羅 昊, 陳宇波, 何 剛, 鄧 飛

(1. 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400039; 2. 中建隧道建設(shè)有限公司， 重慶 401320；3. 四川金通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

隨著我國(guó)西南地區(qū)高速公路、高速鐵路和城際軌道等重點(diǎn)工程建設(shè)熱潮的到來(lái)，該地區(qū)山嶺隧道建設(shè)進(jìn)入了高峰期。變形監(jiān)測(cè)是保障山嶺隧道安全建設(shè)和成功運(yùn)營(yíng)的重要手段[1-2]，目前圍巖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)形式多樣，但可歸納分為人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)2大類。變形監(jiān)測(cè)要求應(yīng)用的技術(shù)可連續(xù)、多頻次地及時(shí)覆蓋被測(cè)目標(biāo)，獲取變形數(shù)據(jù)，以供決策[3]。人工監(jiān)測(cè)速度慢、效率低、精度受監(jiān)測(cè)人員水平影響較大，如今長(zhǎng)距離、大斷面、穿越復(fù)雜地質(zhì)段的山嶺隧道工程越來(lái)越多，變形監(jiān)測(cè)的工作任務(wù)十分艱巨，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)對(duì)這種長(zhǎng)距離、大面積、密集點(diǎn)的監(jiān)測(cè)對(duì)象顯得十分無(wú)力[4-5]。

相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)，自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)高精度、連續(xù)多頻次監(jiān)測(cè)，并且與軟件平臺(tái)結(jié)合良好，故自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越多地被引入變形觀測(cè)工作中。李欣等[6]證明Sinco公司的巴塞特測(cè)量系統(tǒng)在收斂監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用效果。劉紹棠等[7]在山嶺隧道中實(shí)現(xiàn)了靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的智能遠(yuǎn)程遙測(cè)，平均誤差僅0.01 mm，優(yōu)于人工水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)效果。潘國(guó)榮等[8]運(yùn)用多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人試驗(yàn)無(wú)人值守的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度較高。郭一詩(shī)[9]提出了一種融合三維激光掃描和攝影測(cè)量的車載式全斷面測(cè)量系統(tǒng)，可高速提取隧道斷面輪廓變形信息。激光傳感器被周奇才等[10]設(shè)計(jì)加工成一體化收斂測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)用效果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期、高頻率的監(jiān)測(cè)工作。光纖變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)近年來(lái)成為研究熱點(diǎn)，趙勇等[4]利用布拉格光柵傳感器在佛山地鐵隧道中布設(shè)了分布式變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)靈敏度高。尹龍等[11]在京石客專六線隧道中成功運(yùn)用BOTDR監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了深部圍巖變形監(jiān)測(cè)，精度與位移計(jì)相當(dāng)。綜上，針對(duì)眾多自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)方法已有不少的研究，但上述各類方法均存在一定局限性，故自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)尚未普及。

目前，大多數(shù)應(yīng)用者對(duì)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)投入和產(chǎn)出方面的認(rèn)識(shí)，還處于粗放狀態(tài)，很多自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目沒有系統(tǒng)、客觀地進(jìn)行效益分析，而一味地投入高新尖的監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而造成了經(jīng)濟(jì)成本過高、技術(shù)參數(shù)上又存在浪費(fèi)的局面。還有一些觀點(diǎn)認(rèn)為傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)非常成熟沒有必要運(yùn)用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，從而失去了獲得良好效益的機(jī)會(huì)。從近年的文獻(xiàn)資料來(lái)看，已有學(xué)者對(duì)各類隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)介紹[12]，分析了人工監(jiān)測(cè)技術(shù)的普遍缺點(diǎn)，描述了各類自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性，但并沒有做全面的對(duì)比分析，各類技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)還不明確，且在成本層面上鮮有相關(guān)報(bào)道，這不利于隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。

針對(duì)以上情況，本文結(jié)合近5年收集到的技術(shù)、設(shè)備價(jià)格資料和西南地區(qū)數(shù)十條山嶺隧道監(jiān)控量測(cè)運(yùn)營(yíng)成本和投標(biāo)資料，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益2個(gè)方面對(duì)比分析人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并根據(jù)對(duì)比分析結(jié)果提出在目前技術(shù)、經(jīng)濟(jì)水平下效益最優(yōu)的變形監(jiān)測(cè)選用方案，同時(shí)輔以實(shí)例說明，以期為現(xiàn)階段優(yōu)化西南地區(qū)山嶺隧道工程監(jiān)測(cè)技術(shù)提供相關(guān)參考。本文主要討論的測(cè)試參數(shù)為鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)規(guī)范[13]中的必測(cè)項(xiàng)目，即洞口地表沉降、洞內(nèi)拱頂沉降和凈空水平收斂。

1 人工監(jiān)測(cè)技術(shù)

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)主要使用水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)和全站儀進(jìn)行變形觀測(cè)。水準(zhǔn)儀和收斂計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格不高，但因是接觸式測(cè)量，對(duì)于高、大斷面，水準(zhǔn)儀的鋼尺懸掛十分困難，收斂計(jì)無(wú)法測(cè)量高位置測(cè)線，且對(duì)施工作業(yè)有一定干擾。全站儀使用較方便，可以對(duì)各類型斷面的任意位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但效率仍較低。

另外，目前低成本的人工式近景攝影測(cè)量和便攜式激光測(cè)距儀在變形監(jiān)測(cè)中也有了很多應(yīng)用。近景攝影測(cè)量使用經(jīng)校驗(yàn)的普通數(shù)碼相機(jī)在短時(shí)間獲取一定范圍內(nèi)大量測(cè)點(diǎn)的三維位置數(shù)據(jù)，精度可達(dá)mm級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)操作便捷，但后期處理內(nèi)業(yè)工作量較大[14]。參考收斂計(jì)測(cè)量原理，可運(yùn)用便攜式激光測(cè)距儀進(jìn)行隧道變形測(cè)量[15]，操作簡(jiǎn)單，測(cè)速很快。由于上述2種技術(shù)精度受環(huán)境影響明顯，易發(fā)生較大偏差，還有待進(jìn)一步改進(jìn)，故未廣泛運(yùn)用。

2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前主要應(yīng)用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)有巴塞特收斂測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、測(cè)量機(jī)器人、三維激光掃描和自動(dòng)化攝影測(cè)量、自動(dòng)化激光測(cè)距變形監(jiān)測(cè)以及光纖變形監(jiān)測(cè)。

巴塞特收斂測(cè)量系統(tǒng)采用固定在斷面上帶傾角計(jì)的組合臂測(cè)定收斂，精度高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)，但傳感器昂貴，單斷面布設(shè)費(fèi)用在3～4萬(wàn)； 自動(dòng)靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的遙測(cè)，但只能進(jìn)行沉降觀測(cè)； 測(cè)量機(jī)器人本質(zhì)是自動(dòng)化的全站儀，可遠(yuǎn)程獲取測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化，但單臺(tái)布置于測(cè)站后同全站儀一樣觀測(cè)距離有限； 三維激光掃描能快速獲取海量目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，提供較全面、生動(dòng)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)車載式，但數(shù)據(jù)量大，內(nèi)業(yè)處理時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備價(jià)格也高，為50～120萬(wàn)/臺(tái)； 自動(dòng)化近景攝影測(cè)量和自動(dòng)化激光測(cè)距變形監(jiān)測(cè)分別是相機(jī)和激光測(cè)距儀加裝自動(dòng)化操控和傳輸裝置，以較低的經(jīng)濟(jì)成本實(shí)現(xiàn)原有技術(shù)升級(jí)，但原有技術(shù)的一些局限性仍在。

光纖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)最早運(yùn)用SOFO點(diǎn)式傳感器，分辨率高達(dá)2×10-3mm，單個(gè)傳感器價(jià)格需0.1～0.3萬(wàn)。目前運(yùn)用較多的是FBG傳感器，可實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)，但本質(zhì)上亦是點(diǎn)式傳感器，單個(gè)傳感器價(jià)格不低于0.07萬(wàn)。在大、長(zhǎng)隧道中布設(shè)SOFO和FBG傳感器不經(jīng)濟(jì)也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近來(lái)分布式光纖技術(shù)發(fā)展迅速，其光纖既是傳感介質(zhì)又是傳輸通道，解決了點(diǎn)式存在的漏檢問題，空間分辨率可達(dá)0.1 m。傳輸距離最遠(yuǎn)為幾十km[12]，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，且成本低廉，所用光纖一般在2～8元/m，故其在大、長(zhǎng)、復(fù)雜隧道的變形監(jiān)測(cè)中具有優(yōu)勢(shì)。光纖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)均需配置解調(diào)儀，SOFO和FBG在20萬(wàn)以上，分布式則在75萬(wàn)以上，設(shè)備投入高昂。

3 技術(shù)效益分析

通過對(duì)比各人工及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)特征(見表1)，不同自動(dòng)化技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，但總體上自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)技術(shù)具有優(yōu)越性，可提升監(jiān)測(cè)效率、范圍和精度。一方面，隧道長(zhǎng)度越長(zhǎng)，斷面越大，圍巖等級(jí)越高，工程監(jiān)測(cè)頻次、斷面數(shù)量和測(cè)點(diǎn)密度就越大，人工監(jiān)測(cè)觀測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于自動(dòng)監(jiān)測(cè)，故自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)的效率優(yōu)勢(shì)也就越明顯，同時(shí)觀測(cè)的范圍也要大得多。另一方面，人工監(jiān)測(cè)設(shè)備由不同經(jīng)驗(yàn)水平的人員操作，所測(cè)數(shù)據(jù)的精度差距明顯，而自動(dòng)化設(shè)備則不存在此類問題，且多類自動(dòng)化設(shè)備精度和分辨率指標(biāo)高于傳統(tǒng)人工設(shè)備，故總體上自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的觀測(cè)精度更可靠。

注： 1)FBG和分布式光纖測(cè)值為應(yīng)變值，故不列出位移量精度； 2)監(jiān)測(cè)范圍是指滿足監(jiān)測(cè)要求精度下的最大觀測(cè)范圍，按觀測(cè)方式分為單斷面觀測(cè)和多斷面觀測(cè)，多斷面觀測(cè)下的觀測(cè)范圍指觀測(cè)距離； 3)抗干擾能力指對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性，特別是對(duì)低能見度、高/低溫和高濕度的適應(yīng)性。

但是需指出的是，在施工隧道中，爆破和施工機(jī)械作業(yè)容易對(duì)自動(dòng)化設(shè)備造成嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生的振動(dòng)及煙塵會(huì)極大地影響監(jiān)測(cè)的精度，故自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)在施工隧道中的應(yīng)用受到了很大制約，監(jiān)測(cè)時(shí)需避開施工時(shí)間，并盡量選用如光纖這種埋入式或可移動(dòng)式的自動(dòng)化技術(shù)。

綜上，從技術(shù)效益來(lái)看，巴塞特系統(tǒng)、測(cè)量機(jī)器人和SOFO、FBG光纖可用于重要斷面、區(qū)間的高精度監(jiān)測(cè)，不適用于大、長(zhǎng)范圍的施工隧道；靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)只能用于單一沉降高精度監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化激光測(cè)距和近景攝影測(cè)量適用觀測(cè)環(huán)境較好的工程；三維激光掃描儀則適用于采樣時(shí)間緊張，又有大量測(cè)點(diǎn)的大、長(zhǎng)隧道； 分布式光纖運(yùn)用于大、長(zhǎng)隧道的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)有良好的效果。需注意的是，分布式光纖和FBG的監(jiān)測(cè)結(jié)果為應(yīng)變值，目前應(yīng)變值轉(zhuǎn)換位移值的準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步研究。實(shí)際運(yùn)用時(shí)需根據(jù)工程情況，如被監(jiān)測(cè)物的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)、所處環(huán)境、監(jiān)測(cè)目的和所需參數(shù)等，綜合考慮，選擇一種或多種手段。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在變形監(jiān)測(cè)技術(shù)選擇時(shí)，除要從技術(shù)方面考慮，成本亦是需要考慮的重要因素。詳細(xì)列出不同類型隧道各變形監(jiān)測(cè)手段的成本是不現(xiàn)實(shí)的。隧道長(zhǎng)度、斷面大小和圍巖等級(jí)是決定變形監(jiān)測(cè)工作量、監(jiān)測(cè)等級(jí)和精度要求的重要因素，而施工和運(yùn)營(yíng)期不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境也對(duì)成本有很大影響。通常情況下施工監(jiān)測(cè)的頻次高，而運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)的精度要求更嚴(yán)格，監(jiān)測(cè)人力、設(shè)備和耗材費(fèi)用主要受上述隧道長(zhǎng)度等因素影響。故本研究分別在施工和運(yùn)營(yíng)2大類隧道下按長(zhǎng)度、斷面大小和圍巖等級(jí)3個(gè)影響因素，劃分出典型隧道類型，并基于近年來(lái)西南地區(qū)40余處監(jiān)測(cè)工程成本資料及通過電話、網(wǎng)絡(luò)等手段多方詢價(jià)到的成本資料，建模計(jì)算出現(xiàn)階段西南地區(qū)山嶺隧道較合理的監(jiān)測(cè)成本。監(jiān)測(cè)內(nèi)容為必測(cè)項(xiàng)目： 洞內(nèi)拱頂沉降和凈空水平收斂。洞口地表沉降在山嶺隧道變形監(jiān)測(cè)工作中所占比例小，不同類型隧道洞口布點(diǎn)形式和數(shù)量也相差不大，故為突出成本對(duì)比，不考慮測(cè)算洞口地表沉降參數(shù)，靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)也不納入成本討論范圍。

4.1 施工隧道監(jiān)測(cè)

施工監(jiān)測(cè)中，將斷面大小和圍巖等級(jí)因素轉(zhuǎn)化為測(cè)點(diǎn)數(shù)量和斷面密度，共歸納為3類： 1)3點(diǎn)(1個(gè)拱頂沉降點(diǎn)，1對(duì)收斂測(cè)線)，斷面距為30 m； 2)5點(diǎn)(1個(gè)拱頂沉降點(diǎn)，2對(duì)收斂測(cè)線或3個(gè)拱頂沉降點(diǎn)，1對(duì)收斂測(cè)線)，斷面距為20 m； 3)7點(diǎn)(3個(gè)拱頂沉降點(diǎn)，2對(duì)收斂測(cè)線)，斷面距為10 m。

為利于比較成本，設(shè)定3類監(jiān)測(cè)斷面在同一隧道長(zhǎng)度下數(shù)量相等，特長(zhǎng)、長(zhǎng)、中長(zhǎng)和短隧道長(zhǎng)度分別取5 340、2 640、840、240 m，即每類斷面在上述長(zhǎng)度隧道中分別對(duì)應(yīng)為90、45、15、5個(gè)。5 340、2 640、840、240 m的隧道測(cè)算模型中分別有270、135、45和15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，工期按經(jīng)驗(yàn)依次取3年、2年、1年和100 d。具體測(cè)算成本如表2所示。表中成本已計(jì)入人、機(jī)、料和措施費(fèi)，不考慮管理費(fèi)。設(shè)備和材料成本取市場(chǎng)上的低位值，設(shè)備折舊年限按3年計(jì)，為方便比較，折算出每延米成本。巴塞特系統(tǒng)價(jià)高又不易保護(hù)，近幾年未見施工應(yīng)用案例，故不做測(cè)算。表2中除特長(zhǎng)隧道外，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的主要設(shè)備(測(cè)量機(jī)器人、掃描儀、相機(jī)和光纖解調(diào)儀)及配套按1套考慮，采取移動(dòng)監(jiān)測(cè)，避免多臺(tái)設(shè)備增加成本； 特長(zhǎng)隧道設(shè)備移動(dòng)困難，計(jì)算時(shí)考慮2套計(jì)入設(shè)備成本。

結(jié)合表2分析，對(duì)于短隧道和中長(zhǎng)隧道，人工監(jiān)測(cè)費(fèi)用均低于自動(dòng)監(jiān)測(cè)。對(duì)于長(zhǎng)隧道，總體上，人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)成本差距有所縮減，自動(dòng)化近景攝影測(cè)量和自動(dòng)激光測(cè)距技術(shù)的成本已經(jīng)低于各人工監(jiān)測(cè)方法。而在特長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)中，除自動(dòng)化近景攝影測(cè)量和自動(dòng)化激光測(cè)距技術(shù)外，其他自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)成本較于人工監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)成本優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)化近景攝影測(cè)量和自動(dòng)化激光測(cè)距技術(shù)在長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道中成本具有優(yōu)勢(shì)是因?yàn)樵O(shè)備成本低。而特長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)中除上述2類技術(shù)，其他自動(dòng)化技術(shù)成本不僅相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)成本更高，也高于相應(yīng)長(zhǎng)隧道中各技術(shù)類型，這是因?yàn)樵黾恿?套價(jià)格昂貴的設(shè)備。而山嶺長(zhǎng)大隧道規(guī)模越大，輔助坑道、施工面就會(huì)增多，就需要更多的設(shè)備投入，費(fèi)用便十分高昂，這無(wú)疑是制約施工隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用的主要因素。

綜上，從成本角度看，在施工隧道監(jiān)測(cè)工程中，現(xiàn)階段主要還是推薦使用人工監(jiān)測(cè)，但長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道建議可使用自動(dòng)化近景攝影測(cè)量和自動(dòng)化激光測(cè)距技術(shù)。

表2 施工隧道不同監(jiān)測(cè)技術(shù)成本測(cè)算

注： 自動(dòng)化激光測(cè)距儀在二次襯砌施作前回收繼續(xù)用于下段初期支護(hù)，以節(jié)約成本。光纖傳感器按埋入考慮，不回收。

4.2 一般運(yùn)營(yíng)隧道監(jiān)測(cè)

運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中，目前尚未有規(guī)范強(qiáng)制規(guī)定監(jiān)測(cè)斷面間距和點(diǎn)位數(shù)。一般運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)與施工監(jiān)測(cè)最大的區(qū)別是監(jiān)測(cè)頻率明顯降低。本文一般運(yùn)營(yíng)期監(jiān)測(cè)計(jì)算模型仍按施工監(jiān)測(cè)計(jì)算模型建立，但監(jiān)測(cè)頻率取1季度1次，監(jiān)測(cè)期為2年。成本計(jì)算如表3所示，在短隧道和中長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)中，總體上人工監(jiān)測(cè)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)，這與施工監(jiān)測(cè)一樣。不同于施工監(jiān)測(cè)的是，對(duì)于長(zhǎng)和特長(zhǎng)隧道，總體上，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)對(duì)于人工監(jiān)測(cè)卻沒有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，只有自動(dòng)化近景攝影測(cè)量技術(shù)成本低于各人工監(jiān)測(cè)技術(shù)。另外，測(cè)量機(jī)器人、三維激光掃描儀技術(shù)成本在特長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)中對(duì)比人工監(jiān)測(cè)，其成本在應(yīng)用中也是能接受的。故一般運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)中仍建議以傳統(tǒng)人工方式為主，但是在特長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)中，從成本上看，自動(dòng)化近景攝影測(cè)量技術(shù)、測(cè)量機(jī)器人和三維激光掃描儀亦是可以考慮運(yùn)用的。當(dāng)然，如果在施工監(jiān)測(cè)時(shí)使用的是光纖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)，繼續(xù)使用光纖技術(shù)，成本會(huì)大大降低，并且實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、快速的施工加運(yùn)營(yíng)全周期監(jiān)測(cè)。

表3 一般運(yùn)營(yíng)隧道不同監(jiān)測(cè)技術(shù)成本測(cè)算

注： 巴塞特系統(tǒng)、自動(dòng)化激光測(cè)距和光纖傳感器在運(yùn)營(yíng)隧道中需固定位置，光纖傳感器按埋入考慮。其他自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備在監(jiān)測(cè)中均需按測(cè)站移動(dòng)，避免使用多臺(tái)設(shè)備，增加成本。

4.3 重點(diǎn)保護(hù)段監(jiān)測(cè)

重點(diǎn)保護(hù)段是指下穿、上跨既有重要交通線，鄰近重要建筑物基礎(chǔ)或處于高地應(yīng)力、富水和地?zé)岬葟?fù)雜地質(zhì)情況下的高風(fēng)險(xiǎn)隧道段，區(qū)別于一般運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)保護(hù)段運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)頻次明顯增加，一般需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

本文計(jì)算模型按長(zhǎng)度200 m，斷面間距10 m，共計(jì)21個(gè)斷面，每斷面7個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)頻率按2次/d，監(jiān)測(cè)期為2年，具體成本測(cè)算如表4所示。由表可見，人工監(jiān)測(cè)技術(shù)成本最低為激光測(cè)距儀(1 710元/延米)，而自動(dòng)化技術(shù)成本中只有巴塞特收斂系統(tǒng)、三維激光掃描和分布式光纖技術(shù)因?yàn)樵O(shè)備昂貴而成本高于上述值，這說明自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段在重點(diǎn)保護(hù)段監(jiān)測(cè)中總體上是具有成本優(yōu)勢(shì)的。這主要是107 310點(diǎn)次的工作量使人工成本顯著提高，例如同樣是激光測(cè)距儀技術(shù)，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)成本為1 190元/延米，僅是人工監(jiān)測(cè)的69.6%。

表4重點(diǎn)保護(hù)段隧道不同監(jiān)測(cè)技術(shù)成本測(cè)算

Table 4 Cost prediction for key section of tunnel with various deformation monitoring technology

監(jiān)測(cè)方式 成本測(cè)算/(元/延米)人工監(jiān)測(cè)水準(zhǔn)儀與收斂計(jì)2 020全站儀(0.5 s)2 245近景攝影測(cè)量1 905激光測(cè)距儀1 710自動(dòng)化監(jiān)測(cè)巴塞特收斂系統(tǒng)4 910測(cè)量機(jī)器人1 660三維激光掃描儀3 035自動(dòng)化近景攝影測(cè)量1 310自動(dòng)化激光測(cè)距1 190SOFO光纖1 470FBG光纖1 235分布式光纖2 670

注： 巴塞特系統(tǒng)、自動(dòng)化激光測(cè)距和光纖傳感器在運(yùn)營(yíng)隧道中需固定位置，光纖傳感器按埋入考慮。其他自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備在監(jiān)測(cè)中均需按測(cè)站移動(dòng)，避免使用多臺(tái)設(shè)備，增加成本。

從成本上來(lái)看，重點(diǎn)保護(hù)段運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)推薦使用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，可選用的技術(shù)有測(cè)量機(jī)器人、自動(dòng)化激光測(cè)距、自動(dòng)化近景攝影測(cè)量、SOFO光纖和FBG光纖。其中，測(cè)量機(jī)器人、自動(dòng)化激光測(cè)距和FBG光纖也是目前實(shí)際工程中應(yīng)用較多的。對(duì)于分布式光纖技術(shù)，如原安設(shè)有此項(xiàng)技術(shù)，則可考慮繼續(xù)使用。

5 實(shí)例分析

通過上述不同隧道變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析，擬定了變形監(jiān)測(cè)技術(shù)選擇流程： 1)根據(jù)工程性質(zhì)確定監(jiān)測(cè)技術(shù)要求參數(shù)； 2)對(duì)應(yīng)技術(shù)要求參數(shù)，選出符合的技術(shù)類型； 3)計(jì)算出運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)類型或技術(shù)類型組合的成本； 4)根據(jù)實(shí)際需求，選擇成本最優(yōu)、技術(shù)參數(shù)符合或成本可接受、技術(shù)參數(shù)最佳的技術(shù)方案。

上述選擇流程在重慶市郊鐵路縉云山2#隧道K2+133～K1+933溶洞發(fā)育重點(diǎn)保護(hù)段運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)技術(shù)方案選用中予以運(yùn)用。此段為梨樹坪斷層影響區(qū)，又發(fā)育有白云巖砂化的大型巖溶，施工監(jiān)測(cè)過程中進(jìn)行了2次紅色預(yù)警。在襯砌完成后，發(fā)現(xiàn)在地表降雨增多后，原本無(wú)水的泄水孔出現(xiàn)股狀含砂地下水。為保障此段在施工質(zhì)量保證期內(nèi)安全可控，故增加2年的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)精度要求為1 mm，頻次為2 次/d，監(jiān)測(cè)段共計(jì)200 m，斷面間距10 m。由于斷面較大，每斷面設(shè)計(jì)7點(diǎn)，即3個(gè)拱頂沉降點(diǎn)和2條水平收斂測(cè)線。

按選擇流程，首先按監(jiān)測(cè)精度和頻次要求，結(jié)合表1分析，除三維激光掃描儀精度不滿足外，其他均符合要求。由于本運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)工程和本文4.3節(jié)重點(diǎn)保護(hù)段運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)計(jì)算模型一樣，故成本計(jì)算參考表4，最后選擇成本最低，精度可滿足監(jiān)測(cè)需求的自動(dòng)化激光測(cè)距技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用效果令人滿意。

6 結(jié)論與討論

本文分析對(duì)比了山嶺隧道不同變形監(jiān)測(cè)方式的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益，彌補(bǔ)了現(xiàn)有文獻(xiàn)中各類監(jiān)測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)不明確，且未在成本層面上對(duì)比分析的不足，這對(duì)現(xiàn)階段西南地區(qū)山嶺隧道工程中變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的選用和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展十分有意義。由上文研究得到以下結(jié)論。

1)不同變形監(jiān)測(cè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，整體上自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相對(duì)于人工監(jiān)測(cè)在技術(shù)效果上更符合隧道變形監(jiān)測(cè)的用意，即動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警。目前設(shè)備成本和施工作業(yè)干擾是限制自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)廣泛使用的主要原因。受制于技術(shù)現(xiàn)狀和經(jīng)濟(jì)水平，人工與自動(dòng)化相互結(jié)合、互相驗(yàn)證和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)應(yīng)是目前監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的方向。

2)選擇變形監(jiān)測(cè)技術(shù)的流程可參考步驟為： 首先，需根據(jù)工程性質(zhì)確定監(jiān)測(cè)技術(shù)要求參數(shù)，再選出符合的技術(shù)類型；然后，計(jì)算出運(yùn)用各項(xiàng)技術(shù)類型或技術(shù)類型組合的成本；最后，根據(jù)實(shí)際需求，選擇成本最優(yōu)、技術(shù)參數(shù)符合或成本可接受、技術(shù)參數(shù)最佳的一種或多種技術(shù)組合的監(jiān)測(cè)方案。

3)現(xiàn)階段施工和一般運(yùn)營(yíng)隧道仍建議主要采用人工監(jiān)測(cè)，可引入信息化技術(shù)以提升效率； 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)段落可考慮引入自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如考慮大范圍運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)，長(zhǎng)、特長(zhǎng)施工隧道中可選用自動(dòng)化激光測(cè)距系統(tǒng)和自動(dòng)化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)；特長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)隧道監(jiān)測(cè)中，可考慮使用三維激光掃描儀、測(cè)量機(jī)器人和自動(dòng)化近景攝影測(cè)量技術(shù)；而重點(diǎn)保護(hù)段運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)可選用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)有測(cè)量機(jī)器人、自動(dòng)化近景攝影測(cè)量、自動(dòng)化激光測(cè)距、SOFO和FBG光纖。

本文研究也存在以下不足，需進(jìn)一步研究。

1)由于成本測(cè)算的復(fù)雜性，本文分析過程較為簡(jiǎn)略，沒有細(xì)分出人、機(jī)、料和措施費(fèi)。

2)由于經(jīng)濟(jì)成本與地域、人力資源和技術(shù)更新密切，本研究資料來(lái)源為近年西南地區(qū)，故成本效益只代表西南地區(qū)現(xiàn)階段水平。隨著科技迅速發(fā)展，監(jiān)測(cè)技術(shù)更新會(huì)愈加快速，未來(lái)數(shù)年內(nèi)技術(shù)效益也可能發(fā)生巨大變動(dòng)，目前價(jià)格高昂的設(shè)備價(jià)格也會(huì)隨之降低。另外，不同類型隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目也有所區(qū)別。故本研究成果可為現(xiàn)階段西南地區(qū)山嶺隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)選擇提供一定參考，對(duì)其他地區(qū)、其他類型和數(shù)年后隧道項(xiàng)目甄選監(jiān)測(cè)方法的借鑒作用有一定的局限性，但相關(guān)應(yīng)用者可參考本文研究模式收集相關(guān)最新資料進(jìn)行探討后作出理性選擇。

3)目前，市場(chǎng)上又出現(xiàn)了如加拿大Shape Accel Array柔性線纜變形監(jiān)測(cè)技術(shù)、英國(guó)Senceive設(shè)計(jì)的嵌入式無(wú)線傳感器和日本佐藤工業(yè)開發(fā)的隧道開挖面變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等新型自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，但由于缺乏詳細(xì)的資料，故未在本文進(jìn)行討論。