浅谈应用于隧道施工中的监控与预警系统

【摘要】隧道工程施工监控与预警是保障安全、优化设计、指导施工的重要手段，监控技术和预警方法标志着隧道的施工水平和质量，结合北京密云县密兴路火郎峪隧道施工监控实践，建立了岩质公路隧道施工监控资料分析与预警系统，得到了隧道爆破施工参数、振动波传播规律、应力应变规律和隧道施工期间的围岩收敛与拱顶沉降规律，提出了隧道施工的合理组织方案和施工措施。

【关键词】隧道监控；围岩压力；钢筋轴力；拱顶沉降

1 工程概况

火郎峪隧道位于密云县巨各庄镇火郎峪村附近，隧道全长 618m。场地地形起伏大，隧道进口处最低 标 高 约 为 238. 52m，山 脊 最 高 处 标 高 约 为297. 21m，相对高差达 58. 7m，为构造低山剥蚀地貌。工程地质条件如下：①隧道进口（K10 + 215―K10 + 332） 表层为 2. 5m 厚的粉质黏土，其下为强～ 中等风化 （ 黑云母 ） 片麻岩，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状 ～ 柱状，局部呈碎块状。综合评定隧道进口段围岩级别为Ⅴ级。②隧道洞身（K10 + 332―K10 + 727） 隧道轴线基本沿山脊走向，洞身底板标高 242 ～ 245m，地表露头节理裂隙较发育，地表有第四系粉质黏土覆盖。综合评定该段围岩级别为Ⅳ级。③隧道出口（K10 + 727―K10 + 833） 洞口表层为 2. 0m 厚的粉质黏土，其下为强风化（黑云母）片麻岩，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状 ～ 柱状，局部呈碎块状。综合确定该段围岩级别为Ⅴ级。

2 监控方案设计

1） 爆破振动监测 主要监测在隧道爆破施工

时洞内外的振动位移和加速度，采用 TC-4850 型振巡视检查 巡视检查以目测为主，可辅以锤、钎、量尺、放大镜等工器具以及摄像、摄影等设备进行。对自然条件、支护结构、施工工况、周边环境、监测设施等的巡视检查情况应做好记录。如发现异常和危险情况，应及时通知建设方及其他相关单位。动测试仪和无线远程自动采集仪进行自动监测。

2） 钢架应力监测 采用表面应变计或钢筋应

变计对钢架所受的应力进行监测，具体布置按设计要求和监测规范规定进行，分别监测不同断面处隧道洞顶和拱腰、拱脚处钢架的应力和应变，传感器在埋设前应进行性能检验和编号，精度≥0. 5% FS，分辨率≥0. 5% FS，埋设和测量过程应符合规范规定。传感器数据采集同时采用 SS-2 型袖珍式钢弦频率接收仪和最新研制的无线远程自动采集仪。

3） 围岩压力监测 采用 XYJ-4 型压轴式双膜

（单膜）土压力传感器对隧道围岩所受的压力进行监测和监控，在埋设前应进行性能检验和编号，埋设时要严格按照室内试验时的埋设方法和要求在现场埋设土压力计。土压力计的受压面向外（与隧道围岩接触），并保证与隧道衬砌外表面齐平。传感器在埋设前应进行性能检验和编号，精度≥0. 5% FS，分辨率≥0. 5% FS，埋设和测量过程应符合规范规定。传感器数据采集同时采用 SS-2 型袖珍式钢弦频率接收仪和最新研制的无线远程自动采集仪。

3 数据分析与监控预警

所有监控项目的监测结果通过计算机传输和计算机内业分析处理，生成观测值变化速率、时间、变化量曲线图，变形和应力、内力与时间关系曲线，并按预警值进行预警和预报。

3. 1 监测数据的检核

1）采用先进的监测仪器和优化的测量方法，消除粗差，减小误差，提高监测精度，从而尽可能地减小观测误差对变形分析的影响。

2）加强外业测量的检核工作，如采取对向观测、往返观测、闭合（附合）检查、多种方法互检等。

3）加强内业测量资料的检核，主要工作包括：

校核各项原始记录，检查各次变形值的计算是否有误。通过不同方法的验算、不同人员的重复计算来消除监测资料中可能存在的错误；当天测得的原始数据，当天检查整理完毕。

3. 2 数据分析与预测

选定某些特征点，对其进行周期性重复观测，通过数据处理，研究被监测点群的沉降、水平位移等随时间的变化规律，寻找一种能够较好反映数据变化规律的函数关系，对下一阶段的监测数据进行预测。预测监测点可能出现的最大位移值或应力值，以预测构筑物和结构的安全状况，评价施工方法，确定工程措施。

3. 3 监测点警戒标准

现场监测成果按黄色、橙色和红色三级警戒状态进行管理和控制，根据现场监测项目―――测点变形量及变形速率情况判断，具体内容：

①黄色监测预警 “双控”指标（变形量、变形速率）均超过监控量控制值（极限值）的 70% ，或双控指标之一超过监控量控制值的 85% ；②橙色监测预警 “双控”指标均超过监控量控制值（极限值）的 85% ，或双控指标之一超过监控量测控制值；③红色监测预警 “双控”指标均超过监控量控制值，或实测变形速率出现急剧增长。

3. 4 预警判定程序

1） 监测点预警及巡视预警 根据工程特点、现场监测数据及现场巡视情况，由数据处理分析工程师按上述监测警戒标准判定。

2）红色综合预警由数据处理及分析工程师会同项目咨询工程师、项目经理及项目内部专家组综合判断，主要分析流程如下：

①根据内部监测点预警及巡视预警情况，对施工监控信息、监理巡视信息进行综合分析，进行初步判断，原则为：单项监测点预警或巡视预警达到红色预警状态；监测预警与巡视预警达到黄色预警状态以上，红色综合预警状态以下，但判断其组合风险较大；监测预警或巡视预警虽介于黄色预警状态以上，红色综合预警状态以下，但根据工程经验判断可能有较大安全风险。②如认为达到红色综合预警状态应立即提交项目总工、项目经理、项目专家组会商分析，形成结论意见。

4 监测过程注意事项

施工监控是“新奥法”施工的重要内容，是保障隧道施工安全、优化设计、指导施工的重要手段，隧道的监测和预警方案要根据隧道工程的特点设计，制定合理的方案是保证隧道施工安全的重要保障。

5 结语

由于岩体介质的复杂性和施工因素的多变性等影响，对隧道施工过程进行监控量测是十分必要的，隧道的监控量测可以监视隧道围岩是否稳定、施工方法是否合理、支护结构是否稳定等，对隧道施工的全过程进行监测，可以掌握围岩及支护体的工作状态，修改和完善隧道初期设计，指导工程施工，预见和及时发现工程中的事故及隐患，并提出相应的处理措施，防患于未然。隧道施工监测与监控对隧道的施工和安全具有重要意义，监测实施过程中应注意以下事项：

①测试前注意检查仪器设备是否完好，如有问题及时修理或更换；

②检查测点是否松动或人为损坏，确认测点状态良好方可进行数据测试工作；

③施工过程中对地质变化进行监测，看实际掌子面地质情况是否与设计相符；

④及时监控围岩的变形并及时分析数据结果且提交量测成果。

参考文献：

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