公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀及思考

2024年3月30日發(fā)(作者：一片綠葉的回憶)

公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

技術(shù)現(xiàn)狀及思考

摘要：隧道是城市交通的紐帶，它對(duì)城市的發(fā)展與建設(shè)有著重要的影響，在

經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。特別是在十四五發(fā)展規(guī)劃后。加大基礎(chǔ)設(shè)施

的建設(shè)，一座接一座隧道如雨后春筍般投入運(yùn)營，此時(shí)隧道的施工安全更是人們

在心里如一陣揮不去的陰霾，尤其是近年來不斷報(bào)道的隧道安全事故及礦難，不

斷加劇了人們的恐慌。隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為隧道安全施工的必要措

施此時(shí)被凸顯的尤為重要，文章對(duì)隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)場及目前

常用的方法進(jìn)行闡述，分析了隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)亟待解決的問題和發(fā)

展方向，以期促進(jìn)我國隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：公路；隧道施工；監(jiān)控量測；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

引言：公路能夠?yàn)槲覈鞘邪l(fā)展提供基礎(chǔ)設(shè)施保障，是城市化進(jìn)程逐漸加快

的現(xiàn)代社會(huì)重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容。建設(shè)公路時(shí)隧道工程屬于其中常見工程類型，其施工

復(fù)雜程度比較高，受到地質(zhì)環(huán)境差異影響較大，意外頻發(fā)。隧道監(jiān)控量測及超前

地質(zhì)預(yù)報(bào)作為隧道安全施工的最后一道防線，此時(shí)被凸顯的極為重要。因此，做

好該項(xiàng)工作不僅能降低地勘以外的不良地質(zhì)情況對(duì)工程造成影響，同時(shí)降低了隧

道建設(shè)成本。

1公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1公路隧道施工監(jiān)控量測現(xiàn)狀

隧道監(jiān)控量測是新奧法施工中不可或缺的一環(huán)，它包括兩個(gè)監(jiān)控量測方面，

一個(gè)是必測項(xiàng)目，一個(gè)是選測項(xiàng)目。對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測人員要求較高，需具有一定的巖

土工程基礎(chǔ)，并對(duì)其他相關(guān)學(xué)科均要有所涉獵，有較豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于突發(fā)

情況需及時(shí)進(jìn)行處理或根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的變化情況提供建設(shè)性意見。隧道的監(jiān)

測內(nèi)容主要是按照隧址區(qū)的地質(zhì)條件來確定的，一般需要監(jiān)控的項(xiàng)目包括洞內(nèi)、

洞外的觀測，以及拱頂?shù)某两岛椭車淖冃危诿恳淮伍_挖之后，都要進(jìn)行洞內(nèi)

和洞外的觀測。主要以肉眼輔助簡單的儀器為主，通過對(duì)掌子面揭露出的地質(zhì)情

況、初支的工作狀態(tài)和隧道地表的情況進(jìn)行初步判斷，拱頂下沉及周邊位移監(jiān)控

量測測點(diǎn)應(yīng)該布置在相同的斷面上，測點(diǎn)的數(shù)量和布置位置受到隧道地質(zhì)情況、

跨度及開挖工法影響，原則上每次分布開挖應(yīng)布置不低于1個(gè)拱頂測點(diǎn)及2個(gè)周

邊位移測點(diǎn)，特殊情況除外，如隧道處于富水區(qū)應(yīng)對(duì)隧道進(jìn)行拱腳下沉測量，主

要借助全站儀、水準(zhǔn)儀及收斂計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。選測項(xiàng)目一般布置在不良地質(zhì)段

或者具有代表性斷面位置，需要將相應(yīng)的傳感器埋設(shè)在隧道工程中的各結(jié)構(gòu)施工

中，實(shí)現(xiàn)利用采集器對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，成本相對(duì)于必測項(xiàng)目較高，通常監(jiān)

測數(shù)據(jù)主要用于科研及隧道設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化作用，實(shí)際施工過程中布置相對(duì)較少，

選測項(xiàng)目的斷面布設(shè)應(yīng)于必測項(xiàng)目一致，監(jiān)測頻率與必測項(xiàng)目相同，無論必測還

是選測均以人工為主。

1.2公路隧道施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)狀

由于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法有很多，可以根據(jù)預(yù)報(bào)距離將其劃分為以下幾

種類型：短距離預(yù)報(bào)、中距離預(yù)報(bào)和長距離預(yù)報(bào)。代表性的方法主要為地質(zhì)雷達(dá)

法、地震波反射法、電法、紅外線法及鉆芯法等，其中鉆芯法為直接測量法，在

掌子面前方對(duì)掌子面后方未知區(qū)域進(jìn)行超前鉆孔，通過對(duì)取出芯樣進(jìn)行判斷，從

而得出掌子面后方圍巖的情況，但是該種方法存在以下的缺陷：1、掌子面圍巖

硬度較高時(shí)鉆孔時(shí)間較長，嚴(yán)重的影響施工工期，且成本較高。2、掌子面圍巖

硬度較低時(shí)如全風(fēng)化~強(qiáng)風(fēng)化巖層雖然鉆孔速度較快，但是需相關(guān)工作人員長時(shí)

間的在掌子面前方逗留操機(jī)，該種圍巖自穩(wěn)能力較差，且鉆頭鉆進(jìn)的過程中對(duì)周

邊圍巖發(fā)生一定程度的擾動(dòng)，無形中加大了實(shí)施過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，市面

上較為流行的方法主要為地質(zhì)雷達(dá)法（電磁波放射法）及TST（地震波反射法），

若隧址為富水區(qū)在兩種方法的基礎(chǔ)上引進(jìn)直流電法。

2公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)思考

2.1技術(shù)指標(biāo)

隧道監(jiān)控量測必測項(xiàng)目目前主要采用全站儀高程傳遞法進(jìn)行拱頂下沉數(shù)據(jù)采

集，對(duì)掌子面前方進(jìn)行預(yù)報(bào)的方式，多采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。如地質(zhì)雷達(dá)法及電磁

波反射法。

（1）、高程傳遞法原理

在測量過程中，用全站儀測得儀器到 A點(diǎn)的間距S

1

及垂直角α

1

，到B點(diǎn)的

間距S

2

及垂直角a

2

，從而得到A點(diǎn)和B點(diǎn)的相對(duì)高度Δh

1

及Δh

2

，從而得到測

點(diǎn)B到工作基點(diǎn)A之間的相對(duì)高度差Δh

AB

和 B點(diǎn)的高度 HB。

Δh

AB

=Δh

2

+V

2

-

Δh

1

+V

1

（1）

H

B

=H

A

+Δh

AB

（2）

由于 B點(diǎn)是靜止的反射裝置，所以每一次測得的V

2

都是一個(gè)固定的數(shù)值。

在每一次測定中，A點(diǎn)均使用相同的工作覘標(biāo)，故V

1

也是固定值。由式（1）和

式（2）可以看出，在 B點(diǎn)處的高度與第一次測定值的關(guān)系，即拱頂沉降Δh：

Δh=Δh

02

-Δh

01

-(Δh

i2

-Δh

i1

)+ΔH

A

（3）

ΔHA=h

iA

-

H

0A

（4）

式中:Δh

02

為初次測量時(shí)A點(diǎn)的高差，Δh

01

是B點(diǎn)相對(duì)儀器的高差；Δh

i2

為

第i次測量時(shí)A點(diǎn)相對(duì)儀器的高差，Δh

i1

為B點(diǎn)相對(duì)儀器的高差。ΔH

A

為工作基

點(diǎn)的高程變化

圖1.1全站儀三角高程法測量沉降原理示意圖

（2）地質(zhì)雷達(dá)法原理

在地質(zhì)雷達(dá)中，包括發(fā)射單元、接收單元，發(fā)射、接收天線，主控器，專用

筆記本計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)專用電源，光纖信號(hào)線，其他信號(hào)線，數(shù)據(jù)采集軟件，后處

理軟件等，這些都是由以下部分組成見圖5.1。

圖1.2地質(zhì)雷達(dá)組成

利用發(fā)射單元將電磁波發(fā)送到被測目標(biāo)，電磁波在傳輸過程中與具有不同電

性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率）的界面接觸，被接收端接收后，在時(shí)域中計(jì)算出反射波

及其回程時(shí)間，并在兩個(gè)天線所處的地表上第一個(gè)被接收到，從而成為系統(tǒng)的初

始零點(diǎn)。將反射波往返時(shí)間的一半，與相應(yīng)介質(zhì)的雷達(dá)波速度相乘，就可以得到

反射目標(biāo)所處的深度，再以反射波的形狀、線度及其在不同方向上的組合特征為

依據(jù)，判斷目標(biāo)性質(zhì)即進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。

通過對(duì)接收信號(hào)的頻率、幅度和相位等信息進(jìn)行分析處理，可以根據(jù)目標(biāo)體

的位置及埋深等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。圖5.2所示為地質(zhì)雷達(dá)工作原理。

圖1.3地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

在雷達(dá)圖上，針對(duì)缺陷區(qū)域顯示是通過反射系數(shù)的變換所獲得的，不同交界

面間的反射系數(shù)見式5：

(5)

式中：、分別為交界面之間不同介質(zhì)的介電常數(shù)。

當(dāng)出現(xiàn)不密實(shí)區(qū)域時(shí)，不管不密實(shí)區(qū)域是含水或者含空氣，空洞區(qū)域的介電

常數(shù)與成型后的混凝土的介電常數(shù)存在較大差異，從而增加了分界面處的反射波

強(qiáng)度，進(jìn)而可以在雷達(dá)圖上體現(xiàn)出缺陷區(qū)域的深度和范圍等數(shù)據(jù)信息。

（3）電磁波反射法原理

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)TST（Tunnel Seismic Tomography），是一種利用隧

道散射成象的方法，即在隧道兩側(cè)圍巖中利用隧道內(nèi)的散射波成象方法，采取接

收與激發(fā)的原理確定空間布置的位置。地震波的產(chǎn)生是通過小規(guī)模爆破、電火花

等方式來實(shí)現(xiàn)的，接收主要是由地震檢波器實(shí)現(xiàn)的。TST可以對(duì)兩側(cè)及上、下兩

層的地震回波進(jìn)行甄別，并對(duì)其進(jìn)行過濾，只留下掌子面前的回波，防止虛報(bào)；

并給出掌子面前的巖石波速度及地質(zhì)接觸面的精確圖像。地震波速度可作為巖體

工程等級(jí)劃分的基礎(chǔ)，而界面可作為地質(zhì)結(jié)構(gòu)解釋的基礎(chǔ)。

當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等)時(shí)，將

會(huì)有一部分地震信號(hào)被反射回來，一部分信號(hào)在透射進(jìn)入前方介質(zhì)。數(shù)據(jù)信息在

地震波軟件的精準(zhǔn)、快速處理下，切實(shí)了解隧道工作面前方的不良地質(zhì)體性質(zhì)、

位置、規(guī)模。

2.2技術(shù)思考

對(duì)于隧道監(jiān)控量測和隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而言，無論采用何種方法均無法避免

存在以下問題：1、檢測過程中均需要耗費(fèi)大量的人力物力。2、過程中采集數(shù)據(jù)

量較大人工處理過程中容易造成遺漏，錯(cuò)失重要數(shù)據(jù)，資料歸檔需要占用較大的

空間。3、隧道監(jiān)控量測均需人員在洞內(nèi)進(jìn)行，尤其預(yù)警或者圍巖較差時(shí)在洞內(nèi)

待的時(shí)間更久，檢測人員的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)增加。

3、隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)未來發(fā)展

隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工過程中無法缺失的一個(gè)環(huán)節(jié)，尤其

是目前主流采用新奧法施工，未來的發(fā)展主要在檢測技術(shù)的更新。一方面發(fā)展新

的監(jiān)測及檢測技術(shù)，能夠更加快速、精確的判斷隧道所處的狀態(tài)及隧道圍巖的實(shí)

際情況，其發(fā)展方向依舊是減少人力、保證操作人員安全的檢測技術(shù)。雖然監(jiān)控

量測有自動(dòng)化監(jiān)測，但是成本及其他原因未完全進(jìn)行普及，此方面仍需加強(qiáng)，只

有解放現(xiàn)場檢測人員的勞力，讓原先能在洞內(nèi)完成的任務(wù)在洞外也能完成，才能

有更多的精力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研判和分析。

4、結(jié)論

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及監(jiān)控量測兩項(xiàng)工作均為交叉學(xué)科，涉及到多方面的理論、

方法相互融合的工程領(lǐng)域。同時(shí)也是一個(gè)系統(tǒng)的工作，并非單純的結(jié)構(gòu)是否異常

的診斷，雖然開挖是否存在風(fēng)險(xiǎn)還需從多方面進(jìn)行分析，才能在風(fēng)險(xiǎn)掐滅在萌芽

之中，我國的隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)展較晚，目前善缺乏完善的體系。

本文闡述了隧道監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的現(xiàn)狀及目前存在的問題，但在實(shí)際工

程中還有更多問題有待我們完善。我們要將理論和實(shí)踐結(jié)合起來，才能為隧道的

安全貫通保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]牟勇. 高速公路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世

界,2022,(18):84-86.

[2]吳建新,張宇. 軟巖長大公路隧道工程施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用[J]. 建筑

技術(shù)開發(fā),2022,49(01):87-90.

[3]陳敦理. 公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)現(xiàn)狀及思考[J]. 運(yùn)

輸經(jīng)理世界,2021,(28):128-130.

[4]廖浩然,張青鵬. 高速公路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用[J]. 交通世

界,2021,(20):149-151.

[5]劉文濤. 高速公路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 居

舍,2021,(19):53-54.

[6]黑白陽. 高速公路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世

界,2021,(11):76-78.