隧道监测

摘要：现场监控量测作为新奥法（ＮＡＴＭ）的３大支柱之一，对于它在地下工程中的作用，很多专家与学者对其作了大量的研究．监控量测的作用主要有：①为选择合适的支护时间提供依据；②掌握围岩动态和支护结构的工作状态，利用量测结果修改设计，指导施工；

③预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然；④为隧道的安全提供可靠的信息；⑤量测数据经过分析处理与必要的计算和判断之后，进行预测和反馈，以保证施工的安全和隧道的稳定；⑥积累资料，为以后的相似工程提供可靠的依据

关键字：隧道、监测、测量、光纤

1.引言：

隧道工程具有几大显著特点,即周边环境复杂,各种建构筑物、地下管线多,且对施工变形控制要求高;工程地质与水文地质复杂,不确定因素多;结构形式较多,施工方法交叉变换多,施工难度大;施工工期压力较大等,这些特点都集中表现为工程的高风险性。如何化解、降低这些风险，安全、高效地完成土建任务是摆在每一位建设者面前的一个重要课题。通过主动的、系统化的风险分解、分类,识别工程的致险因子、风险事件和后果，对隧道及地下工程建设风险源进行辨识是具有重大意义的。根据隧道土建工程的特点,安全风险的分解按照工程所处的地质条件、周边环境、工程实施等对各个阶段进行分解，这当中最主要和最关键的是工程实施道监控模式，可实时监测隧道结构的变化情况，对其中存在的问题采取有效的方案处理。

由于存在卸载、加载、抽水、降水或振动等施工程序或因素，或多或少对隧

道结构产生一定的影响，如结构变形、倾斜、位移、隆起或沉降等等。具体影响有以下几种：

（1）可能导致隧道结构局部发生横向或纵向位移；

（2）可能导致隧道结构局部发生不均匀竖向变形。如果隧道变形位移达到一定量值以后，对不同工法构成的隧道结构产生不同的影响：（1）对于暗挖法施工的地铁隧道结构会产生沿隧道结构纵向或横向的裂缝，隧道结构的防水性能和耐久性随之降低；（2）对于盾构法施工的地铁隧道结构，其纵缝接头和环缝接头将增大张开量，隧道结构的防水性能和耐久性将降低，特别是当纵缝接头和环缝接头张开量达到5 mm以上时，隧道结构将遭到无可挽回的损坏。如果隧道结构发生以上所述的性能降低或损坏，快速地铁列车的运营将受到制约甚至会发生安全事故。

2.隧道监测方案

2.1隧道监测目的

规范规定的测量项目有地质和支护情况观察、周边位移量测、拱顶下沉量测、地表下沉及边坡位移量测。细致的目测观察, 对于监视围岩稳定性是既省事且作用又很大的监测方法, 它可以获得与围岩稳定状态有关的直观信息。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映,通过周边位移量测可以达到根据变形速率判断围岩稳定程度和二次衬砌施做的合理时机以及指导现场施工的目的。拱顶下沉量测对于埋深较浅、固结程度低的地层比周边位移量测更为重要。

2.2周边位移量测:

量测断面间距及测点数量根据围岩类别、隧道埋深、开挖方法等确定量测断面间距及测点数量 , 收敛测线的布置形式, 可采用一条基线或两条水平基线。

2.3拱顶下沉量测:

对于深埋隧道, 可在拱顶布设固定测点, 将钢尺或收敛计挂在拱顶测点上, 读钢尺读数, 后视点可设在稳定衬砌上, 读标尺读数, 用水平仪进行观测。

2.3.1.精密水准测量方法

小断面隧道拱顶下沉的监测过程是，当施工工作面开挖完并立即进行初期支护和不锈钢球焊接之后，马上从基准系统主点开始按二等水准测量的精度用不低于± 1mm/km 的水准仪测出钢球底标高Hi′。当初期支护变形基本稳定即将进行二次衬砌混凝土施工时应从基准系统主点开始按二等水准测量的精度用不低于±1mm/km 的水准仪再次测出钢球底标高Hi 〞，则每个钢球的下沉量（即钢球位置的隧道拱顶下沉量）ΔΗi为:ΔΗi= Hi 〞- Hi′每次变形点（若干点）高程测量结束后，应立即进行基准点（3 个）间的高差测量（水准仪精度不低于±1mm/km，观测精度不低于二等水准），以检验主、辅点的稳定性，当出现问题时应判断出不稳定的基准点，并对变形点的观测结果进行相应的修正。对于大断面隧道可以用特制的长挂杆把钢尺倒挂在拱顶的测点上以代替水准尺。

2.3.2.静力水准仪法

静力水准仪系统是用于精密测定多个测点的垂直位移及相对沉降变化的仪器系统。它根据固定在监测点上众多单元的内液面相对变化来确定监测点的相对沉降或隆起，将待测区域的沉降(隆起)与基准点相比较即可得到施工影响区内的测点的绝对沉降(隆起)量。该系统由一系列监测沉降单元组成，沿着隧道纵向布置，该系统具有监测点多、测量范围大、精度高、数据可自动化采集、施工和维护工作量少等优点。其缺点是易受外界影响，如振动、温度变化幅度大引起数据漂移等问题，对于较大断面的隧道作业相对不便也使其应用受到局限。

2.3.3.三角高程测量方法

三角高程测量方法测量拱顶下沉，前视使用反光片，后视使用棱镜或者水准尺。该方法是利用全站仪按三角高程测高原理测出了前视和后视与全站仪轴心的高差，从而求出测点的相对高程和绝对高程。该方法在竖直角不是很大时(小于30度)，在反光片的反射距离范围之内的任何测站，均可实施拱顶下沉测量。操作时，不必丈量仪器高，也不用直接丈量监测点的高。如图1 所示，Ａ是高程已知的工作基点，Ｂ是监测点, P为全站仪仪器中心位置。因为用全站仪可以直接读取全站仪中心到棱镜中心的高差ΔｈPA、ΔｈPB，设后视棱镜高为V，则有：HB=HA+V+ ΔｈPB- ΔｈPA

2.3.4.自动化全站仪动态监测法

自动化全站仪动态监测系统是指在无需操作人员干预的条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、报表编制、预警预报等功能，整个系统配置包括：TCA 自动化全站仪、棱镜、通讯电缆及供电电缆、计算机与专用软件。其实质是把无反射棱镜自动跟踪断面仪隧道拱顶下沉变形系统中对固定断面任意点的扫描变成任意断面固定点的扫描。

3.隧道结构健康监测

新奥法建设的隧道, 并不是单纯的钢筋混凝土结构, 在本质上是围岩和支护结构的综合体。因此, 在进行隧道结构健康监测时, 要同时监测围岩与支护结构的变形以及相互作用2 个方面。

1) 围岩内部位移监测: 围岩内部位移监测, 是通过钻孔位移计量测围岩不同深度的轴向位移, 据此分析判断隧道围岩位移的变化范围和松弛范围, 预测围岩稳定性, 为修改锚杆支护参数提供依据。根据地质条件, 量测断面应选在典型构造地段及埋深较大或较浅地段, 一般每隔100 m 设置一个断面,断层带每隔50 m 设置一个断面, 其余地段断面间距可适当加大, 但须保证沿每类围岩至少有一个断面,

2) 裂纹监测: 裂纹监测, 是对隧道裂纹的发展变化进行观测。根据隧道裂纹调查资料, 结合隧道实际情况, 在隧道布置合适数量的裂纹计对有发展迹象的裂纹进行监测。

3) 初衬钢拱架应变监测: 初衬钢拱架作为隧道主要的承重结构, 测量其应变, 可以掌握隧道围岩的稳定性。一般每10 榀钢拱架设一断面, 每根钢拱架沿水平中性轴位置左右对称安装2 个钢弦式表面应变计,

4.隧道环境条件监测

1) 空气质量监测: 5公路隧道通风照明设计规范6规定, VI 仪的设置位置与台数应根据通风

方式及烟雾浓度分布特征确定。高速公路特长隧道一般按300~ 500 m 间距布设, 其他等级公路隧道可适当放宽, 通风井口应布设VI 仪。CO传感器的布设间距与V

I 仪相同, 宜采用红外线传感器。

2) 瓦斯浓度监测: 瓦斯传感器安装位置与台数应根据通风方式及煤层分布确定。高速公路特长隧道可按100~ 200 m 间距布设, 其他等级公路隧道可适当放宽。

3) 温度监测: 温度传感器布设可以根据隧道等级、长度及是否穿过高温地层等确定。

4) 通风监测: 测点应根据隧道实际情况, 但至少应满足在隧道两端、中间、人行横道、车行横道、应急停车带和风井等位置安装风速风向传感器。