公路隧道监测项目选择与测点布置

摘要：本文通过在杭千高速隧道群监测的实践，对隧道监测项目的选择和测点布置问题进行了详细阐述，提出了在不同监测目的下选择合适的监测项目和合理的测点布置，可以起到事半功倍的效果，以供隧道监测工作者参考。

引言
自从奥地利的拉布西维兹（ V.Rabcewicz） 于1948 年提出新奥法以来，新奥法已在我国各山岭公路隧道中得到了广泛应用。众所周知，监控量测作为新奥法的三要素之一，对于隧道施工安全和施工过程控制都起着至关重要的作用[1]。然而在隧道施工监控量测过程中，监测项目的选择和测点的布置是检验监控量测效果的关键所在。如果监控项目选择不合适，不但浪费人力物力，也会使监测效率大打折扣，而测点布置位置的选择更是监测数据有效性的保证。
数据采集的高效和可靠性是隧道监控量测有效性的保证。所以要高效就需要根据隧道围岩状况对规范中所规定的量测内容有选择性的进行动态布置。而可靠性就是要有选择性的对隧道关键位置进行布置，不能死搬硬套的按规范断面布置间距或位置进行布置，这就需要监测工作者对隧道的地质围岩状况非常了解，并实施监测位置的动态布置，只有这样才能保证监测数据的及时性和有效性。所以在目前公路隧道施工监测中，监测内容的选择和测点位置的布置已越来越受到监测工作者的重视。下面笔者就根据在浙江省杭千高速公路隧道群施工中监测的经验，总结如何进行监测项目的选择和测点的布置，以供参考。

1 公路隧道的监测项目选择
在选择监测项目时，首先需明确隧道监测的目的，根据不同要求进行确定。从监测目的出发，通常可以从三个方面进行监测项目的选择，包括优化施工顺序、施工安全和科学研究。
通常在隧道施工过程中，相关四方包括建设方、设计方、施工方和监理方最关心的就是隧道施工安全，而优化施工顺序也是必不可少的，如果需要为相似工程提供更多的经验和数据，以进一步指导隧道设计和施工，则需进一步进行相关的科学研究。下面就说明如何从以上三个方面出发进行监测项目的选择，并以杭千高速公路隧道施工安全监测为例说明监测项目的选择。

1.1 优化施工顺序
如果单从优化施工顺序来说，我们最关心的是隧道围岩变形的情况。所以从这个角度出发，监测项目中的变形监测项目是需要重点选择的。
从施工经验出发，一般选用的监测项目是周边收敛和拱顶下沉，可以说这两个项目在一般隧道监测中都是必不可少的。因为根据《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）规定[2]，判定围岩变形是否稳定主要靠这两项数据，通过其决定下一步采取何种施工方案。如规范规定：①当位移-时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。②二次衬砌的施工应满足周边收敛速率小于0.1~0.2mm/d，或拱顶下沉速率小于0.07~0.15mm/d。
通过以上分析表明，只要有通过围岩位移的测量就可以判定下一步所采取的施工措施了，从优化施工顺序角度出发，通常选择周边收敛和拱顶下沉就可以满足要求了，如果是隧道浅埋处则还需增加地表下沉量测项目，如洞口位置。

1.2 施工安全
施工安全目前在所有工程项目施工中已经提高到了非常高的高度，各单位都非常关心这一问题，所以这也是为什么目前大多建设方都单独对隧道监测进行招标，可见对其重视程度。从施工安全角度出发，变形方面的监测当然是必不可少的，也是判断围岩是否安全稳定的重要依据。除此之外，出于安全考虑还应对关键部位进行相应的应力量测，综合判断围岩的稳定性。
以上分析表明了从施工安全考虑，初次衬砌内的混凝土内应力量测也是非常必要的，所以在选择周边收敛和拱顶下沉量测项目上，根据需要通常还要增加初衬混凝土内应力量测项目。

1.3 科学研究
如果从科学研究需要，则需要根据研究的要求，尽可能多选择关于变形和应力方面的相关测试，除周边收敛、拱顶下沉、地表下沉和初衬混凝土内应力量测外，通常还需要增加以下一些监测项目：围岩内部位移、锚杆内力、二次衬砌内应力、围岩压力及层间支护压力、型钢支撑应力量测等项目。通过以上这些监测项目的实施，然后结合数值模拟分析等手段，可以在类似工程条件下对隧道设计和施工方案进行优化，包括开挖方式的选择、支护结构及强度的选择等，有利于进一步优化设计和施工组织方案，从而保证隧道建设投资的经济性、设计的可靠性及施工的安全性。

1.4 监测项目选择实例
对于业主而言，最关心的莫过于隧道施工过程中的安全，所以任何隧道监测，安全肯定是放第一位的，所以在地质条件特别差的地段，只有变形方面的监测还是不够的，选测项目中的应力监测也是非常必要的，下面就以杭千高速中的石灰岭隧道洞口某一断面为例，说明应力量测的重要性。

图1 和图2 分别是石灰岭隧道右线进口

YK117+712 断面拱顶下沉和混凝土内应力量测的布置示意图，图3 和图4 分别为布置后各拱顶下沉监测点的变形曲线和混凝土内应力监测曲线。





通过以上拱顶下沉和初衬混凝土内应力分析可以看出：在第一阶段（5 月9 日至5 月30 日），拱顶下沉变化比较小，而其混凝土应力增大却比较大，是三阶段中增大最快的；在第二阶段（5 月30 日至月11 日），拱顶下沉速率变大，此时混凝土内应力也相应增大，但增大速率较第一阶段有所减小；第三阶段（6 月11 日至6 月14 日）拱顶下沉变小，变形趋于稳定；而混凝土内应力仅有E10785 位置有所增大，速率与第二阶段接近，而E105580 和E10838却出现“反常”，其内应力反而减小。
从6 月11 日开始，由于拱顶下沉趋于稳定，且混凝土内应力也有所降低，对于这个情况，我们于6月13 日与施工单位进行了口头通报，对于这反常现象，施工方认为已基本稳定，可以进行掌子面的开挖作业，但监测方根据数据有异常，应需再观测几天再做决定，业主也同意我方意见。果不出所料，最后于6 月15 日上午此断面处发生了塌方，拱顶部的所有管棚均被压断。由于监测所起的作用，使业主做出了正确的决策，避免了人员的伤亡。
从上述也可以看出，并不是变形及应力数据变小了就认为稳定了，可以看出经过第二阶段的发展，初衬支撑力已达到了极限值，数据减小可认为是达到了一种极限的相对平衡状态的表现。可见在这种关键位置选择初衬混凝土监测项目的重要性，如果仅凭变形可能会得出变形减小趋于收敛稳定的错误结论，所以在这种位置通过增加初衬混凝土内应力量测，综合判断围岩稳定是非常必要的。

公路隧道监测点的布置
选择了监测项目后，就应该进行相应监测点的布置，这在规范中也有相关的规定，但是否所有断面的布置都按规范严格进行，这是没有必要的，如果布置位置不合适或太多，不但会降低监测效率，还增加了许多不必要的人力物力。监测点的布置也可同监测项目选择的三方面来进行阐述，具体如下。

2.1 优化施工顺序
从这方面出发，通常需要在断面上布置拱顶下沉和周边收敛等量测项目，以检验围岩变形是否收敛，作为对二次衬砌的参考。此时布置时，对于拱顶下沉的三个监测点可分别布置于两侧拱腰和正中的拱顶，而对于周边收敛，如果此断面有拱顶下沉监测点了，可只选择水平向位移，即只测水平收敛即可，相当于一个断面布置5 个测点。这样就比较便于量测，量测收敛时只需进行水平向量测，而拱顶的三个测点直接就可以通过全站仪进行方便的量测。这样可大大提高监测效率，同时也保证了监测的可靠性。

2.2 施工安全
通常施工安全的测点布置需根据围岩地质状况而定，如果在洞口附近，由于通常围岩较差，也是监测点布置的重点位置，通常需布置地表下沉、周边收敛、拱顶下沉及初衬混凝土内应力量测点。对于具体的布置，如地表下沉主要需沿着边仰边的走向方向进行布置，特别是对于有松散堆积层高陡边仰坡一定要在关键位置布置监测点，监测边仰边的变形，预测是否会发生洞口滑坡等地质灾害。对于周边收敛和拱顶下沉则与优化施工顺序类似，至少需布置5 个测点，水平进行收敛量测，而在拱顶和两侧的拱腰进行拱顶下沉的布置。因为拱腰通常是应力较为集中之处，实践也证明了许多隧道塌方均在拱腰位置出现，所以拱顶下沉监测点宜布置此处，
如果此处围岩特差，可适当增加拱顶下沉监测点数量，在拱顶和拱腰之间根据需要可适当加密布置。

2.3 科学研究
如果需进一步进行相关的科学研究，则在布置面时的监测点应尽量布置完整，从而能得到完整数据进行分析，通常可以按规范进行布置即可，断面不宜太多，尽量选择较为典型的断面进行各监测项目内容的布置，这样在一个断面监测项目多得到的数据也越完整，经过计算分析后可以验并进一步优化设计方案。

结论
通过上述分析可以看出，监测项目的选择及测的布置需根据监测目的来进行选择，不应死套规，这对于监测工作者来说是至关重要的。选择或置合适可以使监测效率事半功倍，反之则会浪费必要的人力物力且监测效率低下，下面总结几点验。
（1）监测的首要目的肯定是保证施工的安全，别是在隧道数量比较多时，一定要提高监测效率，然肯定顾此失彼，所以在选择监测项目和测点布时一定要有的放矢，不能盲目进行。
（2）通常在隧道口布置时，可以选择地表下沉、周边收敛、拱顶下沉和初衬混凝土内应力四个监测项目；而在隧道内时，周边收敛、拱顶下沉一般是必不可少的，初衬混凝土可根据围岩状况，有选择的加以布置。
（3）周边收敛、拱顶下沉通常是在同一断面布置，所以布置时如果只考虑施工安全和优化施工顺序，周边收敛可只量测水平向的，而拱顶下沉三个测点最好分别安装在拱顶和两侧拱腰，这样有利于提高监测效率且能保证监测的可靠性。
（4）根据使用经验，拱顶下沉由于量测方便、布置简单且效果显著，笔者认为它是所有监测项目的最佳选择，拱顶下沉可以加大布置密度，这样可以显著提高施工安全和监测效率。

参考文献
[1]李晓红. 隧道新奥法及其量测技术[M]. 北京： 科学出版社,2002.
[2] 交通部重庆公路科学研究所. 公路隧道施工技术规范(JTJ042-94)[S].北京：人民交通出版社, 1995.

信息来源：《工程勘察》，作者：王国欣，肖绪文，中国建筑第八工程局, 上海 200135