隧道监测数据信息化技术及应用研究

武胜林，邓洪亮，陈凯江，黄东辉，付思远，朱明岩

（1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.北京工业大学，北京 100124）

一、引 言

在隧道工程中，由于围岩具非均质、不连续等特性，同时受施工方法、地应力、岩体结构等多种因素的影响，使岩体变形具有明显的突变性、时空性及非线性，因此隧道施工过程中的应力和应变很难用确切的数学模型和固定的理论公式来描述计算。但大量的研究与实践表明，岩体的变形在初始状态直至失稳前的临界状态，人们可以对它的变形过程获得定量化的信息，并且这种变形是有一定规律可循的，可以通过现场监测结果预测岩体的稳定性及支护结构的安全性。隧道施工监测数据的信息化管理技术就是探索应用现代化的信息处理技术对海量的隧道监控量测数据进行及时、准确、有效地计算，并完成对数据的分析、存储、查询、预警预报和报表生成等任务，使得监控量测工作能够切实有效地指导隧道的信息化施工。对监测数据的正确分析和处理是在保证准确性的前提下，快速准确地进行监测数据的综合管理。

监控量测作为隧道“新奥法”施工的三要素之一，在隧道的建设施工过程中具有重要的意义。然而在实际施工过程中，监控量测在多数情况下还停留在纸面上，远远没有达到其应有的效果，在指导施工、保证施工安全方面的作用十分有限。因此，研究隧道工程施工监控量测及其监测数据的逆向应用具有重要的实际意义和研究价值［1-5］。

二、隧道监控量测新技术

随着科学技术的不断发展，隧道监测仪器和监测方法也在不断更新。当前应用于监控量测的主要仪器包括:水准仪、全站仪、钢挂尺、收敛计和适应于不同材料的压力盒、应变应力计等。但使用水准仪、钢挂尺、收敛计等常规仪器进行观测时，受隧道的施工影响较大，易对隧道造成施工阻碍，且数据存储、传输、处理、分析等工作量大，工程应用不便。目前在大多数的隧道施工监控量测中技术人员都采用全站仪进行测量，其具有精度高、施测方便、数据传输方便等优点，并且可以直接与计算机连接，在友好的计算机操作系统中，可以实现监测数据的自动传输、处理、分析，全站仪的应用使得隧道监控量测工作迈上了一个新台阶。邓洪亮等结合沪昆客专贵州段隧道监控量测的实际工作，在国内率先应用了3D激光扫描仪进行监控量测工作，在监控量测仪器的更新使用上作出了新的探索并取得了明显效果［4-7］。

三、监测数据信息化分析技术

沪昆客专贵州段背阴坡隧道进口里程DK950+038，出口里程DK951+466，隧道全长1428 m，为Ⅲ级风险隧道。隧道位于云贵高原侵蚀低山丘陵区，最大埋深137 m，穿越北西向展布的脊状山梁，两端为沟谷。地面高程1711～1872 m，相对高差约155 m，自然坡度 30°～45°，局部陡峻，植被发育。本文以背阴坡隧道监控量测的实测数据为例，根据监控量测中位移—时间的效应曲线，分别选择指数函数（U=Ae-B/t）、对数函数（U=Alnt+B）、双曲线函数（U=t/（A+Bt））进行回归分析，并选择最合理的回归函数。

背阴坡隧道DK950+980断面围岩等级为Ⅲ级，共布置A、B、C3个测点，其中，A表示拱顶沉降点，BC表示拱腰处净空收敛，数据采用全站仪非接触测量取得。拱顶沉降数据和净空收敛数据见表1、表 2。

表1 背阴坡隧道DK950+980断面拱顶沉降表

表2 背阴坡隧道DK950+980断净空收敛表

根据隧道拱顶沉降和净空收敛监测数据，分别采用指数函数、对数函数和双曲线函数对监测结果进行回归分析，得到了对应的回归函数和相关系数，背阴坡隧道DK950+980断面回归分析结果见表3。

根据表3可知，不论拱顶沉降还是净空收敛使用对数函数进行回归分析，其回归相关系数均高于其他两种函数。根据图1、图2可以看出，对数回归曲线能较好地对实测数据进行拟合，其他两种函数拟合效果较差，隧道内的沉降和净空变形规律服从对数变化规律。

表3 回归分析结果表

图1 DK950+980断面拱顶沉降与回归曲线对比

图2 DK950+980断面净空收敛与回归曲线对比

四、信息化技术分析与工程应用

根据拱顶沉降对数函数回归曲线U=4.618lnt+4.024可知，由于对数函数本身不收敛，无法通过函数计算预测其最终的沉降变形量，根据大量的工程监测数据发现，应用对数函数预测60 d后的沉降量几乎全部大于实际的沉降量，且实测变形速率已经趋于零。因此，当一周内变形速率小于0.15 mm/d时，将预测60 d后的沉降量作为隧道位移变形的最终沉降量是完全可行的。

根据上述公式可知当监测时间达到37 d时，其沉降变形速率已经连续一周小于0.15 mm/d，此时的总沉降量为20.699 mm，预测60 d后的总沉降量为25.102 mm，此预测总沉降量小于相应的位移控制基准。

同理，根据BC净空收敛回归方程U=4.307lnt+3.438可知，当净空变形监测达到29 d时，净空位移变形速率已经持续一周小于0.20 mm/d，此时总变形量为 20.087 mm，预测 60 d后的总变形量为22.818 mm。

《铁路隧道施工规范》（TB 10204—2002）中规定，在一般情况下二次衬砌应在围岩和初期支护变形稳定后施做。变形基本稳定应该符合隧道周边位移速度有明显减缓趋势。拱脚水平相对净空变化速度小于0.20 mm/d，拱顶相对下沉速度小于0.15 mm/d。可知当该断面开挖后监测达到37 d时隧道围岩和支护机构变形达到稳定状态，可以施做二次衬砌。

根据现场监控量测的实际观测，在背阴坡隧道DK950+980断面开挖后，到第37 d位移变形稳定时，DK950+980断面到隧道掌子面的距离为93 m。在此，将此时的距离可以称作施做二次衬砌的安全步距。

应用相同原理就可以得到其他断面的二衬施做时间及安全步距，具体见表4。

表4 二衬施做时间与距离表

根据表4分析可知，在背阴坡隧道Ⅲ级围岩段开挖后35 d左右，如果没有特殊情况，围岩和支护结构已经达到稳定，可以施做二衬。根据现场的施工设备、人员技术，按照现有的施工进度，背阴坡隧道的每天开挖进尺在2.5 m左右。由此可得背阴坡隧道Ⅲ级围岩段在正常施工的情况下，二次衬砌施做的安全步距为90 m。根据二衬的施做时间及安全步距两项指标，可以简单有效地确定二次衬砌施做的合适时机。

五、结束语

隧道施工监控量测方案要根据隧道的工程特点进行设计，隧道施工监控量测方案应包括监测内容、监测方法、测线布置、测量频率、数据处理、生成报表等内容。只有选择正确的监测方法和采用合理的数据处理技术才能正确地分析围岩的应力和应变的变化情况，正确地指导隧道施工，先进的监测技术和先进合理的数据处理方法是保证隧道信息化施工的重要保障。

监测数据的处理，是隧道监控量测工作的重点内容，也最耗费人力物力。对现场采集的数据分析可知，在数据采集过程中由于受到外部环境和测量人员本身因素的影响，其数据往往与真实结果存在一定的误差，这种误差虽然不能够彻底消除，但可以应用有效的数学方法将其降低到一个可以控制的范围内。其中，回归分析是一种行之有效的数学方法，也是相关规范规定的数据处理方法。然而由于我国幅员辽阔，各地之间的水文地质、地形地貌之间存在很大差异，隧道所处的应力状态也千差万别，相应的隧道位移变形规律也不可能用一种回归函数进行分析。因此，根据实际的监测数据选择适合本地区的回归函数具有十分重要的意义。

隧道工程所在地的应力条件对决定隧道的施工参数、支护参数等具有重要作用。而在施工之前有限的经济和时间条件下，仅仅通过有限的钻孔来确定隧道围岩的力学参数，并据此确定施工和支护参数，其结果很可能与实际的围岩变形有很大的差别，据此所确定的施工方案很可能会造成工程事故。而应用在隧道工程监控量测中，相对比较准确、容易量测的位移变化量进行位移反分析，计算隧道围岩的力学参数，并据此分析隧道围岩的应力状态，以确定施工参数和支护参数，可确保施工和支护的长期稳定。

隧道在施工过程中进行监控量测，具有重大的经济意义和实际应用价值，因为通过现场量测，将迅速准确地获取第一手实际量测数据资料，在对这些数据资料处理分析和对现场施工观测测试分析的基础上，将及时迅速地向业主方、设计方、监理方和施工方提供资料分析结果，直接服务于隧道的施工，及时掌握施工过程中出现的各种情况，对可能出现的事故进行防范，防止事故的发生。但目前由于隧道工程的不确定性和地质条件、工程环境条件的复杂性，无论在国内和国外隧道施工信息化的程度都不高，对隧道及地下空间的开发和安全施工带来了很大的困难，建议开发系列的信息化分析软件和管理软件，保证工程施工的安全和高效。

［1］ KIM Jungryul，YOO Hyunsuk，KWON Soonwook，et al.Integrated Tunnel Monitoring System Using Wireless Automated Data Collection Technology［C］∥Proceedings from the 25th International Symposium on Automation and Robotics in Construction.Vilnius:Vilnius Gediminas Technical University Publishing House，2008:337-342.

［2］ DENG Hongliang，FU Xiaoyin.The Advanced Prediction and Emergency Management Technique on Construction of Shallow Buried Large Section Bedding Rock Unsymmetrical Loaded Tunnel［C］∥Proceedings of the Eleventh International Symposium on Structural Engineering.［S.l.］:ISSE，2010:1755-1760.

［3］ WANG Qingbo，YUAN Jingling，ZHONG Luo.The Architecture of City Tunnel Monitoring Platform［C］∥Proceedings of 2012 2nd International Conference on Consumer Electronics，Communications and Networks.Yichang:CECNet，2012:640-642.

［4］ 邓洪亮，陈凯江，朱明岩，等.隧道监控量测三维激光扫描方法与应用研究［J］.测绘通报，2012（S1）:123-125.

［5］ 轩俊杰，胡健.刘家坪黄土隧道监控量测成果回归分析与应用［J］.公路隧道，2008，61（1）:7-9.

［6］ SHEN Chunru，JIANG Binsong，WU Xiaosuo.Application of Tunnel Monitoring Measurement Information Feedback in Surrounding Rock Dynamic Classification［C］∥Proceedings of 2nd International Conference on Information Scienceand Engineering. ［S.l.］:ICISE，2010:3556-3559.

［7］ 武胜林，邓洪亮，陈凯江，等.隧道监控量测自动预警管理系统及其应用［J］.测绘通报，2013（6）:68-70.