板巖隧道施工監(jiān)測體系及預(yù)警技術(shù)研究

郭志剛

（中交路橋南方工程有限公司，北京101100）

1 引言

自20世紀(jì)60年代新奧法提出以來，人們對隧道監(jiān)測技術(shù)有了新的認(rèn)識和研究，從測試項目、測試方法、測試工具、數(shù)據(jù)處理、信息反饋等方面開展了系列研究，也取得了系列成果【1～5】。王運(yùn)橋【6】基于數(shù)據(jù)庫、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與隧道施工理念的結(jié)合，研發(fā)了于隧道人員定位及圍巖監(jiān)測的信息綜合管理系統(tǒng)，并在工程中得到了應(yīng)用；陳小雄【7】提出了結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行監(jiān)測過程控制的方法，強(qiáng)調(diào)監(jiān)測過程的有效控制，以及監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)象對比，才能保證預(yù)警的準(zhǔn)確和及時，并指出保證監(jiān)測數(shù)據(jù)可信的6個條件。

板巖在我國分布較為廣泛，成因使其具有層理結(jié)構(gòu)特性，內(nèi)部多存在板狀劈理、裂隙等缺陷，表現(xiàn)有明顯的各向異性。本文將以板巖隧道為研究對象，提出板巖隧道施工監(jiān)測體系，以及板巖隧道的預(yù)警措施，為板巖隧道的開挖質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

2 板巖隧道施工監(jiān)測體系

2.1 監(jiān)測范圍

板巖隧道施工監(jiān)測體系需涵蓋整個施工階段中的所有因素，具體包括掌子面開挖前的超前地質(zhì)預(yù)報，開挖過程中及開挖完成后圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力監(jiān)測，以及整個施工過程中的人員巡查，下面將分別進(jìn)行說明。

2.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報是監(jiān)測體系中的第一道屏障，是對掌子面前方及其周邊未開挖圍巖和地層情況做出的預(yù)報，如巖性、結(jié)構(gòu)、斷層、巖溶、破碎帶、暗河等。超前地質(zhì)預(yù)報所反饋的信息對掌子面開挖方法及輔助措施的確定具有直接指導(dǎo)意義。

2.1.2 圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測

圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測項目包括必測和選測項目：必測項目包括拱頂下沉、周邊位移、凈空變化等；選測項目包括地表下沉、圍巖內(nèi)部位移、圍巖壓力、錨桿軸力、鋼支撐內(nèi)力內(nèi)力、襯砌內(nèi)力等項目。

2.1.3 人員巡查

圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測由于施工作業(yè)條件（如空間、可見度等）及測量設(shè)備的限制，常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集不及時的問題。另外，單純的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析往往存在一定的片面性，因此，人員巡查可以配合圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測使用，共同成為監(jiān)測體系的一部分，兩者反饋信息的綜合分析才更可靠。人工巡檢內(nèi)容包括地質(zhì)及支護(hù)狀態(tài)觀察、滲漏水、預(yù)埋件狀態(tài)、鋼筋銹蝕、混凝土碳化、構(gòu)件強(qiáng)度等方面。

2.2 監(jiān)測布點(diǎn)

超前地質(zhì)預(yù)報的測試原則是在保證監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠的前提下，盡量減小對圍巖的擾動。圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的必測項目布點(diǎn)間距一般為10～50m，對于洞口段、淺埋段、特別軟弱地層布點(diǎn)距離要小于20m，選測項目視情況而定，代表性斷面一般要布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。人員巡查在爆破、開挖、初期支護(hù)后必須開展，其他時段按固定頻率開展。下面主要介紹幾個監(jiān)測項目的布點(diǎn)要求。

2.2.1 周邊收斂

初期支護(hù)完成后進(jìn)行量測，斷面設(shè)置距離如上所述，每個斷面設(shè)置3～6條線，收斂線條數(shù)取決于開挖方式和地質(zhì)條件。

2.2.2 拱頂下沉

拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)一般布設(shè)在拱頂中心線上，洞跨較大時，可在拱頂設(shè)置3個監(jiān)測點(diǎn)，當(dāng)有側(cè)墻或中隔墻時，在側(cè)墻和中隔墻下部左右臺階處埋設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。

2.2.3 錨桿內(nèi)力監(jiān)測

錨桿內(nèi)力監(jiān)測一般間隔10m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，每個斷面至少對3根錨桿進(jìn)行監(jiān)測。

2.2.4 地表下沉

地表下沉監(jiān)測點(diǎn)與周邊收斂和拱頂下沉監(jiān)測點(diǎn)布置在同一橫斷面上，斷面間距為5～50m，具體取決于埋深和洞跨的關(guān)系，每個監(jiān)測斷面至少埋設(shè)7個監(jiān)測點(diǎn)。

2.2.5 圍壓壓力與支護(hù)壓力

測點(diǎn)布設(shè)在代表性斷面，每個斷面布設(shè)測點(diǎn)5～8個，每個測點(diǎn)一般設(shè)置1個壓力盒。

2.2.6 鋼支撐內(nèi)力

測點(diǎn)布設(shè)在代表性斷面，每個斷面布設(shè)測點(diǎn)5～8個，每個測點(diǎn)一般設(shè)置2個應(yīng)力計。

2.3 監(jiān)測方法

超前地質(zhì)預(yù)報測試方法很多，具體包括地質(zhì)法、超前鉆探法、超前導(dǎo)坑、地質(zhì)雷達(dá)法、地震波反射波法、紅外探水法等，每種方法都有自身的優(yōu)勢和不足，實(shí)際工程中為保證預(yù)報結(jié)果的可靠性，一般綜合采用2種甚至集中測試方法，相互補(bǔ)充，相互驗(yàn)證。

圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測目前以人工測試為主，通過收斂計、土壓力計、鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變計、鋼筋應(yīng)力計、全站儀、水準(zhǔn)儀、鋼尺等監(jiān)測設(shè)備開展測量工作，但人工測試方法經(jīng)常受限于施工條件，如開挖空間、可見度的影響，或者現(xiàn)場出現(xiàn)突發(fā)狀況導(dǎo)致監(jiān)測人員無法測試等，這些都會導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)的滯后。目前，可以借助數(shù)據(jù)庫、云平臺、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)和相關(guān)測試?yán)碚撻_發(fā)監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集與分析。

3 板巖隧道風(fēng)險預(yù)警技術(shù)

風(fēng)險預(yù)警是應(yīng)對風(fēng)險的存在做出的提前響應(yīng)，從根本上遏制風(fēng)險的進(jìn)一步演化，從程序上可以將風(fēng)險預(yù)警機(jī)制劃分為風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險決策3個環(huán)節(jié)，下面將針對板巖隧道從以上3個方面進(jìn)行說明。

3.1 風(fēng)險識別

風(fēng)險識別可以劃分為3個層面：一是施工前的風(fēng)險預(yù)測，即通過采用超前地質(zhì)預(yù)報對掌子面前方可能存在的地質(zhì)風(fēng)險進(jìn)行識別，如斷層、破碎帶、軟弱夾層、溶洞等，這一層面的風(fēng)險識別精度在很大程度上決定了隧道開挖的整體質(zhì)量；二是開挖過程中風(fēng)險的動態(tài)監(jiān)測，即通過對圍巖與支護(hù)體系變形和內(nèi)力的監(jiān)測，以及工作人員的現(xiàn)場巡查，尤其是在爆破開挖后對新揭露巖體性狀的觀察來對開挖后隧道的穩(wěn)定風(fēng)險進(jìn)行識別；三是施工管理風(fēng)險，工作人員的專業(yè)素養(yǎng)與安全意識，以及施工管理體系都是這一層面上所需識別的風(fēng)險，這類風(fēng)險在實(shí)際施工中容易被忽視。

3.2 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估可以分為2類：第一類是針對前面的第一層面與第二層面風(fēng)險，需要對現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、篩選、分析，并對相關(guān)風(fēng)險進(jìn)行評估，進(jìn)而對隧道開挖中的安全情況有個整體掌握，以確保相關(guān)風(fēng)險預(yù)警信息發(fā)出的時效性；第二類是針對前面的第三層面的風(fēng)險，是對隧道施工過程中環(huán)境、設(shè)備、人員、管理體制進(jìn)行評估，對其中的風(fēng)險項進(jìn)行歸納，為風(fēng)險決策提供基礎(chǔ)。

風(fēng)險評估環(huán)節(jié)需要制定完善的評估制度，并根據(jù)這套評估制度進(jìn)行風(fēng)險評估，整理出其中的風(fēng)險項，并對此制定相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制。評估依據(jù)包括相關(guān)的管理政策、規(guī)定、辦法，相關(guān)的國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，以及項目本身的文件要求。

3.3 風(fēng)險預(yù)警與決策

風(fēng)險預(yù)警與決策是根據(jù)所獲取的風(fēng)險信息進(jìn)行決策，包括預(yù)警值的確定以及決策機(jī)制的建立2部分。板巖隧道的預(yù)警值包括允許值、警戒值、基準(zhǔn)值，警戒值與基準(zhǔn)值分別為允許值的2/3和1/3，滿足以下要求：

1）拱頂下沉、水平收斂允許值：V級圍巖100mm、IV級圍巖70mm、III級圍巖40mm；

2）仰拱隆起：允許值30mm；

3）地表沉降：允許值50mm。

風(fēng)險預(yù)警采用三級管理：

1）達(dá)到或超過允許值，作I級報警。當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，也應(yīng)采取I級報警：（1）變形速率，拱頂沉降速率連續(xù)5d超過30mm/d，連續(xù)4d超過40mm/d，連續(xù)3d超過50mm/d，呈加速趨勢；（2）量測值發(fā)生突變；（3）初期支護(hù)或二次襯砌裂紋寬度達(dá)5mm；（4）洞口地表出現(xiàn)開裂、坍塌；（5）洞內(nèi)圍巖壓力有明顯異常；（6）時態(tài)曲線長時間沒有變緩。

2）達(dá)到或超過警戒值應(yīng)作II級報警。

3）達(dá)到或超過基準(zhǔn)值應(yīng)作III級報警。

4）基準(zhǔn)值以下正常施工。

針對I級報警，需迅速組織有關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行評估，或啟動遠(yuǎn)程專家會診系統(tǒng)，獲得專家鑒定意見，借用應(yīng)急預(yù)案快速處理現(xiàn)場安全問題。

4 結(jié)語

隧道開挖階段的監(jiān)測及預(yù)警對施工全過程具有直接指導(dǎo)作用，可有效保證隧道的開挖質(zhì)量。本文以板巖隧道為對象，構(gòu)建了由監(jiān)測范圍、監(jiān)測布點(diǎn)與頻率、監(jiān)測方法等組成的施工監(jiān)測體系，并在此基礎(chǔ)上提出了由風(fēng)險識別、風(fēng)險評估、風(fēng)險預(yù)警與決策組成的板巖隧道施工監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，可有效應(yīng)對施工過程中潛在的風(fēng)險因素，進(jìn)而保證隧道的開挖質(zhì)量。