巴赛特测斜仪技术在隧道轮廓变形监测中的应用

巴赛特测斜仪技术在隧道轮廓变形监测中的应用

闫超平¹　杨家松²　陈寿根¹

（1西南交通大学成都610031；2中铁二局二公司成都610031）

摘　要　与规范中规定的必测项目和选测项目的点式监测方式不同，巴赛特测斜技术是通过在隧道周边连续布点，实现线式监测。这种线式监测较传统的点式监测具有连续监测的优点，可较全面掌握整个隧道轮廓的变形情况。本文通过采用巴赛特测斜技术和传统的监测方式在同一或临近断面进行监测，并将其监测结果进行比较，验证了巴赛特测斜技术在隧道施工监测中的可行性和可靠性，为节理岩体中的隧道施工监测提供了一种准确、可靠的监测方法。

关键词　巴赛特测斜技术　变形　监测

1　引　言

锦屏水电枢纽工程位于四川盐源的洼里，四川省凉山彝族自治州的木里、盐源、冕宁三县交界处，离西昌约240 km，其总装机容量840万kW，是我国目前仅次于三峡（2 240万kW），溪洛渡（1 260万kW）和白鹤滩（1 200万kW）的第四大水电枢纽工程。锦屏水电枢纽工程由锦屏一级和二级两水电站组成。其中锦屏二级装机容量为480万kW，是雅砻江干流规划建设的21座梯级水电站中装机规模最大的水电站。锦屏二级水电站是利用150 km锦屏大河湾的天然落差，截弯取直，开挖隧洞引水发电。

锦屏辅助洞位于拟建锦屏二级水电站引水隧洞轴线南侧，为上、下行分离式双洞隧道（A，B线），长17．5 km，是整个锦屏水电枢纽前期的控制性工程。其作用是沟通东、西雅砻江的交通，并作为锦屏二级水电站引水隧洞超前探洞和科学试验洞。辅助洞工程分东、西两标段施工，其中西端标段为8 km，后因施工进度和总工期的要求调整至9 800 m，由中铁二局承建。通过辅助洞施工可更进一步了解引水隧洞全线的地质条件，为引水隧洞施工积累经验。

值得特别一提的是，由于地形复杂和山势险峭等原因，该辅助洞没有事先对隧洞上覆岩层进行详细的探测，只有通过采取信息化施工，在隧洞施工过程中通过对各种信息的获取和分析研究，将其分析研究成果反馈到设计和施工中去，保证辅助洞在确保安全的条件下实现快速施工。更为重要的是，作为锦屏二级水电站引水隧洞的地质勘探洞，辅助洞信息化施工的研究成果和积累的经验将直接应用到引水隧洞的设计和施工中，为引水隧洞的安全快速施工起到重要的指导作用。同时，与其他地下工程不同的是辅助洞的监测为永久性观测，不仅在施工中进行监测，而且工程竣工后还继续监测，为掌握引水隧洞的长期稳定性提供依据。

分析研究发现在辅助洞的某些岩体结构面发育地段，将出现严重的不均匀变形，常规监测很难捕捉到最不利变形，很难反映围岩的变形规律。因此，本研究除进行多种常规监测外，还首次采用先进的巴赛特倾斜仪监测隧洞施工过程中的全断面轮廓变形，并与常规监测结果比较，验证巴赛特倾斜仪在隧洞施工监测中的可行性。

2　国内外现状

隧道工程信息化施工是基于皮克（Peck）于1969年提出的“隧道观测设计方法”（Observational design approach）^［1］的基础上发展起来的。它是通过建立一套细致的隧道监测计划，而又不明显增加工程成本和干扰隧道施工来达到减少隧道施工风险的目的。由于隧道施工过程中地质条件的不断变化和隧道开挖在时间和空间上的动态过程，必须及时了解和及时处理适时的信息。信息化施工概念非常适用于隧道工程的施工，实践也证明该方法能有效减少隧道施工事故和风险。因此，该方法很快便得到各国隧道界的广泛采用和进一步研究。隧洞工程监测技术的进步和发展具体体现在以下4个方面。

2．1　监测内容的不断完善

监测内容已从最初单纯的隧洞净空收敛量测、拱顶下沉量测，逐步发展到量测的监测计划。目前大多数隧洞施工监测计划都按照《公路隧道施工技术规范》^［2］中规定的监控量测规定制订。量测项目包括必测项目和选测项目两类。必测项目包括地质和支护状况观测，周边位移，拱顶下沉和锚杆或锚索内力及抗拔力。选测项目包括地表下沉，围岩体内位移（洞内设点和地表设点），围岩压力及两层支护间压力，钢支撑内力及外力，支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测和围岩弹性波测试。在条件许可的情况下，多种监测项目的应用及相互印证是现代监测技术的特点，它能较全面地反映隧洞开挖后围岩内的整体位移状态^［3］。例如，单纯的净空收敛量测和拱顶下沉量测只能反映隧道周边两点间的相对位移，不能得到单点的绝对位移。而如果同时采用多点位移计进行监测，就能得到各点的绝对位移值及整个围岩中的位移分布。同时可以看出，《公路隧道施工技术规范》中规定的监控量测多是对点的量测，较适合于岩体连续性比较好的情况。而对于像锦屏辅助洞连续性较差的砂（板）岩和绿泥石片岩与千枚岩地段，点的量测不能全面反映围岩的变形，必须进行线（面）监测。

2．2　监测手段及监测仪器本身的不断改进

监测数据的准确获得与先进监测方法和监测仪器的采用是密切相关的。现场量测手段应根据量测项目及量测仪器的现状来选用。一般尽量选择简单可靠、耐久、成本低、稳定性能好，测量的物理概念明确，有足够大的量程，便于进行分析和反馈的测量仪器。监测仪器的安装及开始读数原则上应在隧洞断面的开挖后尽早进行，以便测到较完整的位移和应力，有条件时采用地表预先埋设仪器，测到围岩内的全位移。

监测手段和监测仪器的发展是伴随着监测内容的增加及对监测精度的提高不断发展的，已从最初的采用简单的钢卷尺发展到今天各种先进的监测手段和监测仪器的采用。近年来，各种高新技术被应用到隧道施工监测工作中，例如，赵星光等^［4］将光纤Bragg光栅传感技术应用到隧道监测中，发现监测期间传感光纤线路良好，无断裂事故发生，传感器的存活率高，工作正常，整个监测系统长期稳定性好。邹正明等^［5］通过引进专业化队伍对铜汤黄高速的隧道施工作做了施工监控量测，应用红外摄影技术记录掌子面的地质信息，采用隧道位移实时监测系统监测抢险施工段的拱顶下沉。在严重偏压的隧道入口段，通过压力监测和锚杆轴力监测，判断山体和隧道的稳定性及加固措施的有效性。同时，监测工作也从二维断面量测向三维变形监测发展。例如，陈尧中等^［6］利用全站仪进行隧道三维变形量测并建立了监测数据系统；宋冶等^［6］运用全站仪自由设站对广州白云隧道的三维变形进行监测，取得良好的监测效果；张成平等^［9］采用当今隧道三维变形非接触监测的5种方法（以全站仪的自由三维工作站、电子经纬仪进行的三维解析测量、无线遥测技术、三维近景摄影测量、利用光纤检测技术）进行了三维变形量测及相互印证。

2．3　量测数据处理和分析方法的不断提高

量测数据处理和分析是利用获得的监测数据以指导隧洞施工的关键环节。最初的量测数据处理和分析只是根据监测数据绘制围岩位移—时间、围岩变形速度—时间以及围岩变形加速度—时间曲线，并对各个参数设定一个警戒值和最大允许值，判断围岩稳定性和指导支护结构设计。自从1983年日本的樱井春辅提出隧道工程施工中的反分析方法以来［10］，量测数据的处理和分析被提高到一个新的高度，并得到了全世界广泛的应用和发展。该方法以严谨的岩石力学理论出发，根据监测资料，反推岩体力学参数和力学模型，并将反分析成果应用到支护结构设计中。樱井春辅进而提出了反演地层初始地应力及变形模量的数值解公式，并通过微机将这一方法运用于隧道工程的施工中。提出了通过监控量测，结合量测位移和反算结果，以岩石材料的允许应变为依据，估计隧道周围塑性区半径大小的方法。

我国在量测数据处理和分析方法方面取得了可喜的进展。例如，杨子文［11］收集分析了国内外已建90项地下工程的136例实测资料后提出了一项预测地下洞室围岩变形值的经验公式，在进行了一定的地质工作和试验工作的基础上，确定了地下洞室的尺寸、埋深之后，可用该式算出地下洞室围岩的变形值；郝鑫［12］在盘道岭隧道围岩变形监测中，根据实际情况和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，运用最小二乘法，参照铁道部科学研究院西南研究所“非线性函数迭代回归程序”，编写出“盘道岭隧道回归分析程序”，该程序能够求得回归函数曲线，并计算出任何一天的围岩收敛变形值；宁佐利［13］针对围岩变形控制标准不明确现象，在搜集大量收敛位移量测数据的基础上，建立了收敛位移量测数据库，在收敛位移数据库的基础上，用数理统计的方法研究隧道现场量测收敛位移量与围岩级别和时间的关系，建立各级围岩稳定时间、稳定时刻位移量、最终收敛位移量和最终位移量的特征值，并判断围岩的安全性。

针对现代隧道监测数据量的庞大及对快速反馈的更高要求，隧道量测数据处理和分析已从单个变量的人工处理发展到监测管理系统的开发。例如意大利开发了ACD-RS（Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils）系统，并将其应用于Vaglia隧道信息化施工管理中［14］。该系统用于控制围岩变形，对该隧道围岩从后续阶段的地质调查信息中正确掌握地质条件的变化。在设计阶段，根据地质条件的工程划分级别给出标准和相应的施工方案，然后根据开挖时产生的应力、应变特性，给出经调整后适合该地质条件的施工方法和支护结构。日本也开发了一些隧道信息化施工管理系统。例如，日本佐藤工业株式会社开发的“SIT系统”，它是一个把洞内的监测数据、机械和运输车辆的运行数据、通信数据等情报信息，用单一的通信线路进行传输，实现洞内施工的一元化管理。而日本西松株式会社也开发了“隧道综合管理系统”，该系统是由信息化施工、设计支援、质量管理、隧道形状管理4个子系统构成的。其中信息化施工系统是由弹性波探查、钻孔探查、电子探查等掌子面地质超前预报技术和施工监控量测组合而成；而设计支援系统则由施工实际情况和支护模式、辅助工法等构成。

3　巴赛特测斜技术用于隧道收敛监测

3．1　巴赛特收敛监测系统

巴赛特收敛监测系统具有高分辨率、抗干扰、快速高效、坚固可靠并可遥测等优点。整个系统由数据量测、数据采集和后处理3部分组成。其中数据量测部分是一串安装在隧道环形断面的首尾铰接的短臂杆和长臂杆，每根臂杆上都装有一只电解质式（EL）测倾角传感器。当隧道断面发生变形时，各臂杆经过协调运动，便将变形信息转换为一组唯一对应的转角信息，这些信息由臂杆测倾角传感器量测获取。

安装巴赛特系统时，首先要在隧道内选定一个横断面。在此断面内大致均匀地选择和安装观测点（一般6～12个），并赋予编号，如A，B，C，…，H，如图1所示。在相邻两个观测点之间安装一组观测臂。它由1根短杆臂、1根长杆臂和两个铰组成，如图2所示。一个铰位于长短臂的连接点，其中心点称为动点。另一个铰位于观测点上，也是观测点与短臂的连接点，各观测臂首尾相连。如果第一个观测点与最后一个观测点之间也安装观测臂，则形成闭合环；如果首尾不相连，那么会形成一个开口环。当隧道断面产生变形时，各臂杆可以协调地在断面内转动。每根臂杆上装有一只电解质式测倾角传感器。杆臂转动的倾角变化信息通过传感器汇总到CR10数据采集中。采集器可以根据设定的采集周期存储观测数据值，等到采集完毕时能以dat为后缀名的Ascii文件格式输出这些观测值，供进一步加工处理，如图3所示。

后处理部分是一台安装有专用数据处理程序的微型计算机，利用各臂杆端点（即铰点转轴中心）的位置坐标、臂杆转角增量和温度增量等有关数据，计算出隧道壁面各测点（铰点）的二维相对位移量，测试成果以数据表和图形两种方式显示在屏幕上或打印生成报表。至于采集器与计算机之间的数据通讯，若二者相距较近（不超过100 m），可使用它们的RS232接口，由多芯电缆直接传输；若二者相距较远，则还需要增设调制解调器做信号转换，由通信电话线做远距离传输。

图1　隧道断面巴赛特测斜仪安装图

图2　巴赛特观测臂安装图

3．2　监测断面

如前所述，巴赛特测斜仪主要安装在岩体结构面发育，隧道变形不均匀地段，以便捕捉最不利隧道位移。该隧道内共安装了3个巴赛特测斜断面。同时，在相应的断面进行了传统的位移监测断面。限于篇幅，这里只以BK4＋000处的巴赛特测斜断面为例加以说明。该断面附近安装了多点位移计（BK4＋070）、锚杆应力计（BK4＋060）、收敛量测（BK4＋000），见表1。

图3　巴赛特数据自动化采集和处理

3．3　收敛监测结果

（1）BK4＋000断面收敛监测结果

净空收敛量测采用常用的5测点连线方式。图4为BK4＋000断面收敛监测的时态曲线。虽然该收敛测点是2005年12月1日安装，但由于收敛计的更换，将2006年3月17日的读数设为初始值。中间又由于施工架子的阻挡和附近水沟的开挖施工，读数曾遭中断。另外，由于D，E两点被喷混凝土覆盖，从2007年1月7日开始，AD，AE和ED测线没有了读数。

从图中可看出隧洞收敛位移初期增加快，特别是BC和ED两线的收敛位移明显较大，证明边墙变形比拱顶大得多，这一结果与计算分析结果吻合。从图中还可看出位移于2007年2月23日已趋于不变，即该段面变形趋于稳定。ED线变形最大，约42 mm。

表1　监测断面

（2）BK4＋070断面多点位移计的位移监测结果

与收敛量测测定洞周两点间的相对位移不同，多点位移计监测通过设定岩体内的端点位移为零，可得到洞周及岩体内的绝对位移。本项研究采用15 m长的4点位移计，第4，3，2，1点离孔口的距离分别为1．5，4．5，9．5 m和15 m，每个断面布置3根多点位移计。

图5～图7为基于BK4＋070断面多点位移计的位移监测结果而计算出的绝对位移，可看出孔口位移最大，其次是离孔口1．5 m处的点4。点2，3的位移很小，与一般规律吻合。说明洞周围岩发生松弛，而深处围岩仍处于弹性状态。于2007年2月24日左右变形不再增加，说明洞室位移趋于稳定。比较图5和图7还可看出，左边墙位移较右边墙大，与计算分析结果吻合。

图4　BK4＋000的收敛监测结果

（3）BK4＋060断面锚杆应力计监测结果

该断面采用7根锚杆应力计，分别布置在左边墙、左起拱线、左拱腰、拱顶、右拱腰、右起拱线、右边墙。监测结果示于图8中。从图中可看出最大锚杆受力在拱顶，最小在右拱腰处。同时还可看出，锚杆受力于2007年2月24日左右趋于稳定，与前面结果吻合。

（4）BK4＋000断面巴赛特测斜仪监测结果

巴赛特测斜仪监测也是测定两点间的相对位移，但与收敛量测更能反映隧洞周边的变形状态。该断面采用10测点布置方式，监测结果示于图9中。其数值是相对于点1号的位移，即固定点1号而计算出来。从图中可看出测点号越大，其相对于点1号的位移越大，规律性非常强，说明其监测精度较高。点10号与点1号的相对位移最大，说明两边墙间的位移较大，与前几种监测方式得到的结果类似。

图5　BK4＋070断面多点位移计M1的监测结果

图6　BK4＋070断面多点位移计M2的监测结果

图7　BK4＋070断面多点位移计M3的监测结果

图8　BK4＋060断面锚杆应力计监测结果

图9　BK4＋000断面巴赛特测斜仪监测结果

4　结　论

由于施工条件原因造成几种监测结果没能设置在同一断面，而且同一断面没能同一时间安装，使之不能对它们的结果进行定量验证。即便如此，从以上4种监测手段的监测结果可以发现一些有价值的相互验证。具体表现在：

①左边墙位移比右边墙大，与数值仿真结果吻合。

②2007年2月左右，围岩变形基本停止继续发展。

③隧洞最后达到稳定。

要特别指出的是，巴赛特测斜仪与多点位移计配合适用，利用多点位移计测得周边任一点的绝对位移，结合巴赛特监测数据，能够得出整个隧洞周边的绝对变形，能更准确判断监测断面围岩的稳定性，从而更好地指导信息化施工。然而本研究由于多点位移计与巴赛特安装的断面和时间都不一样，没能达到这一效果，但可作为今后类似研究之用借鉴。

参考文献

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