公路隧道施工监控量测与超前地质预报技术现状及思考

2024年3月30日发(作者：一片绿叶的回忆)

公路隧道施工监控量测与超前地质预报

技术现状及思考

摘要：隧道是城市交通的纽带，它对城市的发展与建设有着重要的影响，在

经济发展中发挥着至关重要的作用。特别是在十四五发展规划后。加大基础设施

的建设，一座接一座隧道如雨后春笋般投入运营，此时隧道的施工安全更是人们

在心里如一阵挥不去的阴霾，尤其是近年来不断报道的隧道安全事故及矿难，不

断加剧了人们的恐慌。隧道监控量测及超前地质预报作为隧道安全施工的必要措

施此时被凸显的尤为重要，文章对隧道监控量测及超前地质预报技术现场及目前

常用的方法进行阐述，分析了隧道监控量测及超前地质预报亟待解决的问题和发

展方向，以期促进我国隧道监控量测及超前地质预报工作的发展。

关键词：公路；隧道施工；监控量测；超前地质预报技术

引言：公路能够为我国城市发展提供基础设施保障，是城市化进程逐渐加快

的现代社会重点建设内容。建设公路时隧道工程属于其中常见工程类型，其施工

复杂程度比较高，受到地质环境差异影响较大，意外频发。隧道监控量测及超前

地质预报作为隧道安全施工的最后一道防线，此时被凸显的极为重要。因此，做

好该项工作不仅能降低地勘以外的不良地质情况对工程造成影响，同时降低了隧

道建设成本。

1公路隧道施工监控量测与超前地质预报技术现状

1.1公路隧道施工监控量测现状

隧道监控量测是新奥法施工中不可或缺的一环，它包括两个监控量测方面，

一个是必测项目，一个是选测项目。对现场监测人员要求较高，需具有一定的岩

土工程基础，并对其他相关学科均要有所涉猎，有较丰富的现场经验，对于突发

情况需及时进行处理或根据现场采集数据的变化情况提供建设性意见。隧道的监

测内容主要是按照隧址区的地质条件来确定的，一般需要监控的项目包括洞内、

洞外的观测，以及拱顶的沉降和周围的变形，在每一次开挖之后，都要进行洞内

和洞外的观测。主要以肉眼辅助简单的仪器为主，通过对掌子面揭露出的地质情

况、初支的工作状态和隧道地表的情况进行初步判断，拱顶下沉及周边位移监控

量测测点应该布置在相同的断面上，测点的数量和布置位置受到隧道地质情况、

跨度及开挖工法影响，原则上每次分布开挖应布置不低于1个拱顶测点及2个周

边位移测点，特殊情况除外，如隧道处于富水区应对隧道进行拱脚下沉测量，主

要借助全站仪、水准仪及收敛计进行数据采集。选测项目一般布置在不良地质段

或者具有代表性断面位置，需要将相应的传感器埋设在隧道工程中的各结构施工

中，实现利用采集器对相关的数据进行采集，成本相对于必测项目较高，通常监

测数据主要用于科研及隧道设计参数优化作用，实际施工过程中布置相对较少，

选测项目的断面布设应于必测项目一致，监测频率与必测项目相同，无论必测还

是选测均以人工为主。

1.2公路隧道施工中超前地质预报现状

由于隧道超前地质预报的方法有很多，可以根据预报距离将其划分为以下几

种类型：短距离预报、中距离预报和长距离预报。代表性的方法主要为地质雷达

法、地震波反射法、电法、红外线法及钻芯法等，其中钻芯法为直接测量法，在

掌子面前方对掌子面后方未知区域进行超前钻孔，通过对取出芯样进行判断，从

而得出掌子面后方围岩的情况，但是该种方法存在以下的缺陷：1、掌子面围岩

硬度较高时钻孔时间较长，严重的影响施工工期，且成本较高。2、掌子面围岩

硬度较低时如全风化~强风化岩层虽然钻孔速度较快，但是需相关工作人员长时

间的在掌子面前方逗留操机，该种围岩自稳能力较差，且钻头钻进的过程中对周

边围岩发生一定程度的扰动，无形中加大了实施过程中的安全风险。因此，市面

上较为流行的方法主要为地质雷达法（电磁波放射法）及TST（地震波反射法），

若隧址为富水区在两种方法的基础上引进直流电法。

2公路隧道施工监控量测与超前地质预报技术思考

2.1技术指标

隧道监控量测必测项目目前主要采用全站仪高程传递法进行拱顶下沉数据采

集，对掌子面前方进行预报的方式，多采用超前地质预报。如地质雷达法及电磁

波反射法。

（1）、高程传递法原理

在测量过程中，用全站仪测得仪器到 A点的间距S

1

及垂直角α

1

，到B点的

间距S

2

及垂直角a

2

，从而得到A点和B点的相对高度Δh

1

及Δh

2

，从而得到测

点B到工作基点A之间的相对高度差Δh

AB

和 B点的高度 HB。

Δh

AB

=Δh

2

+V

2

-

Δh

1

+V

1

（1）

H

B

=H

A

+Δh

AB

（2）

由于 B点是静止的反射装置，所以每一次测得的V

2

都是一个固定的数值。

在每一次测定中，A点均使用相同的工作觇标，故V

1

也是固定值。由式（1）和

式（2）可以看出，在 B点处的高度与第一次测定值的关系，即拱顶沉降Δh：

Δh=Δh

02

-Δh

01

-(Δh

i2

-Δh

i1

)+ΔH

A

（3）

ΔHA=h

iA

-

H

0A

（4）

式中:Δh

02

为初次测量时A点的高差，Δh

01

是B点相对仪器的高差；Δh

i2

为

第i次测量时A点相对仪器的高差，Δh

i1

为B点相对仪器的高差。ΔH

A

为工作基

点的高程变化

图1.1全站仪三角高程法测量沉降原理示意图

（2）地质雷达法原理

在地质雷达中，包括发射单元、接收单元，发射、接收天线，主控器，专用

笔记本计算机，系统专用电源，光纤信号线，其他信号线，数据采集软件，后处

理软件等，这些都是由以下部分组成见图5.1。

图1.2地质雷达组成

利用发射单元将电磁波发送到被测目标，电磁波在传输过程中与具有不同电

性（介电常数、电导率）的界面接触，被接收端接收后，在时域中计算出反射波

及其回程时间，并在两个天线所处的地表上第一个被接收到，从而成为系统的初

始零点。将反射波往返时间的一半，与相应介质的雷达波速度相乘，就可以得到

反射目标所处的深度，再以反射波的形状、线度及其在不同方向上的组合特征为

依据，判断目标性质即进行目标识别。

通过对接收信号的频率、幅度和相位等信息进行分析处理，可以根据目标体

的位置及埋深等数据进行计算。图5.2所示为地质雷达工作原理。

图1.3地质雷达工作原理示意图

在雷达图上，针对缺陷区域显示是通过反射系数的变换所获得的，不同交界

面间的反射系数见式5：

(5)

式中：、分别为交界面之间不同介质的介电常数。

当出现不密实区域时，不管不密实区域是含水或者含空气，空洞区域的介电

常数与成型后的混凝土的介电常数存在较大差异，从而增加了分界面处的反射波

强度，进而可以在雷达图上体现出缺陷区域的深度和范围等数据信息。

（3）电磁波反射法原理

隧道地质超前预报系统TST（Tunnel Seismic Tomography），是一种利用隧

道散射成象的方法，即在隧道两侧围岩中利用隧道内的散射波成象方法，采取接

收与激发的原理确定空间布置的位置。地震波的产生是通过小规模爆破、电火花

等方式来实现的，接收主要是由地震检波器实现的。TST可以对两侧及上、下两

层的地震回波进行甄别，并对其进行过滤，只留下掌子面前的回波，防止虚报；

并给出掌子面前的岩石波速度及地质接触面的精确图像。地震波速度可作为岩体

工程等级划分的基础，而界面可作为地质结构解释的基础。

当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，将

会有一部分地震信号被反射回来，一部分信号在透射进入前方介质。数据信息在

地震波软件的精准、快速处理下，切实了解隧道工作面前方的不良地质体性质、

位置、规模。

2.2技术思考

对于隧道监控量测和隧道超前地质预报而言，无论采用何种方法均无法避免

存在以下问题：1、检测过程中均需要耗费大量的人力物力。2、过程中采集数据

量较大人工处理过程中容易造成遗漏，错失重要数据，资料归档需要占用较大的

空间。3、隧道监控量测均需人员在洞内进行，尤其预警或者围岩较差时在洞内

待的时间更久，检测人员的相关风险增加。

3、隧道监控量测及超前地质预报未来发展

隧道监控量测及超前地质预报是隧道施工过程中无法缺失的一个环节，尤其

是目前主流采用新奥法施工，未来的发展主要在检测技术的更新。一方面发展新

的监测及检测技术，能够更加快速、精确的判断隧道所处的状态及隧道围岩的实

际情况，其发展方向依旧是减少人力、保证操作人员安全的检测技术。虽然监控

量测有自动化监测，但是成本及其他原因未完全进行普及，此方面仍需加强，只

有解放现场检测人员的劳力，让原先能在洞内完成的任务在洞外也能完成，才能

有更多的精力对数据进行研判和分析。

4、结论

隧道超前地质预报及监控量测两项工作均为交叉学科，涉及到多方面的理论、

方法相互融合的工程领域。同时也是一个系统的工作，并非单纯的结构是否异常

的诊断，虽然开挖是否存在风险还需从多方面进行分析，才能在风险掐灭在萌芽

之中，我国的隧道监控量测及超前地质预报发展较晚，目前善缺乏完善的体系。

本文阐述了隧道监控量测及超前地质预报的现状及目前存在的问题，但在实际工

程中还有更多问题有待我们完善。我们要将理论和实践结合起来，才能为隧道的

安全贯通保驾护航。

参考文献：

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