西南地区山岭隧道自动化变形监测技术的效益分析

罗 昊, 陈宇波, 何 刚, 邓 飞

(1. 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039; 2. 中建隧道建设有限公司， 重庆 401320；3. 四川金通工程试验检测有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

随着我国西南地区高速公路、高速铁路和城际轨道等重点工程建设热潮的到来，该地区山岭隧道建设进入了高峰期。变形监测是保障山岭隧道安全建设和成功运营的重要手段[1-2]，目前围岩变形监测技术形式多样，但可归纳分为人工监测和自动化监测2大类。变形监测要求应用的技术可连续、多频次地及时覆盖被测目标，获取变形数据，以供决策[3]。人工监测速度慢、效率低、精度受监测人员水平影响较大，如今长距离、大断面、穿越复杂地质段的山岭隧道工程越来越多，变形监测的工作任务十分艰巨，传统的人工监测对这种长距离、大面积、密集点的监测对象显得十分无力[4-5]。

相对于人工监测，自动化变形监测可实现高精度、连续多频次监测，并且与软件平台结合良好，故自动化技术越来越多地被引入变形观测工作中。李欣等[6]证明Sinco公司的巴塞特测量系统在收敛监测中具有很好的应用效果。刘绍棠等[7]在山岭隧道中实现了静力水准系统实时、动态的智能远程遥测，平均误差仅0.01 mm，优于人工水准仪监测效果。潘国荣等[8]运用多台测量机器人试验无人值守的自动化监测，监测精度较高。郭一诗[9]提出了一种融合三维激光扫描和摄影测量的车载式全断面测量系统，可高速提取隧道断面轮廓变形信息。激光传感器被周奇才等[10]设计加工成一体化收敛测量系统，应用效果表明该系统可实现中长期、高频率的监测工作。光纤变形监测系统近年来成为研究热点，赵勇等[4]利用布拉格光栅传感器在佛山地铁隧道中布设了分布式变形监测系统，监测灵敏度高。尹龙等[11]在京石客专六线隧道中成功运用BOTDR监测系统进行了深部围岩变形监测，精度与位移计相当。综上，针对众多自动化变形监测方法已有不少的研究，但上述各类方法均存在一定局限性，故自动化变形监测尚未普及。

目前，大多数应用者对于自动监测投入和产出方面的认识，还处于粗放状态，很多自动化监测项目没有系统、客观地进行效益分析，而一味地投入高新尖的监测技术，从而造成了经济成本过高、技术参数上又存在浪费的局面。还有一些观点认为传统的人工监测非常成熟没有必要运用自动化监测，从而失去了获得良好效益的机会。从近年的文献资料来看，已有学者对各类隧道围岩变形监测技术进行了总结介绍[12]，分析了人工监测技术的普遍缺点，描述了各类自动化监测技术的优越性，但并没有做全面的对比分析，各类技术优缺点还不明确，且在成本层面上鲜有相关报道，这不利于隧道变形监测技术的应用与发展。

针对以上情况，本文结合近5年收集到的技术、设备价格资料和西南地区数十条山岭隧道监控量测运营成本和投标资料，从技术和经济效益2个方面对比分析人工监测和自动化监测，并根据对比分析结果提出在目前技术、经济水平下效益最优的变形监测选用方案，同时辅以实例说明，以期为现阶段优化西南地区山岭隧道工程监测技术提供相关参考。本文主要讨论的测试参数为铁路隧道监控量测规范[13]中的必测项目，即洞口地表沉降、洞内拱顶沉降和净空水平收敛。

1 人工监测技术

传统人工监测主要使用水准仪、收敛计和全站仪进行变形观测。水准仪和收敛计测量准确度高、稳定性好、价格不高，但因是接触式测量，对于高、大断面，水准仪的钢尺悬挂十分困难，收敛计无法测量高位置测线，且对施工作业有一定干扰。全站仪使用较方便，可以对各类型断面的任意位置进行监测，但效率仍较低。

另外，目前低成本的人工式近景摄影测量和便携式激光测距仪在变形监测中也有了很多应用。近景摄影测量使用经校验的普通数码相机在短时间获取一定范围内大量测点的三维位置数据，精度可达mm级，现场操作便捷，但后期处理内业工作量较大[14]。参考收敛计测量原理，可运用便携式激光测距仪进行隧道变形测量[15]，操作简单，测速很快。由于上述2种技术精度受环境影响明显，易发生较大偏差，还有待进一步改进，故未广泛运用。

2 自动化监测技术

目前主要应用的自动化监测技术有巴塞特收敛测量系统、自动静力水准监测、测量机器人、三维激光扫描和自动化摄影测量、自动化激光测距变形监测以及光纤变形监测。

巴塞特收敛测量系统采用固定在断面上带倾角计的组合臂测定收敛，精度高、数据实时，但传感器昂贵，单断面布设费用在3～4万； 自动静力水准监测能实现稳定的遥测，但只能进行沉降观测； 测量机器人本质是自动化的全站仪，可远程获取测点的三维坐标变化，但单台布置于测站后同全站仪一样观测距离有限； 三维激光扫描能快速获取海量目标物的三维坐标，提供较全面、生动的数据，可实现车载式，但数据量大，内业处理时间长，设备价格也高，为50～120万/台； 自动化近景摄影测量和自动化激光测距变形监测分别是相机和激光测距仪加装自动化操控和传输装置，以较低的经济成本实现原有技术升级，但原有技术的一些局限性仍在。

光纤变形监测技术最早运用SOFO点式传感器，分辨率高达2×10-3mm，单个传感器价格需0.1～0.3万。目前运用较多的是FBG传感器，可实现高速实时的准分布式监测，但本质上亦是点式传感器，单个传感器价格不低于0.07万。在大、长隧道中布设SOFO和FBG传感器不经济也费时费力。近来分布式光纤技术发展迅速，其光纤既是传感介质又是传输通道，解决了点式存在的漏检问题，空间分辨率可达0.1 m。传输距离最远为几十km[12]，能适应复杂环境，且成本低廉，所用光纤一般在2～8元/m，故其在大、长、复杂隧道的变形监测中具有优势。光纤变形监测技术均需配置解调仪，SOFO和FBG在20万以上，分布式则在75万以上，设备投入高昂。

3 技术效益分析

通过对比各人工及自动化监测技术特征(见表1)，不同自动化技术各有优缺点，但总体上自动化变形监测技术相对于人工监测技术具有优越性，可提升监测效率、范围和精度。一方面，隧道长度越长，断面越大，围岩等级越高，工程监测频次、断面数量和测点密度就越大，人工监测观测时间远长于自动监测，故自动化监测相对于人工监测的效率优势也就越明显，同时观测的范围也要大得多。另一方面，人工监测设备由不同经验水平的人员操作，所测数据的精度差距明显，而自动化设备则不存在此类问题，且多类自动化设备精度和分辨率指标高于传统人工设备，故总体上自动化监测技术的观测精度更可靠。

注： 1)FBG和分布式光纤测值为应变值，故不列出位移量精度； 2)监测范围是指满足监测要求精度下的最大观测范围，按观测方式分为单断面观测和多断面观测，多断面观测下的观测范围指观测距离； 3)抗干扰能力指对复杂环境的适应性，特别是对低能见度、高/低温和高湿度的适应性。

但是需指出的是，在施工隧道中，爆破和施工机械作业容易对自动化设备造成严重破坏，产生的振动及烟尘会极大地影响监测的精度，故自动化监测技术在施工隧道中的应用受到了很大制约，监测时需避开施工时间，并尽量选用如光纤这种埋入式或可移动式的自动化技术。

综上，从技术效益来看，巴塞特系统、测量机器人和SOFO、FBG光纤可用于重要断面、区间的高精度监测，不适用于大、长范围的施工隧道；静力水准系统只能用于单一沉降高精度监测；自动化激光测距和近景摄影测量适用观测环境较好的工程；三维激光扫描仪则适用于采样时间紧张，又有大量测点的大、长隧道； 分布式光纤运用于大、长隧道的实时动态变形监测有良好的效果。需注意的是，分布式光纤和FBG的监测结果为应变值，目前应变值转换位移值的准确度还有待进一步研究。实际运用时需根据工程情况，如被监测物的结构和材质、所处环境、监测目的和所需参数等，综合考虑，选择一种或多种手段。

4 经济效益分析

在变形监测技术选择时，除要从技术方面考虑，成本亦是需要考虑的重要因素。详细列出不同类型隧道各变形监测手段的成本是不现实的。隧道长度、断面大小和围岩等级是决定变形监测工作量、监测等级和精度要求的重要因素，而施工和运营期不同的监测环境也对成本有很大影响。通常情况下施工监测的频次高，而运营监测的精度要求更严格，监测人力、设备和耗材费用主要受上述隧道长度等因素影响。故本研究分别在施工和运营2大类隧道下按长度、断面大小和围岩等级3个影响因素，划分出典型隧道类型，并基于近年来西南地区40余处监测工程成本资料及通过电话、网络等手段多方询价到的成本资料，建模计算出现阶段西南地区山岭隧道较合理的监测成本。监测内容为必测项目： 洞内拱顶沉降和净空水平收敛。洞口地表沉降在山岭隧道变形监测工作中所占比例小，不同类型隧道洞口布点形式和数量也相差不大，故为突出成本对比，不考虑测算洞口地表沉降参数，静力水准监测也不纳入成本讨论范围。

4.1 施工隧道监测

施工监测中，将断面大小和围岩等级因素转化为测点数量和断面密度，共归纳为3类： 1)3点(1个拱顶沉降点，1对收敛测线)，断面距为30 m； 2)5点(1个拱顶沉降点，2对收敛测线或3个拱顶沉降点，1对收敛测线)，断面距为20 m； 3)7点(3个拱顶沉降点，2对收敛测线)，断面距为10 m。

为利于比较成本，设定3类监测断面在同一隧道长度下数量相等，特长、长、中长和短隧道长度分别取5 340、2 640、840、240 m，即每类断面在上述长度隧道中分别对应为90、45、15、5个。5 340、2 640、840、240 m的隧道测算模型中分别有270、135、45和15个监测断面，工期按经验依次取3年、2年、1年和100 d。具体测算成本如表2所示。表中成本已计入人、机、料和措施费，不考虑管理费。设备和材料成本取市场上的低位值，设备折旧年限按3年计，为方便比较，折算出每延米成本。巴塞特系统价高又不易保护，近几年未见施工应用案例，故不做测算。表2中除特长隧道外，自动化监测的主要设备(测量机器人、扫描仪、相机和光纤解调仪)及配套按1套考虑，采取移动监测，避免多台设备增加成本； 特长隧道设备移动困难，计算时考虑2套计入设备成本。

结合表2分析，对于短隧道和中长隧道，人工监测费用均低于自动监测。对于长隧道，总体上，人工监测与自动监测成本差距有所缩减，自动化近景摄影测量和自动激光测距技术的成本已经低于各人工监测方法。而在特长隧道监测中，除自动化近景摄影测量和自动化激光测距技术外，其他自动化监测技术成本较于人工监测技术无成本优势。自动化近景摄影测量和自动化激光测距技术在长、特长隧道中成本具有优势是因为设备成本低。而特长隧道监测中除上述2类技术，其他自动化技术成本不仅相对于人工监测成本更高，也高于相应长隧道中各技术类型，这是因为增加了1套价格昂贵的设备。而山岭长大隧道规模越大，辅助坑道、施工面就会增多，就需要更多的设备投入，费用便十分高昂，这无疑是制约施工隧道自动化监测应用的主要因素。

综上，从成本角度看，在施工隧道监测工程中，现阶段主要还是推荐使用人工监测，但长、特长隧道建议可使用自动化近景摄影测量和自动化激光测距技术。

表2 施工隧道不同监测技术成本测算

注： 自动化激光测距仪在二次衬砌施作前回收继续用于下段初期支护，以节约成本。光纤传感器按埋入考虑，不回收。

4.2 一般运营隧道监测

运营监测中，目前尚未有规范强制规定监测断面间距和点位数。一般运营监测与施工监测最大的区别是监测频率明显降低。本文一般运营期监测计算模型仍按施工监测计算模型建立，但监测频率取1季度1次，监测期为2年。成本计算如表3所示，在短隧道和中长隧道监测中，总体上人工监测成本具有明显优势，这与施工监测一样。不同于施工监测的是，对于长和特长隧道，总体上，自动化监测对于人工监测却没有明显的成本优势，只有自动化近景摄影测量技术成本低于各人工监测技术。另外，测量机器人、三维激光扫描仪技术成本在特长隧道监测中对比人工监测，其成本在应用中也是能接受的。故一般运营监测中仍建议以传统人工方式为主，但是在特长隧道监测中，从成本上看，自动化近景摄影测量技术、测量机器人和三维激光扫描仪亦是可以考虑运用的。当然，如果在施工监测时使用的是光纤变形监测技术，继续使用光纤技术，成本会大大降低，并且实现了实时、快速的施工加运营全周期监测。

表3 一般运营隧道不同监测技术成本测算

注： 巴塞特系统、自动化激光测距和光纤传感器在运营隧道中需固定位置，光纤传感器按埋入考虑。其他自动化监测设备在监测中均需按测站移动，避免使用多台设备，增加成本。

4.3 重点保护段监测

重点保护段是指下穿、上跨既有重要交通线，邻近重要建筑物基础或处于高地应力、富水和地热等复杂地质情况下的高风险隧道段，区别于一般运营监测，重点保护段运营监测频次明显增加，一般需要实时监测和预警。

本文计算模型按长度200 m，断面间距10 m，共计21个断面，每断面7个测点，监测频率按2次/d，监测期为2年，具体成本测算如表4所示。由表可见，人工监测技术成本最低为激光测距仪(1 710元/延米)，而自动化技术成本中只有巴塞特收敛系统、三维激光扫描和分布式光纤技术因为设备昂贵而成本高于上述值，这说明自动化监测手段在重点保护段监测中总体上是具有成本优势的。这主要是107 310点次的工作量使人工成本显著提高，例如同样是激光测距仪技术，自动化监测技术成本为1 190元/延米，仅是人工监测的69.6%。

表4重点保护段隧道不同监测技术成本测算

Table 4 Cost prediction for key section of tunnel with various deformation monitoring technology

监测方式 成本测算/(元/延米)人工监测水准仪与收敛计2 020全站仪(0.5 s)2 245近景摄影测量1 905激光测距仪1 710自动化监测巴塞特收敛系统4 910测量机器人1 660三维激光扫描仪3 035自动化近景摄影测量1 310自动化激光测距1 190SOFO光纤1 470FBG光纤1 235分布式光纤2 670

注： 巴塞特系统、自动化激光测距和光纤传感器在运营隧道中需固定位置，光纤传感器按埋入考虑。其他自动化监测设备在监测中均需按测站移动，避免使用多台设备，增加成本。

从成本上来看，重点保护段运营监测推荐使用自动化监测技术手段，可选用的技术有测量机器人、自动化激光测距、自动化近景摄影测量、SOFO光纤和FBG光纤。其中，测量机器人、自动化激光测距和FBG光纤也是目前实际工程中应用较多的。对于分布式光纤技术，如原安设有此项技术，则可考虑继续使用。

5 实例分析

通过上述不同隧道变形监测技术的技术效益和经济效益分析，拟定了变形监测技术选择流程： 1)根据工程性质确定监测技术要求参数； 2)对应技术要求参数，选出符合的技术类型； 3)计算出运用各项技术类型或技术类型组合的成本； 4)根据实际需求，选择成本最优、技术参数符合或成本可接受、技术参数最佳的技术方案。

上述选择流程在重庆市郊铁路缙云山2#隧道K2+133～K1+933溶洞发育重点保护段运营监测技术方案选用中予以运用。此段为梨树坪断层影响区，又发育有白云岩砂化的大型岩溶，施工监测过程中进行了2次红色预警。在衬砌完成后，发现在地表降雨增多后，原本无水的泄水孔出现股状含砂地下水。为保障此段在施工质量保证期内安全可控，故增加2年的运营监测，监测精度要求为1 mm，频次为2 次/d，监测段共计200 m，断面间距10 m。由于断面较大，每断面设计7点，即3个拱顶沉降点和2条水平收敛测线。

按选择流程，首先按监测精度和频次要求，结合表1分析，除三维激光扫描仪精度不满足外，其他均符合要求。由于本运营监测工程和本文4.3节重点保护段运营监测计算模型一样，故成本计算参考表4，最后选择成本最低，精度可满足监测需求的自动化激光测距技术，实际应用效果令人满意。

6 结论与讨论

本文分析对比了山岭隧道不同变形监测方式的技术效益和经济效益，弥补了现有文献中各类监测技术优缺点不明确，且未在成本层面上对比分析的不足，这对现阶段西南地区山岭隧道工程中变形监测技术的选用和自动化监测技术的应用发展十分有意义。由上文研究得到以下结论。

1)不同变形监测技术各有优缺点，整体上自动化监测相对于人工监测在技术效果上更符合隧道变形监测的用意，即动态监测和实时预警。目前设备成本和施工作业干扰是限制自动化监测技术广泛使用的主要原因。受制于技术现状和经济水平，人工与自动化相互结合、互相验证和优势互补应是目前监测技术应用发展的方向。

2)选择变形监测技术的流程可参考步骤为： 首先，需根据工程性质确定监测技术要求参数，再选出符合的技术类型；然后，计算出运用各项技术类型或技术类型组合的成本；最后，根据实际需求，选择成本最优、技术参数符合或成本可接受、技术参数最佳的一种或多种技术组合的监测方案。

3)现阶段施工和一般运营隧道仍建议主要采用人工监测，可引入信息化技术以提升效率； 重点监测段落可考虑引入自动化手段实现实时动态监测。如考虑大范围运用自动化技术，长、特长施工隧道中可选用自动化激光测距系统和自动化近景摄影测量系统；特长运营隧道监测中，可考虑使用三维激光扫描仪、测量机器人和自动化近景摄影测量技术；而重点保护段运营监测可选用的自动化监测技术有测量机器人、自动化近景摄影测量、自动化激光测距、SOFO和FBG光纤。

本文研究也存在以下不足，需进一步研究。

1)由于成本测算的复杂性，本文分析过程较为简略，没有细分出人、机、料和措施费。

2)由于经济成本与地域、人力资源和技术更新密切，本研究资料来源为近年西南地区，故成本效益只代表西南地区现阶段水平。随着科技迅速发展，监测技术更新会愈加快速，未来数年内技术效益也可能发生巨大变动，目前价格高昂的设备价格也会随之降低。另外，不同类型隧道监测项目也有所区别。故本研究成果可为现阶段西南地区山岭隧道监控量测技术选择提供一定参考，对其他地区、其他类型和数年后隧道项目甄选监测方法的借鉴作用有一定的局限性，但相关应用者可参考本文研究模式收集相关最新资料进行探讨后作出理性选择。

3)目前，市场上又出现了如加拿大Shape Accel Array柔性线缆变形监测技术、英国Senceive设计的嵌入式无线传感器和日本佐藤工业开发的隧道开挖面变形实时监测系统等新型自动化监测技术，但由于缺乏详细的资料，故未在本文进行讨论。