板岩隧道施工监测体系及预警技术研究

郭志刚

（中交路桥南方工程有限公司，北京101100）

1 引言

自20世纪60年代新奥法提出以来，人们对隧道监测技术有了新的认识和研究，从测试项目、测试方法、测试工具、数据处理、信息反馈等方面开展了系列研究，也取得了系列成果【1～5】。王运桥【6】基于数据库、云平台、物联网等技术与隧道施工理念的结合，研发了于隧道人员定位及围岩监测的信息综合管理系统，并在工程中得到了应用；陈小雄【7】提出了结合实际工况进行监测过程控制的方法，强调监测过程的有效控制，以及监测数据与实际现象对比，才能保证预警的准确和及时，并指出保证监测数据可信的6个条件。

板岩在我国分布较为广泛，成因使其具有层理结构特性，内部多存在板状劈理、裂隙等缺陷，表现有明显的各向异性。本文将以板岩隧道为研究对象，提出板岩隧道施工监测体系，以及板岩隧道的预警措施，为板岩隧道的开挖质量提供技术支撑。

2 板岩隧道施工监测体系

2.1 监测范围

板岩隧道施工监测体系需涵盖整个施工阶段中的所有因素，具体包括掌子面开挖前的超前地质预报，开挖过程中及开挖完成后围岩支护结构的变形与内力监测，以及整个施工过程中的人员巡查，下面将分别进行说明。

2.1.1 超前地质预报

超前地质预报是监测体系中的第一道屏障，是对掌子面前方及其周边未开挖围岩和地层情况做出的预报，如岩性、结构、断层、岩溶、破碎带、暗河等。超前地质预报所反馈的信息对掌子面开挖方法及辅助措施的确定具有直接指导意义。

2.1.2 围岩支护结构监测

围岩支护结构监测项目包括必测和选测项目：必测项目包括拱顶下沉、周边位移、净空变化等；选测项目包括地表下沉、围岩内部位移、围岩压力、锚杆轴力、钢支撑内力内力、衬砌内力等项目。

2.1.3 人员巡查

围岩支护结构监测由于施工作业条件（如空间、可见度等）及测量设备的限制，常会出现数据采集不及时的问题。另外，单纯的监测数据分析往往存在一定的片面性，因此，人员巡查可以配合围岩支护结构监测使用，共同成为监测体系的一部分，两者反馈信息的综合分析才更可靠。人工巡检内容包括地质及支护状态观察、渗漏水、预埋件状态、钢筋锈蚀、混凝土碳化、构件强度等方面。

2.2 监测布点

超前地质预报的测试原则是在保证监测数据可靠的前提下，尽量减小对围岩的扰动。围岩支护结构监测中的必测项目布点间距一般为10～50m，对于洞口段、浅埋段、特别软弱地层布点距离要小于20m，选测项目视情况而定，代表性断面一般要布设监测点。人员巡查在爆破、开挖、初期支护后必须开展，其他时段按固定频率开展。下面主要介绍几个监测项目的布点要求。

2.2.1 周边收敛

初期支护完成后进行量测，断面设置距离如上所述，每个断面设置3～6条线，收敛线条数取决于开挖方式和地质条件。

2.2.2 拱顶下沉

拱顶下沉监测点一般布设在拱顶中心线上，洞跨较大时，可在拱顶设置3个监测点，当有侧墙或中隔墙时，在侧墙和中隔墙下部左右台阶处埋设监测点。

2.2.3 锚杆内力监测

锚杆内力监测一般间隔10m设置1个监测断面，每个断面至少对3根锚杆进行监测。

2.2.4 地表下沉

地表下沉监测点与周边收敛和拱顶下沉监测点布置在同一横断面上，断面间距为5～50m，具体取决于埋深和洞跨的关系，每个监测断面至少埋设7个监测点。

2.2.5 围压压力与支护压力

测点布设在代表性断面，每个断面布设测点5～8个，每个测点一般设置1个压力盒。

2.2.6 钢支撑内力

测点布设在代表性断面，每个断面布设测点5～8个，每个测点一般设置2个应力计。

2.3 监测方法

超前地质预报测试方法很多，具体包括地质法、超前钻探法、超前导坑、地质雷达法、地震波反射波法、红外探水法等，每种方法都有自身的优势和不足，实际工程中为保证预报结果的可靠性，一般综合采用2种甚至集中测试方法，相互补充，相互验证。

围岩支护结构监测目前以人工测试为主，通过收敛计、土压力计、钢结构表面应变计、钢筋应力计、全站仪、水准仪、钢尺等监测设备开展测量工作，但人工测试方法经常受限于施工条件，如开挖空间、可见度的影响，或者现场出现突发状况导致监测人员无法测试等，这些都会导致监测数据的滞后。目前，可以借助数据库、云平台、物联网等先进技术和相关测试理论开发监测信息管理系统，可以实现监测数据的自动采集与分析。

3 板岩隧道风险预警技术

风险预警是应对风险的存在做出的提前响应，从根本上遏制风险的进一步演化，从程序上可以将风险预警机制划分为风险识别、风险分析、风险决策3个环节，下面将针对板岩隧道从以上3个方面进行说明。

3.1 风险识别

风险识别可以划分为3个层面：一是施工前的风险预测，即通过采用超前地质预报对掌子面前方可能存在的地质风险进行识别，如断层、破碎带、软弱夹层、溶洞等，这一层面的风险识别精度在很大程度上决定了隧道开挖的整体质量；二是开挖过程中风险的动态监测，即通过对围岩与支护体系变形和内力的监测，以及工作人员的现场巡查，尤其是在爆破开挖后对新揭露岩体性状的观察来对开挖后隧道的稳定风险进行识别；三是施工管理风险，工作人员的专业素养与安全意识，以及施工管理体系都是这一层面上所需识别的风险，这类风险在实际施工中容易被忽视。

3.2 风险评估

风险评估可以分为2类：第一类是针对前面的第一层面与第二层面风险，需要对现场监测的数据进行采集、筛选、分析，并对相关风险进行评估，进而对隧道开挖中的安全情况有个整体掌握，以确保相关风险预警信息发出的时效性；第二类是针对前面的第三层面的风险，是对隧道施工过程中环境、设备、人员、管理体制进行评估，对其中的风险项进行归纳，为风险决策提供基础。

风险评估环节需要制定完善的评估制度，并根据这套评估制度进行风险评估，整理出其中的风险项，并对此制定相应的预警机制。评估依据包括相关的管理政策、规定、办法，相关的国家与行业标准、规范、规程，以及项目本身的文件要求。

3.3 风险预警与决策

风险预警与决策是根据所获取的风险信息进行决策，包括预警值的确定以及决策机制的建立2部分。板岩隧道的预警值包括允许值、警戒值、基准值，警戒值与基准值分别为允许值的2/3和1/3，满足以下要求：

1）拱顶下沉、水平收敛允许值：V级围岩100mm、IV级围岩70mm、III级围岩40mm；

2）仰拱隆起：允许值30mm；

3）地表沉降：允许值50mm。

风险预警采用三级管理：

1）达到或超过允许值，作I级报警。当出现下列情况之一时，也应采取I级报警：（1）变形速率，拱顶沉降速率连续5d超过30mm/d，连续4d超过40mm/d，连续3d超过50mm/d，呈加速趋势；（2）量测值发生突变；（3）初期支护或二次衬砌裂纹宽度达5mm；（4）洞口地表出现开裂、坍塌；（5）洞内围岩压力有明显异常；（6）时态曲线长时间没有变缓。

2）达到或超过警戒值应作II级报警。

3）达到或超过基准值应作III级报警。

4）基准值以下正常施工。

针对I级报警，需迅速组织有关技术人员进行评估，或启动远程专家会诊系统，获得专家鉴定意见，借用应急预案快速处理现场安全问题。

4 结语

隧道开挖阶段的监测及预警对施工全过程具有直接指导作用，可有效保证隧道的开挖质量。本文以板岩隧道为对象，构建了由监测范围、监测布点与频率、监测方法等组成的施工监测体系，并在此基础上提出了由风险识别、风险评估、风险预警与决策组成的板岩隧道施工监测预警技术，可有效应对施工过程中潜在的风险因素，进而保证隧道的开挖质量。