【技术】隧道安全监测系统设计与研究

工程概况

灵岩隧道位于G5512晋新高速公路焦作段，为双向四车道分离式中隧道。隧道设计行车速度为80km/h，建筑限界净宽9.75m（0.75+0.5+3.75×2+0.5+0.5），净高5.0m，洞内路面设计荷载采用汽-超20，挂-120。该路段交通量大、重车超限运输等问题较为突出。

图1 灵岩隧道上行线建筑限界（单位：cm）

灵岩隧道上方地表开挖，晋城端上行线洞口段外侧已形成长约200m、宽80m、深55m的沟谷；洞身及焦作端上方自西向东开挖，范围较大，横跨隧道轴线，最大开挖宽度约260m，深约30m，形成开阔平台；仅晋城端洞口上方局部植被未被开挖破坏。平台上已存在交通便道和临建设施，并存在多处堆载弃渣。

图2 隧道洞身及焦作端上方地表开挖情况

图3 隧道晋城端洞顶地表开挖形成沟谷

图4 隧道焦作端上方地表堆载情况

结合现状分析，隧道上行洞顶山体破坏、弃渣堆载等情况可能对隧道运营安全造成较大影响，不排除严重时会引起隧道主体结构损坏、劣化，进而导致隧道衬砌结构坍塌等事件发生。因此，及时开展灵岩隧道的结构安全性分析评估和长期监测，避免运营安全事故发生是十分必要的。

安全监测在隧道运营过程中的作用

近几十年来世界范围内频发由于设计、建设、监管、养护技术手段不足或由于多种因素的耦合作用等原因导致发生的隧道灾难性事故，这些投入运营的隧道是在没有任何被探知征兆的前提下坍塌的，这些灾难性事故给世界范围内不同的国家和人民造成了巨大的人员伤亡和财产损失。

监测项目及测点布置

根据灵岩隧道项目具体特点，监测项目主要包括：结构沉降监测、结构收敛监测、衬砌应变监测、裂缝发展监测，根据现场情况布置四个监测断面。如下图所示。

图5 监测断面

（1）裂缝发展监测

灵岩隧道衬砌受力导致的结构性裂缝的发展趋势是直观表现隧道结构安全的特征之一，若结构性裂缝持续发展可能对结构整体承载能力造成危害，危及结构安全，因此需对隧道典型裂缝进行监测。

（2）衬砌应变监测

图6 衬砌应变测点布设位置

（3）拱顶沉降及水平收敛监测

灵岩隧道所在山体开挖后，施工扰动、堆载、大量降雨下渗导致围岩压力增大等长期作用下，易导致隧道衬砌结构发生收敛变形，通过对结构收敛发展过程的监测，直观地反映了围岩—支护系统的受力变形情况，可以准确地判断隧道围岩—支护系统的稳定性。

图7 拱顶沉降及水平收敛测点位置

图8 断面1、断面3处沉降及收敛测点布置

图9 断面2、断面4处收敛测点布置

（4）结构沉降监测

灵岩隧道顶部受开挖影响，存在大气降水下渗、上部荷载变化等因素，易导致不同断面存在不同程度的沉降，不均匀沉降持续发展下去，必然会对隧道的结构安全和正常营运造成威胁。因此，有必要通过静力水准仪对隧道结构沉降进行监测，以确定隧道结构沉降的空间状态和时间特征，及时发现结构变化趋势，采取针对性处治措施，保证隧道结构安全。

图10 静力水准仪测点布设位置

监测结果分析

本项目选取灵岩隧道上行线（698m）进行结构长期监测和安全评估，总监测期为两年，数据分析周期为每半个月一次，通过现场自动化设备采集的数据，利用自主研发的监测系统统一接收后，得到各点第一周期的监测结果分别如下，再结合规范要求对结构是否安全做出评估。

（1）衬砌裂缝宽度监测数据

图11 裂缝宽度测点时程曲线

由图11可知，本期监测期间，各测点裂缝宽度在0.927mm～1.103mm之间波动，监测未见明显异常。

（2）衬砌应变监测数据

图12 应变监测数据特征报表

由图12可知，本期应变监测期间，各测点应变最大变化幅值为75.517，监测未见明显异常。

（3）隧道顶部沉降监测数据

图13 拱顶沉降监测数据时程曲线

由图13可知，本期拱顶沉降监测期间，拱顶沉降变化量最大为3.47mm，监测未见明显异常。

（4）隧道水平收敛监测数据

各断面水平收敛测点时程曲线如图14。

图14 断面收敛监测数据时程曲线

由图14可知，本期监测期间，监测断面水平收敛最大变化幅值为5mm，监测未见明显异常。

（5）静力水准沉降监测数据

各断面沉降测点时程曲线如图15。

图15 隧道沉降监测数据时程曲线

由图15可知，本期监测期间，监测断面沉降最大变化幅值为42.45mm，各点监测值在初值上下波动，但波动幅值较大，需进一步观测，确定数据幅度过大原因。

从本期监测数据可以看出：①各测点裂缝宽度变化最大幅值为0.17mm，且变化趋势相同，可能与温度变化密切相关；②各测点应变最大幅值为75.52，断面2西侧测点应变与其他应变测点趋势相反，需进一步观测，根据后期监测数据确定原因；③1号断面及3号断面拱顶沉降变化值最大为3.47mm，未见明显异常；④监测断面水平收敛最大变化幅值为5mm，监测值在初值上下附近波动，属于正常情况；⑤监测断面隧道沉降最大变化幅值为42.45mm，变化值较大，需进一步观察数据变化趋势，必要时需现场排查数据波动幅值过大原因。

安全监测系统在灵岩隧道中的成功应用表明，在隧道运营过程中，为了实时监测隧道的安全状态，需要在关键位置布设必要的监测网点，通过分析各类监测数据的变化情况推断隧道的结构安全性。