隧道工程施工监控量测技术的应用

朱梅林

摘 要：本文结合某隧道施工实例对其中的断面监控量测技术加以阐述，以小波分析对实际监测数据做处理，不会让随机误差带来波动，了解了隧道围岩的具体变形规律，是分析隧道稳定性的可靠依据。

关键词：监控量测;小波分析;大断面隧道

1 工程概况

某坡度为4‰、长7 238 m的直线下坡隧道，属于大断面双线隧道，断面尺寸为1 478*1 246。隧道所在地是一处低山丘陵，地表可见明显起伏，埋深可达376 m。地表覆盖物厚度基本控制在0 m～2.00 m 之间，土层依次分别是第四系统风积层全新统坡粉质粘土、上一系统风积层松软粘土以及成都黏土。隧道的洞身依次贯通和穿越侏罗系中的统上沙溪庙组、上部和下部的统遂宁组泥岩和砂石夹杂的变质岩，围岩内部存在着很多被破碎的岩体，强度较弱，自稳定性不好。隧道位于 dk23+369与卧龙寺方向斜交，与断层位于 dk22+524相交，350 m 厚的一条破碎地带;在工程开挖过程中，地层出现了较大的产状和变动。多处容易产生冲击性的突涌洪水，如向斜核段、断层破碎带、砂泥岩连接带。隧区内现有的地下水主要包括基岩裂隙水和第四系土层的孔隙潜水，含硫酸盐，具H1～H2等级的侵蚀性;地表水不发育。

隧道围岩当中20.5%为Ⅲ级围岩，长1 485 m;64.1%为Ⅳ级围岩，长4 665 m;15.4%为Ⅴ级围岩长1 108 m，且存在不良地质与部分特殊地质，其施工方法包括预留核心土上中下三台阶与上下台阶法等。施工重点、难点包括：1）开挖进出口浅埋段时可能带来不良影响;2）撑子的地面表层很有可能发生风化而剥落或者崩潰;3）自顺层与断层的破碎地带的穿越;4）断层的破碎地区与岩溶段中常见的突泥、突水问题。故而当前在该段隧道的施工过程中，监控和量测也是一个必要的环节。

2 监测方案

2.1 监测作用与意义

在隧道施工全程实施监测，及时、准确的向甲方反馈信息，作为判断隧道工程在施工全程安全性的依据，并及时无误地预报隐患、事故，以便即刻采取可靠措施，杜绝事故发生，并为设计与施工提供指导，达到“设计动态化、施工信息化”的状态。故而，在进行隧道建设施工期间，监控量测被认为是一项基本的工作，其主要目的有：1）通过借助于监控量测可以了解到隧道施工过程中的范围岩强度和变化情况，掌握它们对于施工所能带来的影响及哪些问题存在于薄弱环节，会不会出现失稳;2）可以借助于监控的量测方法了解各种支护结构的承载受力状态与其变形情况，并进行评价;3）借助监控量测获悉施工方法的具体效果，实现安全施工;4）评价施工方法是否适用，并即刻加以反馈，对施工、支护参数做出相应调整;5）借助监控量测，获取大量数据资料，作为隧道施工、设计及修改规范的依据。

2.2 监测方案

监测的内容主要包括：1）孔内外温度变动情况;2）拱形坝顶下沉;3）切割机的开挖断面大小;4）孔洞处地表沉降;5）周围位移。本文主要关注的研究领域为洞内外地质观察、周围位移和拱顶沉降资料，具体内容包括：1）洞内外的地质和支护工程状态的观察。洞内设置了掌子面和支护结构，借助于对围岩的地质状况以及针对性的支护结构进行了详细描绘，对围岩作了一个合理的区域划分，并对围岩的稳定性作出合理的评估;观察支护结构内的锚杆、喷砼、钢架等施工情况;洞外是否有地表的状态，地表上是否有出现沉陷，边坡和仰斜度是否平整，地表水是否有渗透等等;2）拱顶下沉。拱顶下沉的测量，需要将其净空收敛断面和拱顶下沉的中心线布置在相同的位置上，国内在进行拱顶下沉的断面测量时最为常见的方式就是在其中间布置一个检测点，位置则应该选择在拱顶的中心。中铁西南科学研究院有限公司从许多隧道建筑工程的测量和实践中可以发现，若能够在距离隧道拱顶中心和左右2.5 m 高度的拱腰线上各增设一个检测点，能达到更好的监测效果;3）周围位移。在确定的断面进行开挖、初喷1 d 内，分别在隧道外部，左、右边墙位置上埋设测桩。测量方法中所需要选择的精度监测测量方法主要是一种测量精度相对较高的精度水平基准曲线精度监测测量方法，同时展开温度修正。该监测设备所选用的是SWJ-Ⅳ收敛计。

3 监测数据的具体分析与处理

3.1 洞内掌子面与支护结构、洞外地表、边坡、仰坡的信息处理与分析

隧道进口端DK23+240～DK23+340区域支护撑子表面基本都是以砂岩为主，偶尔会有夹杂性的泥岩，岩体总是呈现层状，属Ⅳ级围岩，存在着一种发育明显的软弱夹层和地下水，围岩的状态比较稳定，与其他勘探成果基本吻合。范围内上部和下台阶左侧的拱脚、坝身和拱腰均有渗出的裂隙水，撑子表面始终保持湿润，同时裂隙中还可能存在少量的泥岩，会在遇水后软化。为了尽量避免支护结构发生突变，需要采取一些相应的措施，如弱爆破、短时间进尺、排出淤泥和积水、即刻支护等。

3.2 位移数据的处理分析

现场监测得到的隧道相关数据难免包含一定的随机误差，故而数据难免会呈忽上忽下的锯齿波动状，若是不对所得数据做适当的处理，就无法从中确定各监测对象的具体参数大小，更无法找到其变化趋势。引入灰色预测模型，借助小波去噪法将检测数据中的误差成功消除的同时，还能让重要数据不会由于突变而发生信息丢失现象。

去噪处理步骤为：1）本文选择db4进行去噪处理。展开分解时，若分解层数不足，误差就不能被彻底消除;但是分解太多层，又会拖慢计算速度;当分解层数达到一定大小时，去噪后的监测数据就不会再发生变化。通常来说分解到3层，基本就能符合处理要求;2）确定阈值大小时，要以能将弱小的有用信号从高频信息中完整的提取出来为目标，必须保证有用的高频信号不会被误消除;3）打开matlab7软件，运行小波基函数db4，做3层分解，并编制相应的程序展开小波分析。

本次监测的断面位置为Ⅳ级围岩，量测的数据经过一个小波去噪后，变化主要表现在两个阶段：2020年5月15日-5月25日，时态曲线发生了波动，这可能是由于台阶开挖所带来的变形;2020年6月13日-7月5日，时态曲线当中的累积值明显上升，速率、加快度也都出现了波动，同样可能是因为台阶式开挖所带来的变形;但是监测30天后，数据的累计值却非常稳定，而且速率、加快了也降到0。小波除噪能基本地保留了因为施工或者是由于外界环境的波动而带来的大量监测数据变化，得到的监控数据更加地接近周围岩石变化的现象和真实规律，将其具体变形规律呈现出来。以及微小波噪声分析法针对100～300米范围内的各个拱形断面拱顶进行分析监测数据集并展开了二次去噪声化处理，将监测拱顶高度下沉、净空时间收敛的拱形曲线图数据进行分析绘制。

4 结语

从对于大断面隧道建设工程所需要进行的监测量测方法研究实践中，获得的结论如下：1）监测数据经过小波去噪处理后，基本可将随机误差彻底消除，并可将施工影响与环境带来的变化完好的保留下来，能呈现隧道工程的围岩变形规律出来，对隧道稳定性情况做出准确评价，并预判发展趋势;2）可以借助于监测量检，能够深入地了解周围岩石在施工过程中的温度变动状态，对于薄弱环节进行一些重点的监测，让整个工程顺利进行;3）借助监控量测，能了解支护结构情况;4）借助监测量测，能科学调整施工参数，为设计与施工的优化提供依据，为接下来的工程提供数据基础。

参考文献：

[1]李本召，朱斌，黄传计，等.复杂地质环境隧道新奥法施工中监控量测及分析研究[J].矿产勘查，2020（9）：2038-2044.

[2]陈钊.基于数码影像数据采集处理技术的山岭隧道监控量测方法研究[J].重庆建筑，2020（6）：42-45.

[3]于维刚，胡鹏，宋浪.基于概率统计下白马隧道监控量测预警阈值研究[J].现代隧道技术，2019（S2）：285-290.