高铁隧道监控量测技术应用分析

2023-06-05宋庆军

运输经理世界 2023年7期

宋庆军

（北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102628）

0 引言

随着我国高铁建设进程的不断加快，不但为人们出游带来了方便，也促进了地区之间的经济和文化交流。然而，在实际施工中，由于跨越的地域范围较大，部分地段的地质条件较为苛刻，因此需要进行隧道施工，对技术要求极高，施工过程面临诸多不确定性因素，大大增加了施工安全风险。量测技术不但可以及时给出隧道施工的各种信息，还可以根据参数设计，提出更加合理的实施方案，从而实现安全可靠、快速、节省成本的施工控制。

1 监控量测技术在高铁隧道施工中应用的重要性

近年来，国内交通运输基础设施在经济发展中起到愈益重要的作用，为区域发展带来了巨大的效益。国家也加大了对交通设施的投入，高铁项目不断增多。中国区域辽阔，地理环境复杂多变，由于地理差异，对量测人员提出了较高的要求。尤其在隧道施工中，技术安全问题更是突出，使得高铁隧道施工的技术难度大大增加。因为隧道与普通道路施工有显著的不同，所以，在对隧道的监控中，量测技术的应用尤为重要，精确地控制量测数据能够为后期施工质量控制、成本管理等提供有效的参考依据。作为一项复杂且不可预测的工程，环境往往非常恶劣，甚至可能导致塌方等众多事故，不仅会给施工人员和财物带来巨大的损失，还会危害建筑施工质量和安全。所以，在隧道施工时，必须特别小心谨慎。因此，在高铁隧道施工中，监控量测技术起着至关重要的作用，可以提供更加精确的量测数据，有效地预测施工中可能出现的问题，从而保证施工质量和安全。

2 工程概况

在某一新建客运专线的设计中，采用双线的设计方式，实现该区域内外的双向交流。该高铁的行驶速度达到250km/h，行驶的路段总长为45.514km，该路段的起始里程为DK329+687.5，终止里程为DK378+178。在这段高铁上，新建了26 座正线桥隧道，总长22852.8m，其中5 座长度大于1km，总长14407.94m，21 座长度小于1km，总长8444.9m，规划施工作业面达到22 个。

3 高铁隧道监控量测的方法

该项目的监控量测仪器与以往有了显著的改变，不再使用数字摄像机观测高铁隧道内外的情况，使用水准仪和钢卷尺检测拱顶下降的情况，使用收敛计检测水平收敛，使用钢卷尺和一般的水准仪检测地表下降。

随着技术进步，传统的水准仪和钢卷尺已经不能满足高精度的检测需求，因此，全站仪、光电水准仪等数字化仪器正在被广泛使用[1]。其具备蓝牙功能，通过与量测信息管理软件的手机客户端连接，实现实时量测和数据上传，从而提高了工程质量和效率。

4 高铁隧道监控量测技术的要求

4.1 隧道监控量测项目

根据具体施工图纸和施工技术的要求，选取必测的量测项目。具体而言，在隧道内外观察中，需要利用数码相机、罗盘仪设备进行测量；在拱顶下层，对净空变化、地表沉降、拱脚下沉、拱脚位移，需要利用全站仪设备进行测量。

4.2 监控量测断面及测点布置原则

在隧道开挖之前，应该在浅埋和下穿工程的部位，设置地表沉降测点。应当位于隧道内，且不应该位于同一断面里程内[2]。H0表示隧道埋深；H 表示隧道开挖高度；B 表示隧道开挖深度，由此可以得出地表沉降测量点的纵向间距：在2B＜H0≤2（B+H）时，间距为15m；在B＜H0≤2B 时，间距为10m；在H0≤B 时，间距为5m。

在隧道中点周围，地表沉降点的横向水平距离应该在2～5m，以便更好地进行量测。中点两边的量测区域应该不低于H0+B，如果有特殊的要求，适当扩大量测距离和量测的范围。拱顶下沉测点和净空变动测点应该安排在同一个截面上，在拱顶轴线周围设置下沉测点是一个合理的选择，但是当跨度较大时，应根据施工办法增加测点。

4.3 监控量测频率

根据表1 中的数据，项目量测的频率应当有所不同。在考虑到测点距开挖面的距离和位移速度的情况下，应该缩短量测的周期，进而保障量测结果的准确性。在出现异常时，需要加大量测的频率。

表1 按距开挖面距离和位移速度确定的监控量测频率

4.4 测点埋设时间的要求

需要对测点进行及时的埋设，以便保证在隧道开挖前，获得更为精准的地表沉降数据；在复喷混凝土后的2h 之内，需要对净空收敛和拱顶下沉进行量测，获取初始数据[3]。

4.4.1 在量测工作开始之前，应当在相邻隧道断面里程内，布设地表沉降测点，以便更好地对隧道内的地质情况进行掌握和了解。

4.4.2 在初次喷射混凝土之前，应该在拱顶下方设置净空变化的点。

4.5 地表沉降量测

地表沉降量测，使用徕卡DNA03 进行。首先，在施工期间，需要在隧道开挖的纵横方向上，埋设基点，以便能够展开相互校核。其次，每个基点的埋设需要与地表沉降量测数据一致。最后，把每个基点与邻近水准点进行联合测试，以便取得更为精准的数据。

地表沉降量测的要求：

4.5.1 在对仪器设备进行检查之后，需要避免在测站和标尺出现抖动的情况下进行量测。

4.5.2 量测的时间尽量在同一天内进行。

4.5.3 量测应遵循四固定原则：固定量测人员、固定量测位置、固定量测时间、固定量测顺序[4]。对数据进行分析，可以制作位移和时间的关系图，如图1所示。只要曲线方向正常，则说明移动随着施工的推进而逐渐趋于稳定。一旦发现异常情况，如发现反弯点，说明地表下沉并且发生了迅速增长的情况，围岩和支撑已经不稳固，应立即采取措施。

图1 位移u 和时间t 的关系曲线图

当围岩位移速率不断下降时（du2/d2t＜0），围岩趋于稳定状态；

当围岩位移速率保持不变时（du2/d2t＝0），围岩不稳定，应采取支护措施；

当围岩位移速率不断上升时（du2/d2t＜0），围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，加强支护。

4.6 监控量测注意事项

4.6.1 在浇筑混凝土前，应预先布设量测点，并且，需要避开钢架和脱空之间的回填处，保障测点能够顺利进入围岩，不能将测点布置在钢架上。为了保障量测过程的安全性，应尽快完成布设，并采取有效的措施。例如，在支边墙出现向内塌陷的情况，需要对测点进行保护，避免出现损坏的情况。若测点出现损坏，应当对测点附近进行补埋，从而实现二次数据的收集。测点出现松动的情况，应尽快采取措施紧固，以确保当天的量测结果准确无误，并在紧固完成后再次读取初始数据。

4.6.2 在测点布置完毕后，应当用醒目的涂料标记出来，并且严禁在测点位置设置任何建筑物。

4.6.3 应将拱顶下沉和地表沉降量监控量测结果与洞内外水准基点建立有效的联系。

4.6.4 不得弄虚作假，要求各监控量测人员保障数据的准确性，以便能反映出量测现场的真实情况。

4.6.5 为了确保监控量测工作的顺利进行，应及时提供必要的条件，减少可能发生的干扰，并将监控量测元件的埋设计划纳入工程施工进度，确保施工过程顺利进行。

4.6.6 在使用量测仪器装备之前和之后，应该经常加以检测、校对和率定。收敛仪在运行时，应该调整螺栓，使其逆时针旋转，以确保螺纹不会外露[5]。在应用一段时间后，应该对零加以校准，查看数显读数是不是为零，如果出现误差，则应该加以修正。完成量测工作后，用棉纱清扫粉尘，并要避免钢尺出现锈化的情况。

5 数据分析和安全性评价

5.1 数据分析处理

可以通过校核、整合和分析对监控量测的数据进行分析，并且清楚地指出挖掘方式、建造工序及其挖掘面与监控量测点之间的距离等信息内容。

5.1.1 数据校核

通过对监控量测数据结果的校核，可以有效地消除和减少各类差错因素，从而保证数据分析的可信度和完善性。在一次量测后，应立即对结果加以统计、填表制图、误差处理等，以保证数据的正确性和可信度，并适时补测。

5.1.2 数据整理

通过对监控量测数据的整合，可以计算出物理量，制作相应的图表，并将其打印出来，方便分析数据的变化和趋势，从而更好地掌握移动时间曲线图或散点图。

5.1.3 数据分析

通过统计分析，可以应用比较法、作图法和数字方法等多种方法，如散点图和回归分析方法，研究各监控量测物理量值的变化趋势，从而预测出风险发生的最终值和影响程度区域，从而有效地评价安全性状态。通过绘制时间－移动和长度的散点图，结合实际施工具体情况，选取适当的函数通过回归分析，估计平均值（终点值），并与量测基准值加以对比，以此综合评价围岩和支护结构的状态。

通过监控量测数据分析，可以获得多种有效的结果：第一，依据监控量测值描绘时态曲线；第二，采用回归分析方法，估计结果值，并与监控量测基线值加以对比；第三，对围岩及支撑构件加以评价；第四，适时反馈评价结果，并提供有效的工程技术措施和意见。

5.2 工程安全性评价

工程安全性应按照位移管理等级划分为3 个级别，并采取相应的工程技术措施。当移动控制到达三级时，应向监控量测队长、技术主管和场地监理工程师报告；当到达二级时，应向分部工程主任、总工程师和现场施工责任人报告，总工程师结合具体情况向设计师、业主方和建立方提出具体的解决措施；当达到一级时，应当向有关部门汇报，以确保工程的安全性，立即停止施工，并向业主单位汇报情况，以便于采取解决对策。