隧道施工監(jiān)控量測技術分析

阮英利

（中鐵二十局集團第四工程有限公司，陜西 商洛 726000）

我國近些年公路隧道等基礎設施建設力度和建設規(guī)模都呈現不斷加大的趨勢，基礎設施有著更加復雜的功能和結構，隧道工程的長度和斷面也不斷擴大。在運營和使用期間，隧道的功能性、安全性標準要求逐漸提高。想要滿足時代發(fā)展需求，就要加強隧道工程施工質量管控，提高隧道施工技術水平。但是隧道工程往往處于環(huán)境惡劣、地質情況復雜、隱蔽性強的環(huán)境當中，作業(yè)空間有限，如果控制不當可能出現嚴重的安全事故，為此，要采取實時動態(tài)監(jiān)控測量的方式，確保第一時間發(fā)現隧道工程各個結構的實際情況，采取針對性的控制措施，避免發(fā)生質量安全事故。

1 監(jiān)控量測技術在隧道工程中的應用價值

處于復雜環(huán)境中的隧道工程有著多種特征，比如施工復雜性、隱秘性、不可量測性等。隧道施工中可能遇到諸多不可預見的問題導致施工難度增加，安全風險增大，比如常見的突水、塌方等事故。一旦出現這些事故將會引發(fā)嚴重的生命財產損失，甚至出現較大的社會影響。通過在隧道工程中應用監(jiān)控量測技術可以對隧道工程中存在的問題進行預測，保證工作人員明確隧道工程實際情況，并且采取針對性的控制方法，降低出現危險事故的概率。此外，在前期進行監(jiān)控量測還有助于為設計人員開展施工方案設計提供支持。

2 隧道監(jiān)控量測目的、內容及方法

2.1 監(jiān)控量測目的

在隧道開挖階段需要動態(tài)監(jiān)測支護結構的工作狀態(tài)以及圍巖的位移情況，常用工具包括水準儀、全站儀、羅盤、收斂計等。監(jiān)控量測的目的是獲取圍巖相關狀況數據信息，從而保證技術人員明確支護解耦股的性能，對開挖過程中的安全方面進行客觀判斷，并且對隧道二次襯砌施工時間進行科學確定。

2.2 隧道監(jiān)控量測內容

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

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儀、鋼尺、全站儀等設備量測拱頂下沉量，可以用收斂計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以內或者下此爆破前完成測點的布設，量測點要和開挖掌子面的距離控制在2 m以內，根據圍巖級別、施工方法、施工規(guī)范要求等方面做好測點數量、讀數頻率和停測時間的確定。同時，要盡量按照如圖1所示的方式在拱頂、拱腰兩側對稱布置測量點。

圖1 隧道拱頂下沉和周邊收斂量測點布置

（2）地表下沉。如果隧道埋深是隧道開挖跨度的2倍以內，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隧道地表下沉情況，以隧道中樁為對稱軸對稱布置地表下沉的測點，通常數量在6~10個之間。在布設中要適當增加隧道軸線測點的密度，適當降低距離隧道軸線遠的位置的密度。同時，要根據埋設深度確定地表下沉量測斷面。

3 隧道施工監(jiān)控測量技術的應用

某隧道右線全長354 m，為短隧道。隧址區(qū)屬構造侵蝕中低山溝谷切割地貌，進洞口一側受沖溝切割，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)進口一帶山頂大部分基巖裸露倒懸，陡傾裂隙發(fā)育，洞頂風化層及堆積體較厚，處于基本穩(wěn)定~欠穩(wěn)定狀態(tài)。該隧道設計速度為100 km/h，雙洞6車道，單洞限高5.0 m。

（1）洞內、外觀察。隧道工程監(jiān)控量測的必測項目之一就是隧道洞內外觀察，通過洞內外觀察可以對開挖位置地質條件有更加客觀的了解。此外，通過觀察隧道洞內外情況可以對噴層錨桿的狀態(tài)、支架結構組織可靠性展開客觀分析，工作人員得到的周邊圍巖的數據更加科學穩(wěn)定。很多隧道工程在開挖一段時間后會對地下水發(fā)育情況、斷層、洞內巖性等方面內容進行細致觀察，并且將開挖工作面相關地質情況進行實時記錄，對圍巖等級進行科學判斷。

（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到三個效果。第一，可以更加客觀地判斷隧道空間內部的穩(wěn)定性；第二，能夠更加科學地指導施工現場作業(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圍巖穩(wěn)定性進行評定，為后續(xù)施工作業(yè)提供指導，就支護結構穩(wěn)定性進行判斷。鋼卷尺、精密水準儀是拱頂下沉量測常用的儀器設備。首先，工作人員要將水準儀放置在拱頂測點和標準高程之間。在安裝好水準儀后需要對齊水準尺的最低端和標準高程點，利用水準尺將其調平，觀察水準儀讀數，拱頂測點的總高程如下式：H=H1+H2+H0其中，H1——水準尺記錄讀數；H2——普通鋼卷尺記錄讀數；H0——標準高程點的高程。拱頂高程差為兩次不同測試時間段內的拱頂下沉變化量。

（4）地表下沉量測。對于一些淺埋隧道工程，可能會影響到地表結構，此時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進行地表下沉量大小、地表下沉范圍、地表下沉穩(wěn)定時間、地表下沉量等方面的量測，同時要對其下沉規(guī)律進行細致分析。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會設置至少11個測點，并且根據施工隧道環(huán)境和地質條件選擇測點的間距，通常間距控制在2~5 m范圍內。在地表下沉量測點布置時需要結合實際地形情況，如果地形需要可以適當做好測點數量的增加，并且增加隧道軸線附近測點的密度。此外，工作人員還要埋設好預埋件，將其固定好，并且采取措施做好保護工作，可以設置警示牌等。在兩側地表下沉情況時工作人員首先要做好水準點的選擇，在選擇水準點時要注意避免對現場施工作業(yè)產生影響。然后兩側人員利用水準儀測量各個測點的高程，之后選取額外水專電校核測點高程。在量測時，要使用加掛鋼筋網、加長加密錨桿等措施提高結構整體強度。

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

4 隧道監(jiān)測測點布置

在布設監(jiān)測點時要保證其能夠將監(jiān)測對象的實際狀態(tài)和變化趨勢充分反映出來，在結構內力或者變形關鍵特征點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)測點布設原則。在布設頂部水平和豎向位移監(jiān)測點時要布置在基坑周邊，尤其要重點布設周邊中部、陽角位置。在圍護墻頂或者坡頂布設監(jiān)測點，尤其要在變形最大的位置布設監(jiān)測點。水平豎向位移監(jiān)測點不可布設在支撐位置。工作人員要按照不超過20 m的間距、不少于3個布設監(jiān)測點。

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

（3）立柱豎向位移監(jiān)測點布置原則。在地質條件較為復雜、多根支撐點交匯的位置以及基坑中部位置需要布設監(jiān)測點，并且按照數量為立柱總數量5%以上的標準控制監(jiān)測點數量。

（4）支撐軸力監(jiān)測點布置原則。工作人員在選擇布設位置時要盡量選擇較大支撐內力或者控制整個支撐系統(tǒng)的結構上。在監(jiān)測鋼筋混凝土支撐結構時可以在支點間1/3位置布設監(jiān)測點，避免在節(jié)點部位布設。如果采用表面應變計監(jiān)測鋼支撐結構，可以在兩支點1/3位置布設，并且在支撐端頭分別布設反力計監(jiān)測設備，避免在支撐活絡頭一側布設監(jiān)測點。在數量方面，需要在每道支撐上布設3個以上的監(jiān)測點，并且保證每道支撐監(jiān)測點處于同一垂直線上。鋼筋混凝土支撐的截面上布設4個以上的傳感器，在鋼筋混凝土支撐斷面4個角部主筋上分別布設傳感器，每個鋼支撐截面也要布設2個以上監(jiān)測點。

5 實際應用情況

該隧道按照6車道高速公路標準進行設計，該隧道基巖出露，隧址區(qū)進口一帶山頂大部分基巖裸露倒懸，陡傾裂隙發(fā)育，洞頂風化層及堆積體較厚，有局部巖性破碎層為主要不良地質。在地表沉降方面，研究設置測點于隧道洞口淺埋區(qū)段，設置斷面3個，每個斷面3個測點，對邊坡以及地表穩(wěn)定性進行測試。該隧道內地表沉降值已經穩(wěn)定。在隧道周邊位移方面，該案例埋設測點于隧道圍巖中，對開挖后圍巖變形情況進行監(jiān)測，一共7個測試斷面，每個斷面6個測點。該隧道內圍巖已經基本穩(wěn)定。

6 監(jiān)控量測技術應用注意事項

（1）擬定監(jiān)測計劃。為了保證順利開展量測工作，確保采集的數據準確性，需要在準備階段做好監(jiān)測計劃的合理編制，具體來講，在監(jiān)測計劃中要重點做好如下工作內容：第一，在具體擬定監(jiān)測計劃時要采集施工現場基礎參數信息，比如明確工程所在區(qū)域的地下水位置、斷面位置、地質情況、外界環(huán)境情況等，在明確各項信息后，整理相關數據，通過篩選匯總得到有效數據，并且在監(jiān)測計劃中合理應用這些數據內容，將監(jiān)測計劃內容的完整性提高。第二，加強現代信息科技的應用，比如可以利用BIM技術模擬監(jiān)測計劃運行過程，利用其模擬功能對監(jiān)測點位置進行校驗，明確施工中是否存在沖突，盡量避免對施工活動產生影響，將后續(xù)引測的工作量減少，實現監(jiān)測結果誤差控制，提高數據準確性。第三，隨著隧道工程施工作業(yè)不斷推進要適當調整監(jiān)測計劃內容，在調整過程中可以使用應用模型，對調整后的計劃內容可行性進行分析和優(yōu)化，為指導工作的有序開展提供支撐，確保量測技術的應用價值最大化。

（2）加強人員隊伍組建。通過組建專業(yè)的量測隊伍可以將監(jiān)測數據的準確性進一步提高，有助于監(jiān)測結果使用價值的提升。雖然當前很多隧道工程都開始使用自動化設備，但是仍然需要高素質的人才來完成量測工作，實現數據分析結果準確性的提升。第一，要在招聘階段做好人才的選拔，提高準入門檻，篩選具有較強責任心和專業(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和方法，提高量測隊伍的整體學習能力。第二，定期組織培訓活動，加強監(jiān)測人員綜合能力的培養(yǎng)，構建學習體系和考核制度，制定競爭上崗制度，對不符合考核標準的人員及時進行調崗處理，通過這種方式提高量測人員對量測工作的重視度。第三，構建完善的責任管理制度，將監(jiān)測人員具體工作內容和承擔的責任明確，保證在出現問題后可以及時追責并且及時解決問題，通過這種方式提高工作人員的責任心，將人為因素帶來的負面影響盡量降低。

（3）做好數據存儲工作。通過儲存量測的結果可以為后續(xù)工作提供便捷，同時可以為其他工程項目提供參考，發(fā)揮數據的應用價值，為此，不但要保證量測數據準確性，也要及時保存這些數據信息。在信息時代，大數據、云計算等技術為數據的儲存做出了巨大貢獻，企業(yè)可以積極使用這些技術構建存儲平臺，專門用于監(jiān)測數據的儲存。信息技術的應用不但可以保證各個部門實時查看監(jiān)測數據結果，還可以長期保存數據。在數據儲存時，可以按照監(jiān)測時間、監(jiān)測點進行分類，在未來為其他工程項目建設或者隧道工程后期運營維護等方面提供支持，充分發(fā)揮數據的潛在價值。在存儲前工作人員還要將錯誤數據、重復數據剔除，充分做好篩選工作，確保數據庫內信息的應用價值最大化。

7 結束語

施工監(jiān)控量測和數據分析在隧道工程施工中的應用價值越來越高，工作人員要根據工程實際情況科學地選擇量測方法，加強對施工過程的監(jiān)控，從而客觀地判斷隧道支撐結構的穩(wěn)定性，為施工人員生命財產安全提供保障。在未來發(fā)展中，要加強現代信息科技的應用，切實發(fā)揮監(jiān)控量測數據的潛在價值。