自动化综合监测技术在复杂施工环境运营高速公路隧道中的应用及分析

■陈必港

（福建省交通科研院有限公司，福州 350004）

随着公路里程的不断增长，新建线路上跨或下穿既有运营公路、一个空间分布多条线路的复杂施工环境将越来越多。 在运营公路隧道周边施工过程中，势必会对隧道周围岩体造成扰动，引起隧道变形，严重影响隧道的结构及运营安全。 因此，施工期间对运营隧道结构进行实时监测，并将监测结果指导工程施工对确保运营隧道安全显得尤为重要。 但传统的监测大多为人工监测，费时费力，受天气、人为因素等影响较大，数据不连续，难以满足工程实际需求。 因此，自动化监测技术应运而生，其具有自动化、实时化、高精度、高效化等特点[1]，但因各方面的限制，目前推广程度并不高。 另外，实践表明，相对于单一的自动化监测技术，自动化综合监测技术可以借助监测结果的相互验证，提高监测结果的准确性，应用在复杂工程施工环境中，能有效降低施工风险[2-3]。

本研究将自动化综合监测技术应用于复杂工程环境运营高速公路的工程实际中，无论是保证应用工程的施工安全和风险控制，还是为今后类似工程的经验积累，以及提升自动化监测技术水平方面都具有重要意义。

1 自动化监测基本原理

1.1 静力水准仪基本原理

静力水准仪采用连通管的原理，利用超声波传感器发射超声波， 超声波到达液面被液面反射，传感器接收到反射信号，利用已知的超声波的传播速度及测出的传播时间，测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量[1，4]。

假设共布设了n 个测点， 其中1 号为基准点，初始状态时， 各测点安装高程相对于参考高程面▽H0间的距离为Y01、Y02、…Y0i…Y0n（0 表示初始状态，i 表示测点编号）， 各测点安装高程与液面间的距离为h01、h02…h0i…h0n，则有：

因此，只要用超声波传感器测得任意时刻各测点相对于初始观测值的位移量，则可求得该时刻各点相对于基准点1 的相对高程差，即该时刻各测点的累计沉降量。

静力水准仪适用于运营隧道的拱顶沉降、拱脚沉降的监测，亦适用于不占道情况下的道路路面沉降监测，具有实时、自动化的特点，但也存在一些技术缺陷，例如液面蒸发、温度变化会对观测数据产生一定的影响。

1.2 激光位移计基本原理

利用激光测距对准隧道另一端的测量靶标，激光位移计测出两点之间的距离即为测线长度，与施工前所测初始值相比较，所得差值即为该测线收敛累计变化量。 激光位移计能快速测定隧道周边位移，具有快速、准确、实时监测的特点，但碰到障碍物遮挡时会影响数据观测，分析时要注意将这些数据剔除。

1.3 应变计基本原理

受篇幅所限且因工程实例中仅应用了振弦式应变计，在此仅对振弦式应变计的基本原理做相应阐述。

振弦式应变计原理的基本理论公式为：

对上式两边取平方，并整理可得：

式中，f 为钢弦频率；l 为钢弦长度；ρ 为钢弦密度；K 为钢弦系数，K=4l2ρ。

假设在初始状态，钢弦初始应力为σ0，频率为f0，当受到σ 应力时，频率为f，根据式（7），可得从初始状态到σ 应力状态的应力增量△σ 为：

由胡克定律（Hooke’s law）可知，此时钢弦的应变增量为：

式中，E 为钢弦的弹性模量；k 为钢弦的灵敏度系数，由出厂标定，k=K/E。

在监测过程中，一般假定监测结构的变形与应变管、钢弦的变形一致，即监测结构的应变增量等于钢弦的应变增量。 因此结合式（9），只要测得振弦的变化频率，即可得到监测结构的应变增量。

应变计能较为准确地测量出隧道结构表面的变形，以此推断周边环境是否对隧道结构造成影响，但其会受被测面变化（倾斜、凹凸、光泽等）的影响。

1.4 裂缝计基本原理

裂缝计基本构造见图2。 当被监测结构的裂缝发生变化时（扩张或收缩），会使位移计左、右安装支座产生相对位移， 并引起振弦受到应力变化，从而改变振弦的振动频率， 其原理同1.3 节内容。 同时，电磁线圈激拨振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传至读数装置或数据采集系统，经换算即可得到被监测结构裂缝相对位移（相对于初始测量值）的变化量。

图1 静力水准仪基本原理图

图2 裂缝计基本构造

裂缝计能较为准确地观测出隧道衬砌表面裂缝的伸缩、扩张变化情况，但无法观测到衬砌内部裂缝的延伸情况。 此外，因安装问题，裂缝计对于边角处的裂缝观测可能并不适用。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某已运营高速公路隧道需在上部新建高铁，下部新建地铁，形成“上跨高铁，下穿地铁”。 其中新建的高铁在DK237+524～+574 里程处上跨公路隧道，高铁路肩顶部距离隧道拱部衬砌外缘最小净距约2 m， 公路隧道原结构设计未考虑上跨铁路荷载和影响，铁路施工及运营期间，铁路及公路安全均不能保证，因此需对交叉影响段既有公路隧道衬砌结构采取“置换加固”方案处理。 下穿地铁采用盾构法施工， 对公路隧道交叉影响段为：ZK19+365～+445和YK19+365～+445， 与公路隧道的交角为70°，地铁隧道右线结构顶距公路隧道结构底的距离为11.922 m， 左线结构顶距公路隧道结构底的距离为11.924 m， 地铁隧道下穿公路隧道的地层主要为素填土、粉质粘土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩。两项目施工期间，公路隧道仍需正常运营。为保证公路隧道的结构安全及正常运营，需对公路隧道结构进行自动化监测。

2.2 工程难点

（1）本项目为“上跨高铁，下穿地铁”的项目，且“上跨高铁”需对既有公路隧道衬砌结构采取“置换加固”处理，在国内类似工程可谓绝无仅有，无工程经验可供参考。

（2）公路隧道自身埋深浅，新建的高铁路基和地铁隧道距离公路隧道衬砌结构净距小，需对公路路面沉降和隧道变形严格控制。

（3）除“置换加固”外，其余施工期间公路隧道仍需正常运营，增加了监测过程的危险性。

（4）隧道施工段围岩条件差，具有遇水易软化、崩解及形成流沙的不良特性，加剧了施工及监测难度。

2.3 监测方案

（1）下穿项目：共有拱顶沉降、周边位移、路面沉降、衬砌表面应力4 类监测项目。 拱顶沉降、周边位移、路面沉降在交叉段每10 m 布设1 个断面，在影响段每20 m 布设1 个断面，左、右幅隧道合计布设激光位移计14 个，静力水准仪28 台，加2 台基准点水准仪，共30 台静力水准仪。 衬砌表面应力选取典型断面（交叉段且为下穿隧道轴线处）共布设3个应变计。 测点平面布置图如图3 所示。

图3 下穿地铁项目测点平面布置图

（2）上跨项目：共有拱顶沉降、周边位移、衬砌裂缝宽度3 类监测项目。 拱顶沉降、周边位移在交叉段每10～15 m 布设1 个断面，在影响段每30 m 布设1 个断面，左、右幅隧道合计布设激光位移计18 个，静力水准仪18 台，加2 台基准点水准仪，共20 台静力水准仪。 衬砌裂缝宽度选取典型裂缝（最大纵向裂缝） 分别在裂缝两端和中部共布设3 个裂缝计。 测点平面布置图如图4 所示。

图4 上跨高铁项目测点平面布置图

所有监测设备每1 h 采集1 次数据，每天24 h不间断采集数据，在施工关键阶段，可通过后台修改指令提高采集频率。 为减少过往车辆振动对测点数据产生的影响及减小外界温度的影响，在进行分析时取每日0 点左右的数据为当日的分析数据，其余时间点数据为突发情况时的参考数据。 监测项目、仪器、监测频率、控制标准如表1 所示。 另外，为便于隧道内支护状况日常巡查，在典型裂缝处黏贴玻璃片，通过检查玻璃片是否开裂，判断衬砌变形是否过大。

表1 监测项目、仪器、监测频率及控制标准

图5 测点断面布置示

图6 现场安装照片

2.4 数据分析

2.4.1 下穿地铁监测项目

2019 年4 月1 日仪器安装完毕，开始对运营公路隧道进行自动化监测数据采集工作。 4 月3 日盾构从地铁隧道右线影响段边界（桩号右SDK0+800）开挖，至4 月7 日地铁隧道右线已完成对运营隧道的下穿。11 月4 日盾构从地铁隧道左线影响段边界（桩号左SDK0+875）开挖，至4 月7 日地铁隧道左线已完成对运营隧道的下穿。

Y19+395 断面的拱顶沉降累计值-时间关系曲线见图7。 从图7 可知，监测期间内，监测数据最大值为0.30 mm， 最小值为-0.63 mm， 且大部分数据在-0.40～0.20 mm，整个曲线变化趋势平稳，无明显波动迹象，能保证隧道结构的安全与稳定。

图7 下穿地铁项目YK19+395 拱顶沉降累计值-时间关系曲线

2.4.2 上跨高铁项目

2018 年11 月11 日仪器安装完毕，开始对运营公路隧道进行自动化监测数据采集工作（裂缝计为2019 年3 月12 日安装）。2018 年11 月-2019 年2 月中旬，对隧道拱顶上覆岩层进行开挖，开挖深度为14 m，距离拱顶10 m 尚未开挖。 2019 年2 月中旬-2019 年4 月中旬，采用人工挖孔桩跳跃式开挖中部锚固桩，开挖最大深度为28 m。 2019 年12 月20日-2020 年2 月23 日， 对运营隧道左洞剩余上覆岩层进行清除；2020 年2 月24 日-3 月1 日将左洞交叉影响段的二衬拆除。 之后进行支护钢筋拆除及重新浇筑、加固二衬作业。

YK19+285 断面的拱顶沉降累计值-时间曲线和拱顶沉降日变化曲线见图8、9。 从图中可知，2018 年11 月11 日-2019 年12 月20 日，曲线变化趋势平稳，无明显波动迹象，意味着开挖14 m 上覆岩层及开挖中部锚固桩对运营隧道结构安全与稳定的影响不大，完全在可控范围内。 在2019 年12 月20 日对隧道左洞剩余上覆岩层进行清除后，拱顶沉降速率立即增大，当日沉降速率为0.12 mm/d，次日达到了0.84 mm/d，并在2019 年12 月25 日达到最大值1.15 mm/d，超过了施工控制标准。 沉降累计值曲线呈上行趋势，由2019 年12 月20 日的3.64 mm陡增到2020 年2 月21 日的8.91 mm， 沉降累计值在这2 个月的增加幅度远远大于其他12 个月的累计值。

图8 上跨高铁项目YK19+285 拱顶沉降累计值-时间关系曲线

图9 上跨高铁项目YK19+285 拱顶沉降日变化速率曲线

为进一步分析施工对运营隧道的影响， 图10、11 分别给出了YK19+285 断面的周边位移累计值-时间关系曲线及靠近YK19+285 的3# 测点衬砌裂缝宽度累计值-时间关系曲线。 从图10 可知，周边位移累计值-时间关系曲线在2019 年12 月31 日出现拐点，此时仅为5.9 mm，至2020 年3 月3 日，周边位移累计值达到19.3 mm，临近控制标准值，前后增幅为13.4 mm，是其余时间段位移累计值的2 倍多。 图11 显示了在该施工阶段内，裂缝进一步被拉宽，变化了0.15 mm，宽度达到了0.9 mm，说明该阶段施工对隧道结构变形具有显著影响。

图10 上跨高铁项目YK19+285 周边位移累计值-时间关系曲线

图11 3# 测点衬砌裂缝宽度累计值-时间关系曲线

综合上述分析结果，为保证运营隧道的结构安全及右洞车辆通行安全，监测单位和施工单位进行了预警处理并采取应急措施。

3 应急措施

3.1 监测单位

监测单位采取了如下措施： ①经多方数据核实，确认是施工导致隧道结构变形较大后，第一时间将监测结果汇报至有关单位， 并出具预警单；②提高数据分析频率， 不仅关注0 点左右的数据，并查看其他时间点的数据， 密切关注变形发展过程，预测其变化趋势；③加强隧道内巡查，由一日一巡查提高到一日两巡查。

3.2 施工单位

施工单位采取了如下措施：①通知技术人员启动应急预案，暂停施工作业；②组织相关人员进行现场勘查并对变形较大的区域进行加密观察；③在变形较大的区域采取保护措施；④及时接收、查看每日反馈数据，待隧道变形稳定后，再酌情恢复作业。

上述措施有效地控制了隧道变形，拱顶沉降累计值在2020 年2 年21 日后出现回落，周边位移和裂缝宽度变化曲线也趋于稳定， 防止了危险的发生，为后续施工顺利开展打下了良好的基础。

4 结论

（1）通过自动化监测，可以及时、准确地掌握隧道的变形情况，指导施工，达到施工全过程的实时动态控制，从而保证施工安全及既有公路隧道的安全运营，具有实时化、自动化、高精度等特点，有较好的工程应用价值。

（2）受多种因素的影响，采用单一的自动化监测技术往往误差较大， 会造成监测结果的误判，而自动化综合监测技术可以借助监测结果的相互验证，提高监测结果的准确性。

（3）对比各类监测项目数据曲线走势图，在拐点、上行线、下行线都有一定的一致性，与施工情况较为符合，说明监测结果的可信程度较高，可为工程施工提供指导。

（4）受温差的影响，静力水准仪在白天、夜晚采集的结果有一定的差异，监测过程中应尽量采用夜晚所采集的数据进行分析， 或通过温度修正系数、水管外层包裹隔热层等方式减小温度的影响。

（5）本次工程实例在数据预警时及时采取了有效的预防措施，避免了危险的发生，保证了施工的安全开展，可为类似工程提供借鉴。