劉 先 王 鵬

四川沿江宜金高速公路有限公司 四川 成都 610000

1 引言

現(xiàn)代高速公路隧道的設(shè)計(jì)與施工中，監(jiān)控量測(cè)技術(shù)是保證項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。隧道工程的復(fù)雜性要求工程師能夠準(zhǔn)確地理解地質(zhì)條件，監(jiān)控施工過(guò)程中的各種變量，并對(duì)可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和管理。隨著技術(shù)的進(jìn)步，一系列先進(jìn)的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)被開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，從基礎(chǔ)的地質(zhì)預(yù)測(cè)到復(fù)雜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些技術(shù)提高了工程決策的準(zhǔn)確性，減少了不確定性，確保了施工過(guò)程的安全性和效率。

2 高速公路隧道施工分析

2.1 高速公路隧道的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高速公路隧道通常分為幾種類(lèi)型，包括巖石隧道、土質(zhì)隧道和水下隧道。每種類(lèi)型的隧道都有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工要求。巖石隧道多數(shù)貫穿于堅(jiān)硬的巖石中，主要特點(diǎn)是穩(wěn)定性高，但在施工過(guò)程中可能需要爆破或鉆掘。巖石隧道通常需要較少的支撐結(jié)構(gòu)，因?yàn)閹r石本身具有較好的自承能力。土質(zhì)隧道多建于松軟或疏松的土質(zhì)中，隧道的支撐和穩(wěn)固尤為重要，以防止坍塌。常見(jiàn)的支撐結(jié)構(gòu)包括預(yù)制混凝土襯砌、噴錨支護(hù)等[1]。水下隧道是一種特殊類(lèi)型的隧道，建造在水體下方，如河底或海底，水下隧道面臨的最大挑戰(zhàn)是防水和承受水壓，常用的施工方法包括沉管法和盾構(gòu)法。

2.2 隧道施工的常見(jiàn)方法和工藝

隧道施工的方法和工藝多種多樣，但主要可以分為兩類(lèi)：傳統(tǒng)方法和現(xiàn)代方法。傳統(tǒng)方法包括鉆爆法和手工鑿巖法。鉆爆法是一種常見(jiàn)的巖石隧道開(kāi)挖方法，通過(guò)鉆孔和爆破來(lái)破碎巖石；手工鑿巖法則主要用于土質(zhì)較軟或巖石較脆弱的隧道，施工速度較慢，但對(duì)周?chē)h(huán)境的影響較小?，F(xiàn)代隧道施工技術(shù)主要包括盾構(gòu)法和TBM（隧道掘進(jìn)機(jī)）。盾構(gòu)法適用于各種土質(zhì)和巖石條件，特別是在城市地下施工中廣泛應(yīng)用；TBM是一種高效的隧道開(kāi)挖設(shè)備，能在固定的軌道上自動(dòng)推進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖、支撐和襯砌作業(yè)。

3 監(jiān)控量測(cè)技術(shù)分類(lèi)

3.1 地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)

地表位移監(jiān)測(cè)技術(shù)是地質(zhì)學(xué)和土木工程中的關(guān)鍵技術(shù)，用于精確測(cè)量和分析地表或土體的移動(dòng)和變形，在建筑施工、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、礦山開(kāi)采等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。地表位移監(jiān)測(cè)可分為幾種主要類(lèi)型，包括地表總站測(cè)量、GPS測(cè)量、InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量）、激光掃描測(cè)量等。地表總站測(cè)量使用光學(xué)或電子總站儀進(jìn)行地表位移監(jiān)測(cè)。通過(guò)精確測(cè)量特定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置變化，可用于追蹤地表或結(jié)構(gòu)物的微小移動(dòng)。總站測(cè)量精度高，但受到測(cè)量距離和氣象條件的影響；全球定位系統(tǒng)（GPS）監(jiān)測(cè)技術(shù)利用衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量地表位移。GPS測(cè)量可以提供連續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，適用于大范圍和遠(yuǎn)距離的地表位移監(jiān)測(cè)。然而其精度受到多路徑效應(yīng)和大氣干擾的影響；合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）是利用雷達(dá)衛(wèi)星圖像來(lái)監(jiān)測(cè)地表位移的技術(shù)。InSAR可以覆蓋大范圍區(qū)域，能夠測(cè)量毫米級(jí)別的地表變化，適合監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害和長(zhǎng)期土地沉降。激光掃描測(cè)量，如激光雷達(dá)（LiDAR），通過(guò)發(fā)射激光脈沖并測(cè)量其反射時(shí)間來(lái)確定地表的準(zhǔn)確位置。激光掃描測(cè)量能提供高分辨率的三維地表數(shù)據(jù)，適用于復(fù)雜地形的監(jiān)測(cè)[2]。

3.2 深部位移和壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)

深部位移和壓力監(jiān)測(cè)技術(shù)是工程和地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，尤其在評(píng)估地下工程穩(wěn)定性和預(yù)測(cè)自然災(zāi)害方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些技術(shù)主要用于監(jiān)測(cè)深層土體或巖石中的位移和壓力變化，提供了對(duì)地下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)行為的深入理解。深部位移監(jiān)測(cè)通常涉及將傳感器深埋于地下，以監(jiān)控巖土體的移動(dòng)，而壓力監(jiān)測(cè)則關(guān)注于土壤或巖石的應(yīng)力狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化。深部位移的監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括地下位移計(jì)、傾斜計(jì)和應(yīng)變計(jì)。地下位移計(jì)能夠測(cè)量沿特定方向的位移量，而傾斜計(jì)則用于監(jiān)測(cè)地下結(jié)構(gòu)的傾斜變化；應(yīng)變計(jì)則用于測(cè)量巖石或土壤內(nèi)部的應(yīng)變，間接推斷位移情況。上述儀器必須具備高度的靈敏度和穩(wěn)定性，以確保在復(fù)雜的地下環(huán)境中獲得可靠數(shù)據(jù)。壓力監(jiān)測(cè)則通過(guò)壓力計(jì)、應(yīng)力計(jì)和孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行，可以測(cè)量土壤或巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，包括總體壓力和有效壓力?？紫端畨毫τ?jì)特別適用于監(jiān)測(cè)土體中的水壓變化，對(duì)于評(píng)估滑坡和地下水動(dòng)態(tài)等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。實(shí)際應(yīng)用中，深部位移和壓力監(jiān)測(cè)需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)和方法。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集通常依賴(lài)于先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，確保實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地收集和傳輸信息[3]。此外，數(shù)據(jù)解析和模型仿真在深部監(jiān)測(cè)中也扮演著重要角色，能幫助工程師和科學(xué)家解釋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來(lái)的地質(zhì)變化。

3.3 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是用于評(píng)估建筑物、橋梁、隧道等工程結(jié)構(gòu)完整性和性能的技術(shù)，通過(guò)持續(xù)或定期監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)屬性，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷、老化或其他潛在問(wèn)題，預(yù)防災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)失敗。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)通常包括使用各種傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和腐蝕等參數(shù)。例如，振動(dòng)傳感器可以檢測(cè)由交通或自然因素引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；應(yīng)力和應(yīng)變傳感器則用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)承載能力的變化。此外，為了評(píng)估結(jié)構(gòu)的腐蝕程度，電化學(xué)傳感器也被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)能提供即時(shí)的結(jié)構(gòu)性能數(shù)據(jù)，通過(guò)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)積累，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的未來(lái)性能和壽命，對(duì)于制定有效的維護(hù)和修復(fù)計(jì)劃至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用有助于降低維護(hù)成本，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，并確保公共安全。

3.4 遠(yuǎn)程和無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)

遠(yuǎn)程和無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)自動(dòng)化和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，使得監(jiān)測(cè)工作可以在沒(méi)有人工直接介入的情況下進(jìn)行，特別是在對(duì)人員安全構(gòu)成威脅或難以到達(dá)的地區(qū)尤為重要。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)通常依賴(lài)于各種傳感器網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器能夠持續(xù)收集環(huán)境、化學(xué)、生物或物理數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回中心數(shù)據(jù)庫(kù)或控制中心。無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是其部署的靈活性和低成本。例如，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），可以輕松監(jiān)測(cè)廣闊的農(nóng)業(yè)土地、工業(yè)設(shè)施或城市基礎(chǔ)設(shè)施，傳感器具備低功耗和長(zhǎng)期運(yùn)行的特性，適合于在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作。此外，遠(yuǎn)程和無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)還與云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）緊密結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)和分析，為決策提供實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程和無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)正變得更加高效和可靠，能提供豐富的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)測(cè)分析幫助管理人員及時(shí)響應(yīng)潛在的問(wèn)題和危機(jī)，在智慧城市建設(shè)、環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害管理和許多其他領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

4 高速公路隧道施工監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

4.1 地質(zhì)預(yù)判與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高速公路隧道施工中，地質(zhì)預(yù)判與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。這一過(guò)程涉及到對(duì)即將施工地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)的分析和預(yù)測(cè)，旨在識(shí)別可能的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，如地下水流、不穩(wěn)定的巖層、斷層或其他地質(zhì)異常情況，如果不被提前發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致工程延誤、成本增加甚至安全事故。為了有效地進(jìn)行地質(zhì)預(yù)判和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通常會(huì)采用一系列先進(jìn)的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。例如，地質(zhì)雷達(dá)（GPR）和地震反射法可以用來(lái)探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和識(shí)別潛在的地質(zhì)隱患。此外，鉆孔取樣和地下水位監(jiān)測(cè)也是評(píng)估地質(zhì)條件的常用方法，工程師能夠獲得關(guān)于地層結(jié)構(gòu)、巖石類(lèi)型、地下水條件和其他重要因素的詳細(xì)信息[4]?；谶@些數(shù)據(jù)，可以建立詳細(xì)的地質(zhì)模型，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，預(yù)測(cè)可能的風(fēng)險(xiǎn)，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，包括加固地層、改變施工方案或采用特殊的施工技術(shù)。

4.2 施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

高速公路隧道施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)是確保工程安全和效率的關(guān)鍵，能夠提供關(guān)于施工進(jìn)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)境影響的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得工程團(tuán)隊(duì)能夠快速響應(yīng)潛在問(wèn)題，減少風(fēng)險(xiǎn)和延誤。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)包括但不限于位移傳感器、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、傾斜計(jì)和地表沉降監(jiān)測(cè)設(shè)備。設(shè)備安裝在隧道的關(guān)鍵位置，可以監(jiān)測(cè)隧道壁的移動(dòng)和變形和隧道周?chē)乇淼某两登闆r。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，工程師可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和決策，配合人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)分析的效率和準(zhǔn)確性，提高隧道施工的安全性和效率，減少了不確定性和潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 隧道襯砌質(zhì)量的監(jiān)測(cè)

隧道襯砌質(zhì)量的監(jiān)測(cè)直接影響到隧道的安全性和耐久性。襯砌結(jié)構(gòu)是隧道施工中用于支撐和保護(hù)隧道內(nèi)部的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，必須能夠承受地下壓力、地震和其他自然力的作用。為了確保襯砌結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，需要對(duì)其進(jìn)行精確且全面的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)技術(shù)通常包括應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)和滲漏監(jiān)測(cè)。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)是通過(guò)在襯砌結(jié)構(gòu)上安裝應(yīng)變計(jì)來(lái)完成的，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)度的變形或應(yīng)力集中，對(duì)于防止襯砌結(jié)構(gòu)損壞至關(guān)重要。裂縫監(jiān)測(cè)則通過(guò)視覺(jué)檢查和自動(dòng)裂縫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，后者可以連續(xù)記錄裂縫的寬度和擴(kuò)展情況。滲漏監(jiān)測(cè)則是通過(guò)觀察和記錄襯砌結(jié)構(gòu)表面的滲水情況來(lái)進(jìn)行的，對(duì)于確保隧道防水性能和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常重要[5]。除傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，現(xiàn)代隧道施工中還普遍使用了高科技監(jiān)測(cè)手段，如激光掃描和地面穿透雷達(dá)（GPR），可以提供襯砌結(jié)構(gòu)的詳細(xì)三維圖像，幫助工程師更準(zhǔn)確地評(píng)估襯砌質(zhì)量和結(jié)構(gòu)完整性。

4.4 環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制

環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制旨在確保施工過(guò)程中的環(huán)境影響最小化，保護(hù)工作人員的健康和安全。環(huán)境監(jiān)測(cè)主要涉及空氣質(zhì)量、噪聲、震動(dòng)等方面的監(jiān)測(cè)?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)中粉塵、有害氣體（如一氧化碳、硫化氫等）和通風(fēng)情況的重要部分，有助于防止有害氣體在隧道內(nèi)積聚到危險(xiǎn)水平，保障工作人員的健康。噪聲和震動(dòng)監(jiān)測(cè)則是為了評(píng)估施工活動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境和附近居民的影響，尤其是在城市地區(qū)施工時(shí)尤為重要。為了有效地進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制，通常會(huì)使用一系列先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)。例如，實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器可以連續(xù)追蹤有害氣體的濃度，而噪聲和振動(dòng)傳感器則能夠精確測(cè)量施工活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和震動(dòng)水平。數(shù)據(jù)收集后，通過(guò)分析和評(píng)估這些數(shù)據(jù)，可以采取相應(yīng)的控制措施，如改進(jìn)通風(fēng)系統(tǒng)、調(diào)整施工方法或采取隔音和減振措施。

4.5 安全預(yù)警系統(tǒng)的建立

高速公路隧道施工中，建立有效的安全預(yù)警系統(tǒng)至關(guān)重要，以確保施工過(guò)程中的安全并及時(shí)響應(yīng)潛在危險(xiǎn)。安全預(yù)警系統(tǒng)的核心在于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的各種關(guān)鍵參數(shù)，并在達(dá)到預(yù)定的安全閾值時(shí)發(fā)出警報(bào)。安全預(yù)警系統(tǒng)還包括綜合的數(shù)據(jù)處理和分析中心，該中心負(fù)責(zé)收集和分析所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在必要時(shí)發(fā)出警報(bào)。這個(gè)系統(tǒng)通常與先進(jìn)的軟件平臺(tái)相結(jié)合，利用數(shù)據(jù)分析和人工智能算法，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確性和效率。通過(guò)這種方式，安全預(yù)警系統(tǒng)可以及時(shí)通知管理人員和工作人員，采取緊急措施以防止事故的發(fā)生。

4.6 施工后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估

高速公路隧道施工完成后，進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估是確保其安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在監(jiān)測(cè)和分析隧道在投入使用后的性能，包括其結(jié)構(gòu)完整性、抗裂性能和防水性能等。長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估涉及到持續(xù)的監(jiān)測(cè)和定期檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的問(wèn)題。為了有效地進(jìn)行這種評(píng)估，通常會(huì)在隧道內(nèi)部和周?chē)h(huán)境中安裝長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括但不限于應(yīng)變計(jì)、傾斜計(jì)、裂縫寬度計(jì)和地表沉降測(cè)量?jī)x，可以持續(xù)跟蹤隧道的位移、應(yīng)力變化和可能出現(xiàn)的裂縫。特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜或極端天氣頻繁的區(qū)域，這種監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。除了物理監(jiān)測(cè)，定期的結(jié)構(gòu)檢查也是長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估的重要組成部分，包括結(jié)構(gòu)完整性測(cè)試和防水性能評(píng)估。必要時(shí)，還可以采用非破壞性監(jiān)測(cè)技術(shù)，如地面穿透雷達(dá)和聲波檢測(cè)，以更深入地評(píng)估隧道的內(nèi)部狀態(tài)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)據(jù)分析方法的進(jìn)步，長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估正在變得更加高效和準(zhǔn)確，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)潛在問(wèn)題，也對(duì)于規(guī)劃未來(lái)的維護(hù)工作和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案具有重要意義，因此，長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估是保障高速公路隧道安全、可靠運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)來(lái)說(shuō)，監(jiān)控量測(cè)技術(shù)在高速公路隧道施工中的應(yīng)用極大地提升了工程的安全性、可靠性和效率。從地質(zhì)預(yù)判到施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，再到施工后的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估，這些技術(shù)的綜合應(yīng)用確保了隧道工程能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中順利進(jìn)行。此外，這些技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用不僅對(duì)當(dāng)前的工程項(xiàng)目有著重要意義，也為未來(lái)的隧道工程設(shè)計(jì)和施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可以預(yù)見(jiàn)監(jiān)控量測(cè)技術(shù)將在確保工程安全、提高工程質(zhì)量以及促進(jìn)工程可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮更加重要的作用。