隧道施工监控量测技术发展现状及思考

唐文栋，马振波

（1.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032；2.内蒙古嘉和建设项目管理有限责任公司，内蒙古 包头 014030）

1 引言

隧道监控量测是保证现场施工安全和实现信息化设计与动态化施工的基础。综合分析施工现场监控量测所得的直观信息，认真解读监测量测数据，以保证隧道施工安全、施工节奏合理及结构的长期稳定性；对隧道施工全过程中提取的监测数据进行及时准确的分析及反分析，以检验支护结构参数设计的合理性，为优化设计提供科学依据；掌握隧道结构受力及变形规律，控制隧道变形速率，以制定合理的隧道作业节奏，保障隧道施工安全高效，从而做到信息化设计、动态化施工。目前，随着工程复杂度与监控量测技术手段的交替螺旋式提升，隧道及基坑工程监控量测发展进入到了一个崭新的阶段[1]。

2 隧道监控量测技术研究现状

目前通用的针对隧道施工所进行的监控量测项目包括4个必测项目和11个选测项目，通过这些监测项目可以对隧道围岩及支护结构的受力及变形状态有一个较为全面的掌控。4个必测项目分别是隧道地质和支护结构状况观察、周边位移、拱顶下沉和地表沉降。由于隧道工程状况的复杂性和前期不确定性，因此要求根据实际工程的特殊性，选择合适的监控量测项目，制定针对性的隧道监控量测方案。在监测手段方面精密仪器、自动化仪器的投入应用以及计算机技术的迅速提升，使得隧道监控量测工作进入新的阶段[2]。

2.1 监控测点布置

拱顶下沉及周边位移的量测需沿隧道轴线在初期支护上均匀地布置测点，目前测点的主要布置方式为通过膨胀钩或自制φ6钢筋钩锚固于初期支护上[3]，应结合隧道开挖方法合理布置测点。对于分部开挖隧道，应尽量确保测点布置在同一断面内形成闭环。测点布置形式如图1所示。同时应结合隧道实际环境要求开展相应的选测项目，陈建勋[4]对选测项目的测点布置方式及测量方法皆作出了较为详细的描述，在此不再赘述。

测点的布置宜由监测单位负责，施工单位予以配合实施。各测点的预埋件应当牢固可靠，不易破坏，具有一定的耐久性。在实际施工中存在施工单位自行埋设测点，导致测点埋设不及时、不规范的现象时有发生，进而导致测量作业不能按规范开展，测量数据不能反映隧道真实情况。

图1 监测断面测点布置示意图

按照规范要求对于隧道周边位移和拱顶下沉的测量，初始值的采集对于监测数据能否反映真实的隧道变形量起到控制性作用，因此要求测点与隧道掌子面的距离应在2m以内[3]，但在实际现场施工过程中往往无法满足，主要原因是掌子面附近喷射混凝土过程中易造成测点的污损和破坏，同时喷射混凝土的强度不足易造成测点布设不牢固；另外在下一循环施工过程中超欠挖及施工工艺的粗放易造成测点的破坏。鉴于施工现场实际情况，监测工作应当在力所能及范围内优化测点布设时机，施工过程中注重对测点的保护，以确保掌子面附近监测初始资料采集的及时性和连续性。

地表沉降监测则需沿隧道轴线布置若干由测点组合而成的监测断面，以全面监测隧道施工全过程中围岩稳定性，确保施工安全，周边影响可控。地表沉降测点布置应当埋设混凝土水准标石保证测点的稳定性和耐久性，地表沉降监测应当设置2个以上的基点，满足数据校核需求，基点位置在隧道开挖影响范围以外，一般取3～5倍隧道洞径范围。

2.2 监测项目开展

①隧道地质和支护状况观察

该项目采取观测形式，直观地了解隧道开挖所呈现出的围岩性质状况、地质结构状况、地下水情况及支护结构的工作情况。

②周边位移量测

周边位移的量测主要选用收敛计，在隧道条件满足的情况下亦可选用高精度全站仪。一般按照之前设计的测线埋设测点，对于采用上下台阶法施工的隧道通常在上台阶开挖完成后进行上台阶测线的数据采集，下台阶开挖完成后进行下台阶测线的数据采集。受施工现场实际条件限制，在下台阶开挖完成后一般将只量测下部测线[5]。

③拱顶下沉量测

拱顶下沉的量测方式整体上可分为直观量测和间接推算两种。可选用铟钢尺配合精密水准仪进行量测；也可通过在隧道拱顶均匀布设反光贴片配合精密全站仪进行量测；还可选用周边位移量测数据推算隧道拱顶下沉量[6]。

对于拱顶下沉的量测，监测基准点的稳定性以及设置是否规范对于测量结果有着直接影响。基准点埋设时应当注意选择合适的埋设位置和埋设方法，并在施工中加强保护。隧道施工规范[3]对隧道拱顶下沉监控量测的精度要求为0.1mm，但是在实际操作中，一般的全站仪并不能达到如此精度必须采用精密水准仪才能达到规范要求的精度，精密水准仪在使用过程中应注重保养进行定期的检定和校准[7]。

④地表沉降量测

一般可用水准仪量测，也可用高精度全站仪进行观测[8]。地表沉降要求根据围岩条件及周边环境要求确定监测断面和测点间距，监测数据应当及时记录处理以全面分析并预测隧道施工过程中地表变形变化趋势，进而指导施工与设计。

3 新技术新方法在监控量测中的应用

随着科学技术水平的不断提升，监控量测方法及设备也在不断改进，隧道监控量测朝着数字化、智能化的方向发展，在保证高精度的同时提高监控量测作业效率。

3.1 三维激光扫描在隧道监控量测中的应用

三维激光扫描是一种快速获取空间三维信息的技术手段，将传统的单点采集数据模式向海量自动获取模式转变，并且在信息采集过程中高精度高准确度等优点十分突出[9]。这一技术目前也在逐步推广到隧道监控量测当中来，相比传统监测手段优势明显。

借助隧道激光扫描仪获取隧道点云数据，建立隧道三维模型，并借助点云拼接、椭圆拟合算法等手段进行数据分析，通过比对不同阶段不同时间的隧道模型差异对隧道变形规律加以研究。激光扫描通过海量的高精确点位数据确保所建隧道模型的精确性，对于变形数据的敏感性更高，变形结果更为直观，结合目前的AR技术助力实现监测信息化。

在沪昆客运专线茶厅隧道监测中进行运用，建立三维空间实体模型和对比模型，对隧道净空收敛情况跟踪监测，在实际运用中对风险进行了及时的预警，避免了隧道塌方事故的发生，取得了较为理想的效果。

3.2 隧道监测数据信息化

监测数据的分析与处理是隧道监控量测工作的一个重点内容，监测数据通常数量巨大，数据处理通常需要耗费大量的精力。因此，必须要充分利用现有资源，搭乘科技发展的顺风车，利用现代化信息技术手段的处理对海量的隧道监控量测数据进行高效地处理，并对数据加以分析形成报表并结合前期设定的警戒值，特殊情况自动完成预警，及时反馈到现场施工当中，并及时总结规律结合现场情况指导后期施工，最终形成信息化设计和施工[10]。

在现场监测数据采集过程中难免收到外部环境及测量人员本身因素的影响，造成个别数据存在误差甚至错误，针对此类问题现场可适当进行数据的校核和复核加以消除，对于现场无法消除的误差通过有效的数学方法将其降到可控范围内。回归分析是规范规定的处理监测数据较为有效的数学方法，但是鉴于各工程工况千差万别，隧道的应力应变状态并不能简单的用一种回归模型加以分析，因此必须结合实际情况选择合适本工程的回归模型。

前期隧道设计大都是依据地勘资料，但有限的钻探及现场少量取样试验并不能真实地反映隧道的受力状态，所以据此所设计的隧道支护参数及施工节奏可能并不能在现场合理推广。此时隧道现场监测数据便呈现出巨大的优势，对监测获得的巨量一手数据进行反分析，可准确计算隧道的应力应变状态，进而确定隧道的施工节奏及支护参数，信息化施工以保证隧道的长期稳定性。

3.3 隧道施工自动化监测技术

信息技术手段的提升推动监控量测自动化发展，隧道自动化监测技术是依托无线网络通讯技术和数据库应用技术，在隧道既有环境中能够实现在无人状态下监测设备24h自主作业，能实现对数据的存储梳理并直接呈现初步分析结果，极大地提高了监测作业的效率，自动化监控量测的推广可带来显著地社会与经济效益[11]。

隧道自动化监测系统的作业方式是首先由传感器感知数据变化，数据采集系统同步进行数据的采集并将数据汇总传输到控制系统，控制系统对数据进行存储和初步处理，监测人员主要负责系统的维护并结合需要对控制系统的初步数据处理结果进行深入的研究。

同时，隧道自动化监测系统具备在投入运营的隧道进一步使用的前景[12]。

3.4 隧道超前预报

隧道超前地质预报能够辅助判断掌子面前方围岩的状况，对突涌水、溶洞等不良地质状况提前做出预测以做出相应的预防措施，推动施工信息化动态化。

目前对于短距离的超前预报以地质雷达法为主，面对地下复杂的地质环境地质雷达在实际应用中呈现出了很强的适用性，整体预报效果理想，但是在超前预报过程中地质雷达对于设备采集参数设置，以及后期图像的处理方面存在多解性，处理人员的主观性很强，对人员素质的要求较高。地质雷达在实际隧道工程中的推广应用对设备的操作简易化发展及人员专业化提出了更高的要求。

中长距离的超前预报，目前以TSP法和地震波反射法为主，但是由于现场环境的复杂性，仪器易受干扰，预报效果不太理想。还需根据实际情况改进设备提高预报准确性[13]。

4 结论

监控量测是隧道施工的必备保障项目，是掌握围岩状况及支护结构工作状态的重要手段，是降低隧道施工风险、推动信息化设计动态化施工的重要举措。目前随着新技术的发展隧道监控量测也在朝着智能化的方向发展，但也仍然存在需要改善的相关问题，首先应当进一步提高对监控量测工作的重视程度，提高监控量测从业人员的专业素质；要加强施工方与监测方的有机结合，相互配合，积极研究；注重对监测数据的分析与整理，将有益的结论合理运用到设计与施工当中。希望今后监控量测工作在指导隧道设计与施工方面能发挥更多更有效的作用。