高速公路隧道施工监控量测技术研究

刘 先 王 鹏

四川沿江宜金高速公路有限公司 四川 成都 610000

1 引言

现代高速公路隧道的设计与施工中，监控量测技术是保证项目成功的关键因素。隧道工程的复杂性要求工程师能够准确地理解地质条件，监控施工过程中的各种变量，并对可能的风险进行预测和管理。随着技术的进步，一系列先进的监控量测技术被开发和应用，从基础的地质预测到复杂的实时监测系统，这些技术提高了工程决策的准确性，减少了不确定性，确保了施工过程的安全性和效率。

2 高速公路隧道施工分析

2.1 高速公路隧道的类型和结构特点

高速公路隧道通常分为几种类型，包括岩石隧道、土质隧道和水下隧道。每种类型的隧道都有其独特的结构特点和施工要求。岩石隧道多数贯穿于坚硬的岩石中，主要特点是稳定性高，但在施工过程中可能需要爆破或钻掘。岩石隧道通常需要较少的支撑结构，因为岩石本身具有较好的自承能力。土质隧道多建于松软或疏松的土质中，隧道的支撑和稳固尤为重要，以防止坍塌。常见的支撑结构包括预制混凝土衬砌、喷锚支护等[1]。水下隧道是一种特殊类型的隧道，建造在水体下方，如河底或海底，水下隧道面临的最大挑战是防水和承受水压，常用的施工方法包括沉管法和盾构法。

2.2 隧道施工的常见方法和工艺

隧道施工的方法和工艺多种多样，但主要可以分为两类：传统方法和现代方法。传统方法包括钻爆法和手工凿岩法。钻爆法是一种常见的岩石隧道开挖方法，通过钻孔和爆破来破碎岩石；手工凿岩法则主要用于土质较软或岩石较脆弱的隧道，施工速度较慢，但对周围环境的影响较小。现代隧道施工技术主要包括盾构法和TBM（隧道掘进机）。盾构法适用于各种土质和岩石条件，特别是在城市地下施工中广泛应用；TBM是一种高效的隧道开挖设备，能在固定的轨道上自动推进，同时进行开挖、支撑和衬砌作业。

3 监控量测技术分类

3.1 地表位移监测技术

地表位移监测技术是地质学和土木工程中的关键技术，用于精确测量和分析地表或土体的移动和变形，在建筑施工、地质灾害监测、矿山开采等多个领域发挥着至关重要的作用。地表位移监测可分为几种主要类型，包括地表总站测量、GPS测量、InSAR（合成孔径雷达干涉测量）、激光扫描测量等。地表总站测量使用光学或电子总站仪进行地表位移监测。通过精确测量特定监测点的位置变化，可用于追踪地表或结构物的微小移动。总站测量精度高，但受到测量距离和气象条件的影响；全球定位系统（GPS）监测技术利用卫星信号测量地表位移。GPS测量可以提供连续、实时的监测数据，适用于大范围和远距离的地表位移监测。然而其精度受到多路径效应和大气干扰的影响；合成孔径雷达干涉测量（InSAR）是利用雷达卫星图像来监测地表位移的技术。InSAR可以覆盖大范围区域，能够测量毫米级别的地表变化，适合监测地质灾害和长期土地沉降。激光扫描测量，如激光雷达（LiDAR），通过发射激光脉冲并测量其反射时间来确定地表的准确位置。激光扫描测量能提供高分辨率的三维地表数据，适用于复杂地形的监测[2]。

3.2 深部位移和压力监测技术

深部位移和压力监测技术是工程和地质学领域的关键组成部分，尤其在评估地下工程稳定性和预测自然灾害方面发挥着至关重要的作用。这些技术主要用于监测深层土体或岩石中的位移和压力变化，提供了对地下结构动态行为的深入理解。深部位移监测通常涉及将传感器深埋于地下，以监控岩土体的移动，而压力监测则关注于土壤或岩石的应力状态及其随时间的变化。深部位移的监测技术主要包括地下位移计、倾斜计和应变计。地下位移计能够测量沿特定方向的位移量，而倾斜计则用于监测地下结构的倾斜变化；应变计则用于测量岩石或土壤内部的应变，间接推断位移情况。上述仪器必须具备高度的灵敏度和稳定性，以确保在复杂的地下环境中获得可靠数据。压力监测则通过压力计、应力计和孔隙水压力计进行，可以测量土壤或岩石内部的应力状态，包括总体压力和有效压力。孔隙水压力计特别适用于监测土体中的水压变化，对于评估滑坡和地下水动态等地质灾害的风险至关重要。实际应用中，深部位移和压力监测需要综合运用多种技术和方法。监测数据的采集通常依赖于先进的数据采集系统和无线传输技术，确保实时、准确地收集和传输信息[3]。此外，数据解析和模型仿真在深部监测中也扮演着重要角色，能帮助工程师和科学家解释监测数据，预测未来的地质变化。

3.3 结构健康监测技术

结构健康监测技术是用于评估建筑物、桥梁、隧道等工程结构完整性和性能的技术，通过持续或定期监测结构的物理和化学属性，能及时发现结构损伤、老化或其他潜在问题，预防灾难性的结构失败。结构健康监测通常包括使用各种传感器测量结构的振动、应力、应变、温度和腐蚀等参数。例如，振动传感器可以检测由交通或自然因素引起的结构动态响应；应力和应变传感器则用于监测结构承载能力的变化。此外，为了评估结构的腐蚀程度，电化学传感器也被广泛应用于结构健康监测中。结构健康监测技术能提供即时的结构性能数据，通过长期数据积累，利用先进的数据分析和机器学习算法，预测结构的未来性能和寿命，对于制定有效的维护和修复计划至关重要。结构健康监测技术的应用有助于降低维护成本，延长结构的使用寿命，并确保公共安全。

3.4 远程和无线监测技术

远程和无线监测技术在环境监测、工业自动化和灾害预警等领域发挥着越来越重要的作用，使得监测工作可以在没有人工直接介入的情况下进行，特别是在对人员安全构成威胁或难以到达的地区尤为重要。远程监测通常依赖于各种传感器网络，这些传感器能够持续收集环境、化学、生物或物理数据，并通过无线网络发送回中心数据库或控制中心。无线监测技术的主要优势是其部署的灵活性和低成本。例如，利用无线传感器网络（WSN），可以轻松监测广阔的农业土地、工业设施或城市基础设施，传感器具备低功耗和长期运行的特性，适合于在恶劣环境下持续工作。此外，远程和无线监测技术还与云计算和物联网（IoT）紧密结合，能够实现大规模的数据收集、存储和分析，为决策提供实时和准确的数据支持。随着通信技术的发展，远程和无线监测技术正变得更加高效和可靠，能提供丰富的实时数据，通过预测分析帮助管理人员及时响应潜在的问题和危机，在智慧城市建设、环境保护、灾害管理和许多其他领域都有广泛的应用前景。

4 高速公路隧道施工监控量测技术的应用

4.1 地质预判与风险评估

高速公路隧道施工中，地质预判与风险评估是至关重要的环节。这一过程涉及到对即将施工地区的地质条件进行详细的分析和预测，旨在识别可能的地质风险，如地下水流、不稳定的岩层、断层或其他地质异常情况，如果不被提前发现和处理，可能会导致工程延误、成本增加甚至安全事故。为了有效地进行地质预判和风险评估，通常会采用一系列先进的监控量测技术。例如，地质雷达（GPR）和地震反射法可以用来探测地下结构和识别潜在的地质隐患。此外，钻孔取样和地下水位监测也是评估地质条件的常用方法，工程师能够获得关于地层结构、岩石类型、地下水条件和其他重要因素的详细信息[4]。基于这些数据，可以建立详细的地质模型，并进行风险评估，预测可能的风险，并提出相应的预防措施，包括加固地层、改变施工方案或采用特殊的施工技术。

4.2 施工过程中的实时监测

高速公路隧道施工过程中的实时监测技术是确保工程安全和效率的关键，能够提供关于施工进度、结构稳定性和环境影响的实时数据，使得工程团队能够快速响应潜在问题，减少风险和延误。实时监测技术包括但不限于位移传感器、应力应变计、倾斜计和地表沉降监测设备。设备安装在隧道的关键位置，可以监测隧道壁的移动和变形和隧道周围地表的沉降情况。实时数据通过无线传感网络传输到数据中心，工程师可以利用这些数据进行实时分析和决策，配合人工智能和机器学习算法，可以进一步提高数据分析的效率和准确性，提高隧道施工的安全性和效率，减少了不确定性和潜在的风险。

4.3 隧道衬砌质量的监测

隧道衬砌质量的监测直接影响到隧道的安全性和耐久性。衬砌结构是隧道施工中用于支撑和保护隧道内部的关键结构，必须能够承受地下压力、地震和其他自然力的作用。为了确保衬砌结构的质量，需要对其进行精确且全面的监测。监测技术通常包括应力应变监测、裂缝监测和渗漏监测。应力应变监测是通过在衬砌结构上安装应变计来完成的，能够实时监测衬砌结构的应力和应变状态，及时发现过度的变形或应力集中，对于防止衬砌结构损坏至关重要。裂缝监测则通过视觉检查和自动裂缝监测系统来实现，后者可以连续记录裂缝的宽度和扩展情况。渗漏监测则是通过观察和记录衬砌结构表面的渗水情况来进行的，对于确保隧道防水性能和整体结构稳定性非常重要[5]。除传统的监测方法，现代隧道施工中还普遍使用了高科技监测手段，如激光扫描和地面穿透雷达（GPR），可以提供衬砌结构的详细三维图像，帮助工程师更准确地评估衬砌质量和结构完整性。

4.4 环境监测与控制

环境监测与控制旨在确保施工过程中的环境影响最小化，保护工作人员的健康和安全。环境监测主要涉及空气质量、噪声、震动等方面的监测。空气质量监测是监测施工现场中粉尘、有害气体（如一氧化碳、硫化氢等）和通风情况的重要部分，有助于防止有害气体在隧道内积聚到危险水平，保障工作人员的健康。噪声和震动监测则是为了评估施工活动对周围环境和附近居民的影响，尤其是在城市地区施工时尤为重要。为了有效地进行环境监测与控制，通常会使用一系列先进的监测设备和技术。例如，实时空气质量监测仪器可以连续追踪有害气体的浓度，而噪声和振动传感器则能够精确测量施工活动产生的噪声和震动水平。数据收集后，通过分析和评估这些数据，可以采取相应的控制措施，如改进通风系统、调整施工方法或采取隔音和减振措施。

4.5 安全预警系统的建立

高速公路隧道施工中，建立有效的安全预警系统至关重要，以确保施工过程中的安全并及时响应潜在危险。安全预警系统的核心在于实时监测施工现场的各种关键参数，并在达到预定的安全阈值时发出警报。安全预警系统还包括综合的数据处理和分析中心，该中心负责收集和分析所有监测数据，并在必要时发出警报。这个系统通常与先进的软件平台相结合，利用数据分析和人工智能算法，以提高预警的准确性和效率。通过这种方式，安全预警系统可以及时通知管理人员和工作人员，采取紧急措施以防止事故的发生。

4.6 施工后的长期稳定性评估

高速公路隧道施工完成后，进行长期稳定性评估是确保其安全运营的关键环节，旨在监测和分析隧道在投入使用后的性能，包括其结构完整性、抗裂性能和防水性能等。长期稳定性评估涉及到持续的监测和定期检查，以便及时发现和处理可能出现的问题。为了有效地进行这种评估，通常会在隧道内部和周围环境中安装长期监测设备，包括但不限于应变计、倾斜计、裂缝宽度计和地表沉降测量仪，可以持续跟踪隧道的位移、应力变化和可能出现的裂缝。特别是在地质条件复杂或极端天气频繁的区域，这种监测显得尤为重要。除了物理监测，定期的结构检查也是长期稳定性评估的重要组成部分，包括结构完整性测试和防水性能评估。必要时，还可以采用非破坏性监测技术，如地面穿透雷达和声波检测，以更深入地评估隧道的内部状态。随着监测技术和数据分析方法的进步，长期稳定性评估正在变得更加高效和准确，及时发现和修复潜在问题，也对于规划未来的维护工作和改进设计方案具有重要意义，因此，长期稳定性评估是保障高速公路隧道安全、可靠运营的基础。

5 结语

总结来说，监控量测技术在高速公路隧道施工中的应用极大地提升了工程的安全性、可靠性和效率。从地质预判到施工过程的实时监测，再到施工后的长期稳定性评估，这些技术的综合应用确保了隧道工程能够在复杂多变的环境中顺利进行。此外，这些技术的发展和应用不仅对当前的工程项目有着重要意义，也为未来的隧道工程设计和施工提供了宝贵的经验和数据支持。未来，随着技术的不断进步，可以预见监控量测技术将在确保工程安全、提高工程质量以及促进工程可持续发展方面发挥更加重要的作用。