改进的隧道监测系统(TMS)在隧道围岩变形监测中的应用
中石油集团工程设计有限公司西南分公司 作者：辜利江,王海兰,马俊 0 前言在地下工程测试中， 位移量测( 包括收敛量测) 是最有意义和最常用的监测项目， 其稳定可靠，简便经济。测试成果可直接指导施工，验证设计，评价围岩与支护结构的稳定性。TMS ( Tunnel Monitoring System 隧道监测系统)随着工程技术的发展而不断发展。目前，国际上许多国家都对隧道工程的现场测试非常重视，出台了许多的规定和规范［1］。 隧道施工本身具有一定的复杂性，其自身的特点对隧道的监测仪器也有一定的要求，概括起来，有以下几个特点: 设备精度要求高、自动化程度要求高、环境适应性强和操作性强。 在国际上，欧洲是最早建造长大隧道的，其高速公路建设起步也比较早。因此，欧洲对隧道位移监测的研究也比较早，重视程度也比较高，但其对隧道位移监测的研究也远远落后于对隧道施工工艺水平的研究。隧道位移监测是一项非常复杂的工作，不同于一般的地面结构工程的位移监测。目前国际上比较新的监测技术主要有［2］:
( 1) 红外测距技术: 这种位移测量方法的误差一般能控制在2mm 左右，主要应用于大型隧道的监测中;
( 2) 激光技术;
( 3) 数码成像技术。
通过这些技术，在隧道内进行多点观测，然后进行坐标计算，从而得出测点的位移信息。但这些方法也有其自身的缺点，即:
( 1) 测量精度有待提高;
( 2) 多测点的反算会引起误差传递， 误差积累，从而影响测量精度;
( 3) 由于隧道内的施工环境，这些仪器的实际操作性受到一定的限制，特别是在狭长的隧道中。
1 改进型TMS 的工作原理
改进的TMS ( Improved Tunnel MonitoringSystem) 是由成都理工大学王兰生教授发明的，其构造示意图见图1。
改进的TMS 是将几根传递杆全部安装在一个钻孔里，除最里面的一根用钢筋外，其他几根都用钢管作为传递位移的介质。各接点都与岩体牢固粘结，将岩石的深部变形引到外面加以测量。通过不同时间的位移监测，可以了解围岩中不同深度的径向位移变化情况。
如图1 所示，改进的TMS 从内而外，首先是一根长4m、直径14mm 的钢筋，在其顶端10cm 处焊接一个钢圈，钢圈主要作用是绑粘结药包的时候能将药包限制在一个小的范围内; 然后是一根长度为3m、内径为16mm 的钢管， 钢管顶端和距顶端10cm 处各焊接一个钢圈，用于绑粘结药包。为使整个仪器在进入钻孔时， 能保证该接触点在深度3m 处，实际制作时， 在4m 钢筋顶部套一根PVC塑料管，长度90cm， 该PVC 管能顶住3m 钢管的顶部; 其它两根2m 和1m 的钢管制作与3m 相同，只是直径不同。
从示意图中可以看出，整个仪器的传递杆除了端点与围岩是牢固接触的以外，其他部分在径向上都是可以自由移动的。PVC 套管既可以保证锚固点的位置恰好是设计的深度，又能有效地减小传递杆与孔壁的接触，减小摩擦阻力对测量结果的影响。仪器的外接套筒是起将各传递杆保护起来，同时用软木塞将各传递杆固定在相应的位置的作用。套筒的尺寸如图2 所示。各传递杆的相互位置关系如图3 所示，各钢管套筒间套接关系见图4。
外接套筒顶部焊接一个供测读数据用的测头，测头平面图如图5 所示。测孔的大小是根据电子百分表的测杆大小而制作的，大小刚好能保证百分表测杆垂直而不发生倾斜。保证读数的准确性。测试的时候用百分表通过测头保护套上的小孔伸进去，接触到钢管的顶端，通过测量钢管顶端的伸缩来测读围岩的位移。
最外面用一个钢质盖将整个测试装置封闭起来，以保护测头。
特别说明的是: 试验采用的钢筋、钢管型号及套管尺寸等是根据隧道的实际情况而选用的，不同的隧道可以采用不同的尺寸。
2 改进的TMS 的优点
从改进的TMS 的原理我们可以看出，相对于其他的多点位移计，改进的TMS 一个重要的特点是各传递杆与岩体是点接触，而不是通常采用的全孔灌浆接触。全孔灌浆接触对变形的影响非常显著，特别是在软弱岩体中。通常采用全长灌浆时［3］，对所测的数据进行分析时都要充分考虑砂浆对围岩的加固作用，在软岩中更是不可忽视。但是这种加固作用到底有多大的影响，目前只能依靠经验来进行判断。改进的TMS 的点接触，既能够保证各接触点的牢固，防止传递杆与岩体脱离，又可以最大程度地减小试验仪器本身对岩体位移结果的影响。
改进的TMS 一个突出的优点是环境适应性好，操作简单。相对于其他同类型的位移监测仪器，改进的TMS 只需要打一个钻孔，就可以测量不同深度处围岩的位移情况。在施工条件比较恶劣的隧道环境中，可以节省时间和工作量，容易得到施工单位的配合。
改进的TMS 测试装置比较简单，一般人员稍经指导就可以进行操作。仪器的保护也非常容易，外面加一个小的保护盖即可，面积非常小，不容易被破坏。根据雪峰山隧道现场操作的结果，所有监测点均未被破坏过。而与改进TMS 类似的仪器却多次遭到施工过程的破坏。
改进的TMS 还具有精度高的优点。利用电子百分表，所读数据准确到1 /100 毫米，即使在变形较小的IV、V 类围岩中同样适用［4］。独特的外接盖钻孔，保证每次测读位置都在传递杆的同一位置。
3 实际应用
雪峰山隧道位于邵阳市、怀化市两市交界的雪峰山脉，隧道进口距洞口县江口镇约3km，位于洪江市塘湾乡兰家村，出口位于洪江市铁山乡小溪村。隧道上行、下行线分离，按两座独立隧道设计，净宽10. 84m， 净高6. 91m， 为双洞双车道隧道，全长6950m，按隧道分类属特长隧道。该隧道为上海—瑞丽高速公路湖南段的控制性工程，隧道的开通缩短公路里程约30km，大大节约运营费用。隧道的最大埋深约850m［5］。隧道地质条件非常复杂，采用信息化施工，隧道围岩的变形监测是监测工作中的一个重点。
3. 1 改进TMS 各部件尺寸的选择
( 1) 最长测杆的选择
考虑到隧道开挖以后岩体的位移是有一定的影响范围的［6］，在一定范围以外的岩体变形非常小，可以近似的认为是不受开挖影响的。雪峰山隧道开挖断面比较大，其围岩主要为砂岩和砂质板岩，围岩类别从II 类到V 类。根据勘察和设计单位提供的资料，判断隧道开挖后的变形影响范围在4m 以内，所以最长的测杆选择为4m。
( 2) 各内套钢管尺寸的选择
各测点的变形传递杆是相对独立的，选择的时候，要保证钻孔能顺利安装最粗的套管。目前的钻具都有一定的型号，钻孔尺寸也就比较固定。要增强仪器的适用性，就要求试验仪器的尺寸最好能与工程上通常使用的钻具相对应。雪峰山隧道采用的是56mm 钻头， 所以在仪器加工时， 采用了内径16mm、25mm、36mm 三种型号的钢管， 各套管之间都能直接内套。
( 3) 测试套筒的选择
测试套筒是百分表读数的重要构件，也是直接关系到量测结果是否准确的关键因素。测试套筒的尺寸选择要求既能完全将位移传递杆套好，又要基本与钻孔尺寸相当。在雪峰山隧道位移监测中，采用的是加工好的外径50mm 的套筒。套筒上的测孔大小要与电子百分表的大小刚好一致。测孔可以现场加工，孔的位置刚好是各位移传递杆的位置。测孔不能过大，过大会造成电子百分表在测孔内偏移，从而影响量测结果的准确性。
3. 2 改进的TMS 监测成果
改进的TMS 监测效果验证在雪峰山隧道东口YK95 + 942. 5 处选择了一个典型的断面进行，该点靠近F8 断层，属于F8 断层的影响区内［5］。该段左右线均实行台阶法开挖，其中左洞上台阶采用预留核心土环形开挖法。
参考勘察资料，这一路段的主要地层为灰绿色硅化砂质板岩和褐黄色含砂泥质板岩，断层节理裂隙发育，岩石破碎。每天推进的速度为左线1. 4m，右线0. 93m。该段地表曾发生坍塌破坏。在该处，某科研院也同时布置了测点，并采用全孔灌浆收敛仪进行位移监测。其监测结果便于对改进的TMS 监测效果进行对比和分析验证，所以选择此点具有代表性。
断 面内除F8 断层破碎带外，断面右侧节理裂隙发育，裂隙面宽2 ～ 3cm， 裂隙较粗糙， 可见擦痕，呈锯齿状，裂隙内充填物为泥质、硅质等，节理出露于裂隙旁侧， 与裂隙斜交， 裂隙产状47°∠68°。围岩位移及位移变化速率监测结果见图6和图7，爆破对围岩位移的影响见图8。
该测点在掌子面开挖后立即安装监测仪器，及时测量。从图中可以看出:
( 1) 在图6、图7 中，洞壁围岩的位移量、位移变化速率随时间变化情况与1m 深度处围岩的位移及位移变化速率均比较接近， 两条曲线基本重合。而2m 深度处的位移及位移变化速率与它们相比则有明显减小，而3m 深度处减小得更加明显。说明围岩的变形是随深度的加大而逐渐减小的，由此可知，雪峰山隧道在该段的开挖影响大于3m;
( 2) 图6、7 中曲线均有一个突变的地方，这是因为该段是分台阶开挖的，在2004 年9 月6 日时，下部台阶开挖放炮的震动对围岩的位移产生了影响。在该天，围岩的位移读数都发生了突变，具体见表1 和图8。
东口右洞YK95 + 942. 5 左壁改进的TMS监测的位移数据突变情况
从图8 中可以看出，爆破对围岩位移的影响是随深度的增加而减小的。爆破的影响深度在该处大于3m;
( 3) 从图6 还可以看出，不同深度的围岩变形稳定的时间是不同的，深度越大，趋于稳定的时间越短，在2004 年9 月6 号爆破影响以前，围岩变形整体上已经稳定了。不同深度的稳定时间如表2所示;
改进的TMS 测得的不同深度处围岩变形稳定时间
( 4) 从图7 还可以看出，掌子面开挖后，从7月23 日到9 月6 日期间的前13d 围岩的位移变化速率总体上是逐渐增加的，说明在该种地质条件下，隧道开挖后13d 左右是围岩调整期，之后位移变化速率逐渐减小。对围岩的支护应该参考该监测的资料;
( 5) 用改进的TMS 监测的结果与某科研院采用的全孔灌浆的收敛仪的监测结果比较得知，改进的TMS 监测的总位移量要远大于全孔灌浆的收敛仪监测到的数据，分别为12. 587mm 和7. 7mm，说明改进的TMS 的监测结果是比较安全的，可用于评价围岩与支护结构的稳定性。
4 结语
改进的TMS 各传递杆与岩体采用点接触，而不是通常采用的全孔灌浆接触，解决了全孔灌注对监测结果的影响，特别是在软岩中，这种影响往往是不可忽略的。同时该仪器还有操作性强、操作简单、成本低廉的特性，在雪峰山隧道监测的实际应用中效果良好， 值得在其他隧道的监测中推广使用。
参考文献
［1 ］ 吉锋，石豫川． 西南某水电站左坝肩边坡变形破坏特征及其机制分析［J］． 工程勘察，2011，39 ( 4) : 24 ～ 27．
［2 ］ 李晓红． 隧道新奥法及其量测技术［M］． 北京: 科学出版社，2002．
［3 ］ 赖天文． 用全站仪进行隧道变形监测的两种方法［J］． 甘肃科技，2001，( 6) : 7 ～ 7．
［4 ］ 唐雪梅，李夕兵等． 顺层古滑坡体变形特征及综合治理［J］． 工程勘察，2010，38 ( 9) : 13 ～ 18．
［5 ］ 湖南省交通规划设计研究院． 邵怀高速公路湖南雪峰山隧道勘察报告［R］． 2002．
［6 ］ 徐林生． 公路隧道围岩变形监测及应用［J］． 公路隧道，2000，( 2) : 1 ～ 6．
