梅家沟隧道大变形段变形自动监测研究与成果分析
摘要：结合大变形断面公路隧道——九寨沟（甘川界）至绵阳隧道公路工程实例，根据大变形断面的变形特点，以及工程勘察所揭露的围岩特性,分析并确定了梅家沟大变形断面隧道的监测内容和监测点的布置方式,利用隧道自动监测系统对监测断面的拱顶沉降及水平收敛进行量测，并进行分析总结，有效解决实施人工量测工作中的难点。该工程系国内首次应用洞内无线透传传输方法+智能监测系统,实现了隧道施工期的自动监控量测,为今后大变形隧道自动监测提供了参考。
关键词：隧道大变形；变形自动监测；研究
1.工程项目概况
梅家沟隧道，位于绵阳市平武县白马乡祥述家寨东侧S205省道旁。梅家沟隧道穿越的山体为构造与流水侵蚀中山地貌，海拔高程2330～1554m，最大相对高差约240m。隧道埋深240米，洞身段围岩碳质板岩，中-强风化，较软岩，岩体破碎，遇水软化，围岩自稳能力差。本次进行自动监测的左线隧道长度为2425m，其中V级围岩长2425m,占全隧道长度的100%，梅家沟左、右平面测设线间距为19.7m至54.3m,最大超高为4%，主洞设计的净宽为10.25m，净高为5m，采取环形开挖留核心土法进行隧道开挖施工。 2.监控量测重要性及其要求
隧道各种施工开挖方法对土体和支护结构的受力以及周边的环境有较大的影响，尤其是不良地质段如果不及时发现和处理，很可能发展成重大施工事故。对开挖隧道的土体特性分析、掌握变形规律是一个非常复杂、非常艰辛的过程，解析上的诸多假定是在所难免的，因此解析的结果只能作为一个初期的预测，而并非对环境的掌握。与解析相对应，监测具有相对准确地把握土体自身的动态（应力、变形、应变等）的特性，在解析结果的基础上对照监测结果，及时修正设计，实现安全经济施工。
监控量测是施工安全及结构长期稳定的基本保证，是公路隧道施工作业中关键的重要作业环节。通过监控测量，能客观、真实、全面地掌握隧道围岩、支护结构以及周边环境安全的关键性指标，了解施工期地层、支护结构与周边环境的动态变化，明确施工对地层、支护结构和周边环境的影响程度以及可能产生安全事故的薄弱环节。监控量测必须获取连续、客观、真实的数据，才能发现变形规律、解析变形机理、调整支护参数。 3.人工量测的局限性
本隧道开挖分成4大工序，爆破、出渣、立架和喷浆，最适合人工监测的工序是立架，其他工序或无法测量、或环境不适合人工测量。4大工序循环时间一般为24小时左右。依据《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60-2009），监控量测频率，按距开挖面距离确定的监控量测频率，还是按位移速度确定的监控量测频率，大变形段监控量测频率均需每天2次， 从4大工序循环来看，要实现每天2次监测，施工期间必须短暂停工实施监测。总体来看，人工监测存在以下局限性： （1）施工与测量相互影响
测量过程中来往车辆和施工人员多，直接干扰测量工作；而测量人员也会干扰正常施工，进而影响施工进度。
（2）人为因素可能造成数据错误或误差
测量过程中因空气质量较差难以找点，且记录多、计算多、分析多，人为误差难以避免，精度和准确度难以保证。 （3）不能实时掌握情况
监测间隔时间一般为24小时，最短间隔为6小时，难以掌握初始急速沉降状态，以及隧道实时变化情况，给施工安全带来一定隐患。 （4）测量人员安全风险大
越是变形大的地方，要求测量频次越高，必定增加测量人员暴露危险地方的风险。 （5）测量数据难以准时获取
经常会出现现场测点被破坏、现场施工工序影响等无法准时获取数据情况，甚至无法测量。
4．自动监测设备比选
通过网上查询和行业内咨询，能进行隧道变形自动监测的设备分为接触式和非接触式，接触式因无法获取拱顶绝对变形，且安装复杂、成本高等问题，不太适用于施工过程监测，本文不再累述。非接触式主要有隧道变形智能监测系统、三维激光扫描仪、测量机器人，三种自动监测设备均采用了激光测量技术。隧道变形智能监测系统由N个设备组组成，一组设备监测一个断面，当监测断面变形稳定后，该组设备则移至新开挖需要监测的断面上，实施循环滚动式监测，系统主要采集单元，沉降测量单元实物照片见图1；三维激光扫描仪可对隧道轮廓进行高速扫描，生成三维点云数据，要监测变形需在固定点上按一定时间间隔重复扫描，才能通过算法，得出观测点位移量，实物照片见图2；测量机器人又称自动全站仪，可自动通过目标搜索实施约50个观测点测量，通常安装在隧道璧上，因安装侧本身观测点无法测量，通常需两台测量机器人才能对全部观测点进行测量，但存在着因隧道不断掘进，则基准点难以控制的问题，实物照片见图3；我们从能否获取拱顶绝对变形、监测频次、干扰施工、测量精度、数据分析难度及成果直观性等方面进行了对比分析，见表1，综合对比发现隧道变形智能监测系统更适用于施工中的隧道监控量测。
图6断面监测状态截屏图1
5.2.2第二阶段9月29日至10月27日变形监测
2019年9月29日开展第二阶段监测工作。此次我们安装了3组设备，其中2组设备直接安装在掌子面附近，另1组设备安装在离掌子面较远的地方。为便于数据分析我们分别给出了监测期间时间位移全过程曲线图和隧道未放炮作业（9月29日至10月8日）区间时间位移曲线图。并对靠近掌子面2组设备监测断面变形值较大时间段之间的关系进行了对比分析，如下表3所示。
表3 梅家沟左隧道第二阶段各监测断面变化关系表
5.2.2.3断面ZK68+165
第三组监测设备于2019年9月28日安装在断面ZK68+165初支上，监测时间为2019年9月29日至2019年10月23日。主要用于监测该断面初支的拱顶沉降和水平收敛，安装时距离掌子面约5m。时间位移曲线见图12和图13，断面监测详细情况见表6。
图14曲线异常情况说明图 6.数据分析
在第一阶段监测过程中ZK68+245和ZK68+240断面设备在测量过程中出现了设备安装的固定钢筋出现松动和设备未安装牢固等情况，有可能造成数据不够精确，因此我们对第一阶段各断面所测量的数据暂不进行分析，本文依据第五章监测结果，重点就第二阶段典型断面ZK68+165进行分析。
ZK68+165监测期间拱顶沉降累计变形-194.6mm（上仰），水平收敛累计变形272mm。期间沉降日变形量最大为-54.5mm，最大变形速率为50.3mm/d；期间水平收敛日变形量最大
为51.3mm（未按24小时计算），最大变形速率为46.5mm/d（按24小时计算）；从监测数据看，水平收敛时拱顶出现上仰，水平收敛累计变化值明显大于拱顶沉降累计变化值。 6.1 ZK68+165断面拱顶沉降日变形及其速率分析 ZK68+165拱顶沉降如表7所示，从表7可分析得出：
（1）2019年9月29日至2019年10月8日期间，因掌子面停工未进行其他施工作业，此断面的拱顶沉降变化量和拱顶沉降变形速率均不大，最大拱顶沉降变形速率最大为1.2mm/d，此时该断面距离掌子面较近（约5m）。
（2）2019年10月9日至2019年10月18日期间，拱顶沉降速率和日变化量有所波动，最大变化量出现在2019年10月10日14时，当日拱顶上仰最大变化量为-37mm，最大上仰速率为39.5mm/d。在此时间段掌子面复工，开始进行放炮施工作业；
（3）2019年10月19日至2019年10月23日期间，拱顶沉降速率和日变化量有较大波动。最大变化量出现在2019年10月23日14时，当日拱顶上仰最大变化量为-54.5mm，最大上仰速率为54.5mm/d。在此时间段测量设备下方正在进行下台阶开挖作业。
表7 ZK68+165拱顶沉降记录图表
6.2ZK68+165断面水平收敛日变形及其速率分析
ZK68+165水平收敛如图表8所示，从表8可分析得出：
(1)、2019年9月29日至2019年10月8日期间，因掌子面停工未进行其他施工作业，此断面的水平收敛变化量和水平收敛变形速率变化均不大，最大水平收敛变形速率为3.2mm/d，此时该断面距离掌子面较近（约5m）。
(2)、2019年10月9日至2019年10月18日期间，水平收敛速率和日变化量出现连续波动。水平收敛速率最大变化量出现在2019年10月11日5时，当日水平收敛收敛速率为32.5mm/d。水平收敛日最大变化量出现在2019年10月9日15时30分，当日水平收敛变化量为23mm，在此时间段掌子面复工，开始进行放炮施工作业。
（3）、2019年10月19日至2019年10月23日期间，水平收敛速率和日变化量出现较大波动。最大变化量出现在2019年10月20日15时，当日水平收敛变化量为51.3mm，水平收敛速率46.5mm/d，在此时间段测量设备正下方正在进行下台阶开挖作业。
表8 ZK68+165水平收敛记录图表
6.3变形机理分析及建议
隧道开挖过程中受地应力影响，变形是不可避免的。从以上数据分析看，施工干扰宜引起变形加剧，由此可见，加强施工管理，科学进行施工，合理确定支护参数，必定能有效控制变形。
（1）停工状态下变形基本稳定，施工扰动是导致变形发展，另外，爆破瞬间会加剧变形速率，由此可见控制爆破强度，有助于控制变形；
（2）下台阶开挖会加剧变形速率，由此可见上台阶支护强度，尤其是锁脚施工质量非常重要；
（3）双隧道开挖，左右隧道施工存在着相互干扰现象，应采取必要措施，如加大左右隧道掌子面间距，减少相互干扰。
（4）对直立陡倾状散体状炭质板岩，在受构造应力影响下，周边收敛远大于拱顶沉降，加强两侧拱腰和边墙的支护很有必要。
（5）自动监测能很好解决常规人工监测存在的诸多问题，多频次连续数据有助于分析变形机理，适用于Ⅳ以上围岩，尤其是大变形段监测。 参考文献：
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梅家沟隧道大变形段变形自动监测研究与成果分析
