隧道工程施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

朱梅林

摘 要：本文結(jié)合某隧道施工實(shí)例對(duì)其中的斷面監(jiān)控量測(cè)技術(shù)加以闡述，以小波分析對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做處理，不會(huì)讓隨機(jī)誤差帶來(lái)波動(dòng)，了解了隧道圍巖的具體變形規(guī)律，是分析隧道穩(wěn)定性的可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測(cè);小波分析;大斷面隧道

1 工程概況

某坡度為4‰、長(zhǎng)7 238 m的直線下坡隧道，屬于大斷面雙線隧道，斷面尺寸為1 478*1 246。隧道所在地是一處低山丘陵，地表可見(jiàn)明顯起伏，埋深可達(dá)376 m。地表覆蓋物厚度基本控制在0 m～2.00 m 之間，土層依次分別是第四系統(tǒng)風(fēng)積層全新統(tǒng)坡粉質(zhì)粘土、上一系統(tǒng)風(fēng)積層松軟粘土以及成都黏土。隧道的洞身依次貫通和穿越侏羅系中的統(tǒng)上沙溪廟組、上部和下部的統(tǒng)遂寧組泥巖和砂石夾雜的變質(zhì)巖，圍巖內(nèi)部存在著很多被破碎的巖體，強(qiáng)度較弱，自穩(wěn)定性不好。隧道位于 dk23+369與臥龍寺方向斜交，與斷層位于 dk22+524相交，350 m 厚的一條破碎地帶;在工程開(kāi)挖過(guò)程中，地層出現(xiàn)了較大的產(chǎn)狀和變動(dòng)。多處容易產(chǎn)生沖擊性的突涌洪水，如向斜核段、斷層破碎帶、砂泥巖連接帶。隧區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的地下水主要包括基巖裂隙水和第四系土層的孔隙潛水，含硫酸鹽，具H1～H2等級(jí)的侵蝕性;地表水不發(fā)育。

隧道圍巖當(dāng)中20.5%為Ⅲ級(jí)圍巖，長(zhǎng)1 485 m;64.1%為Ⅳ級(jí)圍巖，長(zhǎng)4 665 m;15.4%為Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)1 108 m，且存在不良地質(zhì)與部分特殊地質(zhì)，其施工方法包括預(yù)留核心土上中下三臺(tái)階與上下臺(tái)階法等。施工重點(diǎn)、難點(diǎn)包括：1）開(kāi)挖進(jìn)出口淺埋段時(shí)可能帶來(lái)不良影響;2）撐子的地面表層很有可能發(fā)生風(fēng)化而剝落或者崩潰;3）自順層與斷層的破碎地帶的穿越;4）斷層的破碎地區(qū)與巖溶段中常見(jiàn)的突泥、突水問(wèn)題。故而當(dāng)前在該段隧道的施工過(guò)程中，監(jiān)控和量測(cè)也是一個(gè)必要的環(huán)節(jié)。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 監(jiān)測(cè)作用與意義

在隧道施工全程實(shí)施監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確的向甲方反饋信息，作為判斷隧道工程在施工全程安全性的依據(jù)，并及時(shí)無(wú)誤地預(yù)報(bào)隱患、事故，以便即刻采取可靠措施，杜絕事故發(fā)生，并為設(shè)計(jì)與施工提供指導(dǎo)，達(dá)到“設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)化、施工信息化”的狀態(tài)。故而，在進(jìn)行隧道建設(shè)施工期間，監(jiān)控量測(cè)被認(rèn)為是一項(xiàng)基本的工作，其主要目的有：1）通過(guò)借助于監(jiān)控量測(cè)可以了解到隧道施工過(guò)程中的范圍巖強(qiáng)度和變化情況，掌握它們對(duì)于施工所能帶來(lái)的影響及哪些問(wèn)題存在于薄弱環(huán)節(jié)，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn);2）可以借助于監(jiān)控的量測(cè)方法了解各種支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載受力狀態(tài)與其變形情況，并進(jìn)行評(píng)價(jià);3）借助監(jiān)控量測(cè)獲悉施工方法的具體效果，實(shí)現(xiàn)安全施工;4）評(píng)價(jià)施工方法是否適用，并即刻加以反饋，對(duì)施工、支護(hù)參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整;5）借助監(jiān)控量測(cè)，獲取大量數(shù)據(jù)資料，作為隧道施工、設(shè)計(jì)及修改規(guī)范的依據(jù)。

2.2 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)的內(nèi)容主要包括：1）孔內(nèi)外溫度變動(dòng)情況;2）拱形壩頂下沉;3）切割機(jī)的開(kāi)挖斷面大小;4）孔洞處地表沉降;5）周?chē)灰?。本文主要關(guān)注的研究領(lǐng)域?yàn)槎磧?nèi)外地質(zhì)觀察、周?chē)灰坪凸绊敵两蒂Y料，具體內(nèi)容包括：1）洞內(nèi)外的地質(zhì)和支護(hù)工程狀態(tài)的觀察。洞內(nèi)設(shè)置了掌子面和支護(hù)結(jié)構(gòu)，借助于對(duì)圍巖的地質(zhì)狀況以及針對(duì)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描繪，對(duì)圍巖作了一個(gè)合理的區(qū)域劃分，并對(duì)圍巖的穩(wěn)定性作出合理的評(píng)估;觀察支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)的錨桿、噴砼、鋼架等施工情況;洞外是否有地表的狀態(tài)，地表上是否有出現(xiàn)沉陷，邊坡和仰斜度是否平整，地表水是否有滲透等等;2）拱頂下沉。拱頂下沉的測(cè)量，需要將其凈空收斂斷面和拱頂下沉的中心線布置在相同的位置上，國(guó)內(nèi)在進(jìn)行拱頂下沉的斷面測(cè)量時(shí)最為常見(jiàn)的方式就是在其中間布置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，位置則應(yīng)該選擇在拱頂?shù)闹行摹Ｖ需F西南科學(xué)研究院有限公司從許多隧道建筑工程的測(cè)量和實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，若能夠在距離隧道拱頂中心和左右2.5 m 高度的拱腰線上各增設(shè)一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，能達(dá)到更好的監(jiān)測(cè)效果;3）周?chē)灰?。在確定的斷面進(jìn)行開(kāi)挖、初噴1 d 內(nèi)，分別在隧道外部，左、右邊墻位置上埋設(shè)測(cè)樁。測(cè)量方法中所需要選擇的精度監(jiān)測(cè)測(cè)量方法主要是一種測(cè)量精度相對(duì)較高的精度水平基準(zhǔn)曲線精度監(jiān)測(cè)測(cè)量方法，同時(shí)展開(kāi)溫度修正。該監(jiān)測(cè)設(shè)備所選用的是SWJ-Ⅳ收斂計(jì)。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的具體分析與處理

3.1 洞內(nèi)掌子面與支護(hù)結(jié)構(gòu)、洞外地表、邊坡、仰坡的信息處理與分析

隧道進(jìn)口端DK23+240～DK23+340區(qū)域支護(hù)撐子表面基本都是以砂巖為主，偶爾會(huì)有夾雜性的泥巖，巖體總是呈現(xiàn)層狀，屬Ⅳ級(jí)圍巖，存在著一種發(fā)育明顯的軟弱夾層和地下水，圍巖的狀態(tài)比較穩(wěn)定，與其他勘探成果基本吻合。范圍內(nèi)上部和下臺(tái)階左側(cè)的拱腳、壩身和拱腰均有滲出的裂隙水，撐子表面始終保持濕潤(rùn)，同時(shí)裂隙中還可能存在少量的泥巖，會(huì)在遇水后軟化。為了盡量避免支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，需要采取一些相應(yīng)的措施，如弱爆破、短時(shí)間進(jìn)尺、排出淤泥和積水、即刻支護(hù)等。

3.2 位移數(shù)據(jù)的處理分析

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的隧道相關(guān)數(shù)據(jù)難免包含一定的隨機(jī)誤差，故而數(shù)據(jù)難免會(huì)呈忽上忽下的鋸齒波動(dòng)狀，若是不對(duì)所得數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)奶幚?，就無(wú)法從中確定各監(jiān)測(cè)對(duì)象的具體參數(shù)大小，更無(wú)法找到其變化趨勢(shì)。引入灰色預(yù)測(cè)模型，借助小波去噪法將檢測(cè)數(shù)據(jù)中的誤差成功消除的同時(shí)，還能讓重要數(shù)據(jù)不會(huì)由于突變而發(fā)生信息丟失現(xiàn)象。

去噪處理步驟為：1）本文選擇db4進(jìn)行去噪處理。展開(kāi)分解時(shí)，若分解層數(shù)不足，誤差就不能被徹底消除;但是分解太多層，又會(huì)拖慢計(jì)算速度;當(dāng)分解層數(shù)達(dá)到一定大小時(shí)，去噪后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就不會(huì)再發(fā)生變化。通常來(lái)說(shuō)分解到3層，基本就能符合處理要求;2）確定閾值大小時(shí)，要以能將弱小的有用信號(hào)從高頻信息中完整的提取出來(lái)為目標(biāo)，必須保證有用的高頻信號(hào)不會(huì)被誤消除;3）打開(kāi)matlab7軟件，運(yùn)行小波基函數(shù)db4，做3層分解，并編制相應(yīng)的程序展開(kāi)小波分析。

本次監(jiān)測(cè)的斷面位置為Ⅳ級(jí)圍巖，量測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一個(gè)小波去噪后，變化主要表現(xiàn)在兩個(gè)階段：2020年5月15日-5月25日，時(shí)態(tài)曲線發(fā)生了波動(dòng)，這可能是由于臺(tái)階開(kāi)挖所帶來(lái)的變形;2020年6月13日-7月5日，時(shí)態(tài)曲線當(dāng)中的累積值明顯上升，速率、加快度也都出現(xiàn)了波動(dòng)，同樣可能是因?yàn)榕_(tái)階式開(kāi)挖所帶來(lái)的變形;但是監(jiān)測(cè)30天后，數(shù)據(jù)的累計(jì)值卻非常穩(wěn)定，而且速率、加快了也降到0。小波除噪能基本地保留了因?yàn)槭┕せ蛘呤怯捎谕饨绛h(huán)境的波動(dòng)而帶來(lái)的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化，得到的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更加地接近周?chē)鷰r石變化的現(xiàn)象和真實(shí)規(guī)律，將其具體變形規(guī)律呈現(xiàn)出來(lái)。以及微小波噪聲分析法針對(duì)100～300米范圍內(nèi)的各個(gè)拱形斷面拱頂進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集并展開(kāi)了二次去噪聲化處理，將監(jiān)測(cè)拱頂高度下沉、凈空時(shí)間收斂的拱形曲線圖數(shù)據(jù)進(jìn)行分析繪制。

4 結(jié)語(yǔ)

從對(duì)于大斷面隧道建設(shè)工程所需要進(jìn)行的監(jiān)測(cè)量測(cè)方法研究實(shí)踐中，獲得的結(jié)論如下：1）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)小波去噪處理后，基本可將隨機(jī)誤差徹底消除，并可將施工影響與環(huán)境帶來(lái)的變化完好的保留下來(lái)，能呈現(xiàn)隧道工程的圍巖變形規(guī)律出來(lái)，對(duì)隧道穩(wěn)定性情況做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，并預(yù)判發(fā)展趨勢(shì);2）可以借助于監(jiān)測(cè)量檢，能夠深入地了解周?chē)鷰r石在施工過(guò)程中的溫度變動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行一些重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，讓整個(gè)工程順利進(jìn)行;3）借助監(jiān)控量測(cè)，能了解支護(hù)結(jié)構(gòu)情況;4）借助監(jiān)測(cè)量測(cè)，能科學(xué)調(diào)整施工參數(shù)，為設(shè)計(jì)與施工的優(yōu)化提供依據(jù)，為接下來(lái)的工程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李本召，朱斌，黃傳計(jì)，等.復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境隧道新奧法施工中監(jiān)控量測(cè)及分析研究[J].礦產(chǎn)勘查，2020（9）：2038-2044.

[2]陳釗.基于數(shù)碼影像數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)的山嶺隧道監(jiān)控量測(cè)方法研究[J].重慶建筑，2020（6）：42-45.

[3]于維剛，胡鵬，宋浪.基于概率統(tǒng)計(jì)下白馬隧道監(jiān)控量測(cè)預(yù)警閾值研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019（S2）：285-290.