復雜地質(zhì)環(huán)境下山嶺隧道監(jiān)控量測技術(shù)研究

姚士磊，何偉

（中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院，廣州510000）

1 引言

公路作為我國交通運輸體系的重要組成部分，在區(qū)域開發(fā)以及人員交流等方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，隨著我國公路體系的日益完善，建設開發(fā)規(guī)模的逐步擴大，建設區(qū)域逐步向偏遠地區(qū)轉(zhuǎn)移，公路施工難度增加。基于這種實際，施工企業(yè)在施工環(huán)節(jié)普遍采取監(jiān)控量測的測量方式，及時掌握施工現(xiàn)場的基本信息，采取靈活的技術(shù)手段，對施工活動進行修正，在確保施工質(zhì)效的同時，降低施工風險，尤其在復雜地質(zhì)環(huán)境下，公路隧道施工難度較大，如果沒有采取必要的監(jiān)控量測技術(shù)，勢必影響整體施工進度，造成工程延期。本文著眼于實際，在對監(jiān)控量測進行全面梳理的基礎上，充分借鑒過往有益經(jīng)驗，結(jié)合復雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工的實際情況，全面探究監(jiān)控量測技術(shù)的應用方式，構(gòu)建起完備的技術(shù)應用機制，實現(xiàn)對施工活動的實時監(jiān)控。

2 監(jiān)控量測概述

作為新奧法的重要組成部分，作為一種監(jiān)測機制，監(jiān)控量測技術(shù)主要針對公路隧道施工過程中圍巖-支護的安全性，通過一系列的檢測手段，對各個監(jiān)測點支護效果以及圍巖狀態(tài)進行評估，幫助施工人員及時掌握相關(guān)信息，調(diào)整施工參數(shù)，優(yōu)化施工方案，在確保隧道施工質(zhì)量的基礎上，確保施工效率。具體來看，借助于必要的數(shù)據(jù)參數(shù)，技術(shù)人員能夠?qū)λ淼赖拈_挖方式、施工工藝進行針對性選擇，同時，也為后續(xù)相關(guān)施工管理工作的開展奠定堅實基礎，確保了公路隧道施工管理的有效性，理清了各個管理環(huán)節(jié)[1]。在監(jiān)控量測機制下，施工人員從整體上把握隧道圍巖以及相關(guān)支護結(jié)構(gòu)變形的基本規(guī)律，與其他監(jiān)測方式相對比，監(jiān)控量測對隧道掌子面的穩(wěn)定性、隧道初期支護、砌襯操作的可行性以及必要性進行了全面評估，大大提升了公路隧道施工的科學性，避免出現(xiàn)施工差錯，影響整個施工質(zhì)效，造成不必要的施工風險。從過往情況來看，需要做好洞內(nèi)觀測、隧道拱頂下沉測算、隧道水平收斂評估、地表沉降量計算等工作，通過系統(tǒng)化測量監(jiān)控，實現(xiàn)了對隧道內(nèi)圍巖狀態(tài)以及支護結(jié)構(gòu)設置等基本數(shù)據(jù)的獲取?？紤]到部分地區(qū)，地質(zhì)環(huán)境較為復雜，常規(guī)性的監(jiān)控量測無法完全體現(xiàn)相關(guān)情況，因此，工作人員就應當結(jié)合實際情況，在常規(guī)性監(jiān)測的基礎上，適當增加監(jiān)測項目，以確保監(jiān)控量測工作落實到位[2]。

3 復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測儀器的選用

為做好地質(zhì)復雜環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測工作，工作人員應當吸取過往經(jīng)驗，在明確公路隧道施工區(qū)域基本情況的基礎上，有針對性地做好監(jiān)控量測儀器的選用，通過這種方式，確保監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的準確性以及有效性。

公路隧道內(nèi)施工環(huán)境較為惡劣，由于各個工種同時進行施工作業(yè)，加之潮濕、陰暗的環(huán)境，增加了施工難度，同時，地質(zhì)活動較為頻繁，施工安全系數(shù)較低，在這種環(huán)境下，如何進行有效的監(jiān)控量測就成為施工企業(yè)共同關(guān)心的問題。從歐美等國家的經(jīng)驗來看，為了應對復雜多變的隧道施工環(huán)境，可以通過合理選用監(jiān)控量測儀器的方式進行應對，通過針對性的篩選以及使用，確保了掃監(jiān)控量測的有效性?；谖覈刭|(zhì)環(huán)境的特點，公路隧道監(jiān)控量測儀器選擇環(huán)節(jié)，技術(shù)人員應當在科學性原則以及實用性原則的引導下，借鑒外國有益經(jīng)驗，做好相關(guān)測量儀器的選用工作。公路隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)測量過程中，由于主要測量其應力與位移情況，因此，可以選擇電測量的方式，其間所選用的各種儀器，仍舊需要根據(jù)實際情況，進行靈活變通。例如，對于變形量較小的隧道，使用精密度較大的傳感器，便于捕捉微小的形變量，而對于變形量較大的隧道，則選用精密度相對較低的傳感器，通過這種方式，既能夠保證監(jiān)控量測的測量結(jié)果的科學性，又能夠避免額外的費用支出，節(jié)約施工成本[3]。針對常規(guī)性的公路隧道監(jiān)控量測，則需要技術(shù)人員根據(jù)檢測項目，選擇相應的儀器設備，例如，洞內(nèi)觀測儀器的選擇，主要包括地質(zhì)羅盤、放大鏡、地質(zhì)錘等。放大鏡主要用于隧道內(nèi)巖石組成以及裂隙發(fā)育程度的觀測；地質(zhì)錘主要用于評估隧道基巖的硬度，通過系統(tǒng)化的操作，推動各項公路隧道監(jiān)控量測工作的順利進行，為隧道施工活動的開展提供必要的技術(shù)支持。

4 復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)應用方案

地質(zhì)復雜環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)的應用涵蓋多個方面的內(nèi)容，為確保相關(guān)監(jiān)控量測工作的有序開展，工作人員需要在前期工作的基礎上，合理使用監(jiān)控量測的測量儀器，制訂系統(tǒng)化的技術(shù)應用方案，做好數(shù)據(jù)分析工作，實現(xiàn)對隧道施工活動的引導規(guī)范，切實保證地質(zhì)復雜環(huán)境下公路隧道施工活動的有序開展。

4.1 監(jiān)控量測技術(shù)方案的制訂

目前，使用新奧法設計與施工的隧道，都需要進行監(jiān)控量測技術(shù)來進行輔助，才能夠確保施工的有效性。監(jiān)控量測技術(shù)通過必要的儀器將隧道施工過程中圍巖以及支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行了數(shù)學分析，并且結(jié)合相關(guān)模型，為施工人員相關(guān)施工活動的開展提供了必要的數(shù)據(jù)支持?；诒O(jiān)控量測技術(shù)的重要性，在實際施工環(huán)節(jié)，技術(shù)人員需要著眼于實際，結(jié)合監(jiān)測內(nèi)容，選擇合適的監(jiān)控量測儀器，以確保各項各項量測工作落實到位[4]。在方案制訂的初期，施工企業(yè)應當組織技術(shù)人員提前進入現(xiàn)場，明確監(jiān)控量測涉及的相關(guān)項目，以此來有針對性地完成對隧道內(nèi)圍巖屬性、隧道施工深度、施工方式的確定，大大提升整個公路隧道施工的有效性。在明確監(jiān)控量測基本內(nèi)容的基礎上，技術(shù)人員還應當做好監(jiān)測方法的選擇工作，以確保各項檢測數(shù)據(jù)獲取的科學性。以某公路隧道為例，該公路全長1638.69m，隧道施工區(qū)域地質(zhì)環(huán)境極為復雜，為確保施工質(zhì)效，施工單位選用新奧法進行項目設計與施工，基于這種實際，施工企業(yè)安排人員對隧道進行監(jiān)控量測作業(yè)，考慮到項目的特殊性，技術(shù)人員將隧道橫向作為主斷面，將相關(guān)測量點沿著主斷面進行排布，并將測量點之間的距離控制在2～5m，在同一斷面內(nèi)設置8～10 個測量點，以此來保證整個監(jiān)控量測環(huán)節(jié)中隧道圍巖以及支護結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)獲取的準確性、可靠性?；诜婪端淼莱两档哪康模夹g(shù)人員還應當對地面沉降量進行計算，在計算過程中，可以距隧道襯砌結(jié)構(gòu)的H+h處開始挖掘（H為公路隧道深度；h為公路隧道自身高度）。開挖工作完成后，在開挖區(qū)域設置3 個預埋點，使用水平儀進行測量，逐步形成一個完整的監(jiān)控量測方案。如圖1 所示。

圖1 復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測布局方案

通過系統(tǒng)完備的布局，確保監(jiān)控量測工作能夠有序開展，滿足現(xiàn)階段復雜地質(zhì)環(huán)境下隧道施工活動的相關(guān)要求，對施工活動的優(yōu)化以及施工管理工作的開展大有裨益與促進。

4.2 量測數(shù)據(jù)的回歸分析

在完成對復雜地質(zhì)隧道施工活動之后，技術(shù)人員應當在現(xiàn)有工作的基礎上，依據(jù)所獲得各項數(shù)據(jù)，進行隧道圍巖以及支護結(jié)構(gòu)位移、收斂速度等信息的分析，形成曲線圖，為施工人員提供直觀的參考，便于現(xiàn)場管理人員靈活調(diào)整施工方案，有效開展管理工作。在這一過程中，應當做好曲線數(shù)據(jù)的分析工作，例如，可以使用matlab 數(shù)學分析軟件，對監(jiān)控量測曲線進行回歸性分析，通過回歸性分析，對公路隧道中可能出現(xiàn)的位移位置進行確定，在實際的位移位置測量的過程中，工作人員從拱頂沉降回歸分析、周邊位移回歸分析2 個層面入手，做好相應的回歸分析工作。具體來看，在拱頂沉降分析環(huán)節(jié)，將隧道監(jiān)控量測中獲得的數(shù)據(jù)分別代入沉降函數(shù)始終，從而獲得拱頂沉降曲線，如圖2 所示。

圖2 拱頂車沉降回歸曲線

通過對原始數(shù)據(jù)、對數(shù)回歸、指數(shù)回歸以及雙曲回歸等相關(guān)參數(shù)的梳理，較為準確地實現(xiàn)隧道拱頂位移情況的判定，為后續(xù)相關(guān)施工活動的開展奠定了堅實基礎。同時，以回歸分析為切入點，施工人員逐步掌握隧道開挖施工過程中隧道變形規(guī)律，增強施工活動的針對性，為后續(xù)相關(guān)施工活動的有序開展奠定了基礎。

4.3 量測數(shù)據(jù)的應用

在公路隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)應用過程中，施工單位應當從整體層面出發(fā)，做好施工團隊與監(jiān)控量測團隊之間的溝通交流工作，確保監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的實用性。在這一思路的指導下，施工單位有必要建立系統(tǒng)完整的信息交互平臺，施工人員及量測人員能夠針對隧道施工測點埋藏位置、數(shù)據(jù)記錄方式、數(shù)據(jù)提供方式等進行交互，確保各類數(shù)據(jù)信息的實用性，滿足現(xiàn)階段復雜地質(zhì)環(huán)境下，隧道施工的基本要求[5]。同時，做好設計方、施工方之間的溝通，確保監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的實用性，需要結(jié)合隧道施工的實際進度，調(diào)整監(jiān)控量測方式，避免出現(xiàn)施工與量測相互干擾的情況，確保施工進度，保證施工周期。

5 結(jié)語

復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)的應用，在相關(guān)技術(shù)的支持下，實現(xiàn)了隧道施工信息的實時獲取，大幅度增強地質(zhì)復雜環(huán)境下公路隧道施工的有效性以及針對性?；谶@種認知，本文在分析監(jiān)控量測作用以及基本項目構(gòu)成的基礎上，結(jié)合復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道施工的實際，做好相關(guān)儀器設備的選型工作，在此基礎上，吸收以往經(jīng)驗，制訂系統(tǒng)的技術(shù)應用方案，扎實推進復雜地質(zhì)環(huán)境下公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)的合理高效使用。