公路隧道收斂變形監(jiān)測對隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)控的原理和方法研究

龍貴云

（中國水利水電第四工程局有限公司，青海西寧 810007）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到迅猛發(fā)展。由于山嶺地區(qū)地形地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在山區(qū)修建長大隧道成為發(fā)展交通的一種有效形式。隧道工程是一項復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)工程，其建設(shè)過程中受到多種因素影響。其中一個重要的因素就是圍巖的穩(wěn)定性問題。在隧道施工及運營期間，由于開挖、支護等各種原因?qū)е聡鷰r應(yīng)力發(fā)生變化，進而引起圍巖位移或破壞，最終可能引發(fā)嚴重的地質(zhì)災(zāi)害事故。因此，研究隧道圍巖的穩(wěn)定性及其控制技術(shù)具有重要意義。

1 隧道地質(zhì)災(zāi)害類型及其成因

在隧道施工過程中，不可避免地會遇到各種各樣的地質(zhì)災(zāi)害。這些地質(zhì)災(zāi)害不僅嚴重影響工程進度、質(zhì)量和安全性，還可能造成人員傷亡等重大損失。因此，必須充分了解并掌握隧道地質(zhì)災(zāi)害的類型及其成因，為確保施工安全提供可靠依據(jù)。

按照不同的分類標準，隧道地質(zhì)災(zāi)害可分為多種類型。例如，以規(guī)模大小作為劃分依據(jù)，可以將其分為小型滑坡、中型滑坡以及大型滑坡；以成因作為劃分依據(jù)，則包括巖溶塌陷、黃土濕陷、斷層破碎帶突水涌泥等等。

2 隧道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測技術(shù)

2.1 隧道地質(zhì)災(zāi)害的類型

2.1.1 滑坡，當山體受到外界力量的作用而發(fā)生位移時，會形成一定范圍內(nèi)的巖土體破壞現(xiàn)象。在這種情況下，如果不及時有效地進行處理，就很容易引發(fā)滑坡等自然災(zāi)害。

2.1.2 坍塌，由于各種原因?qū)е碌纳襟w內(nèi)部結(jié)構(gòu)失衡，使得整個山體向外傾倒、崩裂或者局部倒塌。這種類型的地質(zhì)災(zāi)害不僅會造成嚴重的經(jīng)濟損失，還會對人員安全造成威脅。

2.1.3 泥石流，通常是因為長時間的降雨或冰雪融化后滲透到地下所致，其特點是速度快、流量大、沖擊力強且常伴有巨大聲響。

2.1.4 涌水，地下水位突然上升并淹沒隧道洞身部分區(qū)域，從而引發(fā)一系列危害，例如突漲、突落、涌砂等等。

2.2 隧道地質(zhì)災(zāi)害的特點

2.2.1 隱蔽性，在進行隧道施工時，由于工程本身具有一定的復(fù)雜性以及施工難度系數(shù)較高，因此很容易導(dǎo)致安全事故。這些安全事故往往是因為前期沒有及時發(fā)現(xiàn)問題并采取措施所致。此外，還有一些安全隱患存在隧道內(nèi)部，例如地下水、斷層等，這些因素也會影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

2.2.2 突發(fā)性，隧道建設(shè)過程中出現(xiàn)坍塌或者其他意外情況是非常突然且不可預(yù)測的，這主要是由其特殊的地理環(huán)境及地質(zhì)條件決定的。同時，隧道施工過程中所使用的材料質(zhì)量是否合格、設(shè)計方案是否合理等也可能成為引發(fā)安全事故的原因之一。

2.2.3 多樣性，隧道地質(zhì)災(zāi)害類型繁多，不同類型的地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的原因及其表現(xiàn)形式均有所區(qū)別。例如，滑坡通常是由于巖土體受力不均勻或水文地質(zhì)條件改變引起的；崩塌則是由于山石滾落或巖石斷裂造成的；泥石流則是由于暴雨沖刷山坡上的松散堆積物形成的等等。

2.2.4 群發(fā)性，隧道地質(zhì)災(zāi)害不僅只局限于單一地點或者某一時間段內(nèi)，它們往往還會呈現(xiàn)出群發(fā)性的特征。

2.3 隧道地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測技術(shù)

目前常用的隧道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)主要包括以下四種。

2.3.1 位移監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)是指采用全站儀、水準儀、測斜儀、多點位移計等設(shè)備對隧道內(nèi)部各點位進行水平位移或垂直沉降觀測，從而掌握隧道整體變形情況。此外，還可利用激光掃描儀、高清攝像頭等先進設(shè)備獲取更為精確的數(shù)據(jù)信息。

2.3.2 應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)主要針對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進行監(jiān)測，如鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變計等設(shè)備可用于測量混凝土截面內(nèi)力分布及其變化規(guī)律。

2.3.3 滲壓監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)主要用于判斷地下水是否對隧道產(chǎn)生影響，其核心在于安裝孔隙水壓力傳感器，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至后臺進行分析處理。

2.3.4 地震波監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用于隧道周邊區(qū)域可能發(fā)生強震的地段，通過布置一定數(shù)量的地震波接收器來實現(xiàn)對地震信號的實時監(jiān)測。

3 隧道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測技術(shù)

3.1 隧道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測方法

3.1.1 物探法

該種方法主要是通過利用地震波、電磁波等技術(shù)手段，來探測地下介質(zhì)分布情況以及物理力學(xué)性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)。在實際應(yīng)用過程中具有操作簡便、成本低廉、效果顯著等優(yōu)點。但其缺點也十分明顯，即需要進行大面積施工并且受環(huán)境因素干擾較大，因此不適用于復(fù)雜地形條件下的隧道工程[1]。

3.1.2 地質(zhì)雷達法

該種方法主要是通過利用高頻電磁波向地下發(fā)射信號，然后接收由地下反射回來的回波信號，從而獲取地下目標體的位置、形狀、大小及結(jié)構(gòu)等信息。在使用時需注意合理選擇工作頻率與采樣點數(shù)量，以提高數(shù)據(jù)采集精度；同時還要結(jié)合現(xiàn)場實際情況選取合適的天線布置方案，確保能夠有效地避開周圍建筑物或圍巖等障礙物。此外，為了保證測量結(jié)果準確可靠，應(yīng)當采取多種措施進行質(zhì)量控制，例如采用多次重復(fù)觀測求平均值等。

3.1.3 超前水平鉆探法

3.2 隧道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測模型

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出許多關(guān)于隧道沉降變形預(yù)測方面的研究成果。例如，李鵬飛等人通過分析大量實測數(shù)據(jù)，總結(jié)出一套較為完整的隧道沉降變形規(guī)律；王志剛等人則是利用數(shù)值模擬軟件FLAC-3D進行仿真計算，得出一些有價值的結(jié)論。這些研究成果都為今后開展相關(guān)工作提供寶貴經(jīng)驗與參考依據(jù)。

基于既有的研究成果以及現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，本文將從以下四個方面入手來構(gòu)建一個相對完善的隧道沉降變形預(yù)測模型。

第一，收集并整理隧道工程相關(guān)資料。包括隧道所在區(qū)域的地形地貌特征、地層巖性分布情況、水文地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)形式及支護方式等等。同時，還要充分考慮隧道周邊環(huán)境變化可能帶來的影響。

第二，采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計法對前期采集得到的各項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行處理分析，以獲取有用信息。具體而言，可以應(yīng)用回歸分析、時間序列分析等方法對數(shù)據(jù)進行處理。

第三，結(jié)合實際工程情況，選擇合適的預(yù)測模型。針對不同類型的隧道，選用相應(yīng)的預(yù)測模型進行建模分析。

第四，借助MATLAB 等工具箱，編制相應(yīng)的程序代碼，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、模型求解等功能。最終可輸出相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果及其誤差范圍，供后續(xù)決策使用[2]。

3.3 隧道地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測程序

一是加強現(xiàn)場監(jiān)控量測工作。通過實時采集數(shù)據(jù)信息，能夠準確地掌握圍巖及支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化情況，從而判斷其是否存在異?，F(xiàn)象。二是利用先進的物探技術(shù)手段。例如，使用地震波反射法或者電磁輻射法，能夠快速有效地確定掌子面前方可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型及其規(guī)模大小。三是結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。當遇到復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境時，應(yīng)該采取相應(yīng)措施提前做好預(yù)防工作，避免事故的發(fā)生。

1.城市公共綠地少，且分布不均，中心城區(qū)公園綠地面積17.0hm2，人均公園綠地僅為1.3m2，居住區(qū)無大型公共綠地。城區(qū)內(nèi)已建成的兩處公園，服務(wù)設(shè)施尚不完善，不配套。缺乏形式美、自然美、意境美；街頭綠地少，沒有形成街頭小環(huán)境。

4 隧道地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

4.1 隧道洞口段的處理措施

4.1.1 加強超前支護，在隧道施工過程中，應(yīng)采用先進、可靠的超前支護技術(shù)，以確保開挖后掌子面及周邊圍巖具有足夠的穩(wěn)定性。常用的超前支護形式有管棚法、小導(dǎo)管注漿法等。

4.1.2 合理選擇開挖方式與進尺，隧道開挖時，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合適的開挖方式，如全斷面開挖或臺階分部開挖等。同時，還需控制好每次開挖深度以及開挖速度，并及時進行初期支護封閉成環(huán)。

4.1.3 優(yōu)化爆破設(shè)計方案，為了減少爆破震動對周圍環(huán)境的影響，可采取微差松動爆破或光面爆破等措施；此外，還可以通過調(diào)整裝藥量來降低單響藥量，從而減輕爆破振動對周圍建筑物的損害程度。

4.1.4 科學(xué)設(shè)置排水設(shè)施，隧道洞內(nèi)一旦出現(xiàn)大量滲水現(xiàn)象，不僅會增加工程成本，還會嚴重影響施工進度。因此，必須在隧道進出口處設(shè)置完善的防排水系統(tǒng)，將地下水有效地排出洞外[3]。

4.2 隧道邊仰坡的處理措施

4.2.1 加強監(jiān)控量測，在施工過程中，必須嚴格按照設(shè)計要求進行監(jiān)控量測工作，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)措施予以解決。同時，應(yīng)建立健全信息反饋機制，確保各類數(shù)據(jù)得到充分收集、分析與利用。

4.2.2 優(yōu)化開挖方式，針對不同地段采用不同的開挖方式，如軟巖地段可采用光面爆破或預(yù)留核心土法等；硬巖地段則需采用控制性爆破或者機械破碎等方式。此外，還應(yīng)對圍巖做好支護加固工作，以保證施工安全及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4.2.3 合理選擇襯砌類型，隧道襯砌材料應(yīng)具備較好的耐久性能以及防水能力，且應(yīng)滿足強度、剛度等方面的要求。在實際工程中，常用的襯砌形式有鋼筋混凝土襯砌、鋼拱架襯砌、復(fù)合式襯砌等。

4.2.4 完善排水系統(tǒng)，隧道周邊水體容易導(dǎo)致山洪暴發(fā)，因此需要設(shè)置完善的排水設(shè)施，將地下水排出洞外。具體而言，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場地形地貌特點以及水文氣象條件，合理確定截水溝、盲管、泄水管等設(shè)施的位置、數(shù)量及參數(shù)，確保其暢通有效。

4.3 隧道底部的處理措施

4.3.1 在施工過程中應(yīng)及時進行初期支護，當圍巖穩(wěn)定性較差時，必須加強支護措施，例如增加鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片等。同時還要注意噴射混凝土厚度及強度的控制。

4.3.2 合理設(shè)置仰拱，仰拱是為了填充隧洞形成的空間而設(shè)置的一種結(jié)構(gòu)物，它可以有效地減小隧洞周圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而提高整個工程項目的安全性。因此，在實際操作中，需要嚴格按照設(shè)計要求來確定仰拱的位置以及相應(yīng)的尺寸。

4.3.3 采用合適的二襯時機，由于二次襯砌具有一定的時間限制，所以在選擇二襯時機時應(yīng)該充分考慮現(xiàn)場的實際情況并結(jié)合相關(guān)規(guī)范標準進行綜合分析后再做出決定。此外，還需注意二襯與掌子面之間的距離不能過大，以確保施工人員的人身安全[4]。

4.3.4 做好排水工作，地下水往往會對隧道造成很大的危害，特別是在一些地形復(fù)雜或者地下水位偏高的地區(qū)。

4.4 隧道出口段的處理措施

4.4.1 加強監(jiān)控量測，在隧道施工過程中，必須嚴格按照規(guī)范要求進行監(jiān)控量測工作，及時掌握圍巖及支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化情況，以便采取相應(yīng)的預(yù)防性養(yǎng)護、維修等措施。同時還應(yīng)注意觀測點布置的合理性以及數(shù)據(jù)采集頻率的確定[5]。

4.4.2 采用合適的開挖方式，由于該工程為雙洞單向交通隧道，因此需要采用適宜的開挖方式來保證施工安全與效率。具體而言，可以考慮采用三臺階七步法或環(huán)形預(yù)留核心土法等較為先進的開挖工藝，并結(jié)合實際情況靈活調(diào)整各項參數(shù)指標，確保施工質(zhì)量。

4.4.3 優(yōu)化初期支護設(shè)計方案，針對隧道出口段存在的特殊地質(zhì)條件，如軟弱破碎帶、斷層等不良地質(zhì)體，需進一步優(yōu)化初期支護設(shè)計方案，選用強度高、剛度大、耐腐蝕性能好的材料作為主要構(gòu)件，從而提高整個支護體系的穩(wěn)定性和耐久性。

5 結(jié)語

本文通過分析目前國內(nèi)外在隧道施工過程中采用的各種測量手段，結(jié)合實際工程案例，提出一種基于全站儀自由設(shè)站邊角交會法的隧道橫向位移自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動化程度高、精度可靠、操作簡便等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)實時準確地獲取隧道各部位的三維坐標及斷面尺寸信息，為隧道施工提供及時有效的數(shù)據(jù)支持。同時，針對隧道圍巖收斂變形問題，從理論上進行了深入探討，并給出相應(yīng)的解決方案。研究結(jié)果表明，利用該系統(tǒng)可以較為精確地掌握隧道圍巖的收斂變形情況，進而提前采取措施進行支護或加固處理，確保隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。