞?zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意選擇合適的埋設(shè)位置和埋設(shè)方法，并在施工中加強(qiáng)保護(hù)。隧道施工規(guī)范[3]對(duì)隧道拱頂下沉監(jiān)控量測(cè)的精度要求為0.1mm，但是在實(shí)際操作中，一般的全站儀并不能達(dá)到如此精度必須采用精密水準(zhǔn)儀才能達(dá)到規(guī)范要求的精度，精密水準(zhǔn)儀在使用過程中應(yīng)注重保養(yǎng)進(jìn)行定期的檢定和校準(zhǔn)[7]。

④地表沉降量測(cè)

一般可用水準(zhǔn)儀量測(cè)，也可用高精度全站儀進(jìn)行觀測(cè)[8]。地表沉降要求根據(jù)圍巖條件及周邊環(huán)境要求確定監(jiān)測(cè)斷面和測(cè)點(diǎn)間距，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)及時(shí)記錄處理以全面分析并預(yù)測(cè)隧道施工過程中地表變形變化趨勢(shì)，進(jìn)而指導(dǎo)施工與設(shè)計(jì)。

3 新技術(shù)新方法在監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，監(jiān)控量測(cè)方法及設(shè)備也在不斷改進(jìn)，隧道監(jiān)控量測(cè)朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展，在保證高精度的同時(shí)提高監(jiān)控量測(cè)作業(yè)效率。

3.1 三維激光掃描在隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用

三維激光掃描是一種快速獲取空間三維信息的技術(shù)手段，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)模式向海量自動(dòng)獲取模式轉(zhuǎn)變，并且在信息采集過程中高精度高準(zhǔn)確度等優(yōu)點(diǎn)十分突出[9]。這一技術(shù)目前也在逐步推廣到隧道監(jiān)控量測(cè)當(dāng)中來，相比傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段優(yōu)勢(shì)明顯。

借助隧道激光掃描儀獲取隧道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立隧道三維模型，并借助點(diǎn)云拼接、橢圓擬合算法等手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過比對(duì)不同階段不同時(shí)間的隧道模型差異對(duì)隧道變形規(guī)律加以研究。激光掃描通過海量的高精確點(diǎn)位數(shù)據(jù)確保所建隧道模型的精確性，對(duì)于變形數(shù)據(jù)的敏感性更高，變形結(jié)果更為直觀，結(jié)合目前的AR技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息化。

在滬昆客運(yùn)專線茶廳隧道監(jiān)測(cè)中進(jìn)行運(yùn)用，建立三維空間實(shí)體模型和對(duì)比模型，對(duì)隧道凈空收斂情況跟蹤監(jiān)測(cè)，在實(shí)際運(yùn)用中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了及時(shí)的預(yù)警，避免了隧道塌方事故的發(fā)生，取得了較為理想的效果。

3.2 隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與處理是隧道監(jiān)控量測(cè)工作的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通常數(shù)量巨大，數(shù)據(jù)處理通常需要耗費(fèi)大量的精力。因此，必須要充分利用現(xiàn)有資源，搭乘科技發(fā)展的順風(fēng)車，利用現(xiàn)代化信息技術(shù)手段的處理對(duì)海量的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效地處理，并對(duì)數(shù)據(jù)加以分析形成報(bào)表并結(jié)合前期設(shè)定的警戒值，特殊情況自動(dòng)完成預(yù)警，及時(shí)反饋到現(xiàn)場(chǎng)施工當(dāng)中，并及時(shí)總結(jié)規(guī)律結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況指導(dǎo)后期施工，最終形成信息化設(shè)計(jì)和施工[10]。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集過程中難免收到外部環(huán)境及測(cè)量人員本身因素的影響，造成個(gè)別數(shù)據(jù)存在誤差甚至錯(cuò)誤，針對(duì)此類問題現(xiàn)場(chǎng)可適當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的校核和復(fù)核加以消除，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無法消除的誤差通過有效的數(shù)學(xué)方法將其降到可控范圍內(nèi)。回歸分析是規(guī)范規(guī)定的處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為有效的數(shù)學(xué)方法，但是鑒于各工程工況千差萬別，隧道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)并不能簡(jiǎn)單的用一種回歸模型加以分析，因此必須結(jié)合實(shí)際情況選擇合適本工程的回歸模型。

前期隧道設(shè)計(jì)大都是依據(jù)地勘資料，但有限的鉆探及現(xiàn)場(chǎng)少量取樣試驗(yàn)并不能真實(shí)地反映隧道的受力狀態(tài)，所以據(jù)此所設(shè)計(jì)的隧道支護(hù)參數(shù)及施工節(jié)奏可能并不能在現(xiàn)場(chǎng)合理推廣。此時(shí)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)便呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)獲得的巨量一手?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行反分析，可準(zhǔn)確計(jì)算隧道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，進(jìn)而確定隧道的施工節(jié)奏及支護(hù)參數(shù)，信息化施工以保證隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

3.3 隧道施工自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

信息技術(shù)手段的提升推動(dòng)監(jiān)控量測(cè)自動(dòng)化發(fā)展，隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)是依托無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用技術(shù)，在隧道既有環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)在無人狀態(tài)下監(jiān)測(cè)設(shè)備24h自主作業(yè)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)梳理并直接呈現(xiàn)初步分析結(jié)果，極大地提高了監(jiān)測(cè)作業(yè)的效率，自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)的推廣可帶來顯著地社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益[11]。

隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作業(yè)方式是首先由傳感器感知數(shù)據(jù)變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)匯總傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和初步處理，監(jiān)測(cè)人員主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的維護(hù)并結(jié)合需要對(duì)控制系統(tǒng)的初步數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行深入的研究。

同時(shí)，隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備在投入運(yùn)營(yíng)的隧道進(jìn)一步使用的前景[12]。

3.4 隧道超前預(yù)報(bào)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠輔助判斷掌子面前方圍巖的狀況，對(duì)突涌水、溶洞等不良地質(zhì)狀況提前做出預(yù)測(cè)以做出相應(yīng)的預(yù)防措施，推動(dòng)施工信息化動(dòng)態(tài)化。

目前對(duì)于短距離的超前預(yù)報(bào)以地質(zhì)雷達(dá)法為主，面對(duì)地下復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出了很強(qiáng)的適用性，整體預(yù)報(bào)效果理想，但是在超前預(yù)報(bào)過程中地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于設(shè)備采集參數(shù)設(shè)置，以及后期圖像的處理方面存在多解性，處理人員的主觀性很強(qiáng)，對(duì)人員素質(zhì)的要求較高。地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際隧道工程中的推廣應(yīng)用對(duì)設(shè)備的操作簡(jiǎn)易化發(fā)展及人員專業(yè)化提出了更高的要求。

中長(zhǎng)距離的超前預(yù)報(bào)，目前以TSP法和地震波反射法為主，但是由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，儀器易受干擾，預(yù)報(bào)效果不太理想。還需根據(jù)實(shí)際情況改進(jìn)設(shè)備提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性[13]。

4 結(jié)論

監(jiān)控量測(cè)是隧道施工的必備保障項(xiàng)目，是掌握圍巖狀況及支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的重要手段，是降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)、推動(dòng)信息化設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)化施工的重要舉措。目前隨著新技術(shù)的發(fā)展隧道監(jiān)控量測(cè)也在朝著智能化的方向發(fā)展，但也仍然存在需要改善的相關(guān)問題，首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步提高對(duì)監(jiān)控量測(cè)工作的重視程度，提高監(jiān)控量測(cè)從業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)；要加強(qiáng)施工方與監(jiān)測(cè)方的有機(jī)結(jié)合，相互配合，積極研究；注重對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與整理，將有益的結(jié)論合理運(yùn)用到設(shè)計(jì)與施工當(dāng)中。希望今后監(jiān)控量測(cè)工作在指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)與施工方面能發(fā)揮更多更有效的作用。