摘要 對(duì)納晴高速公路小馬廠隧道與該隧道洞頂鉛鋅尾礦庫(kù)相互影響開展監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。為規(guī)避尾礦在填筑過(guò)程以及隧道在建造過(guò)程中對(duì)各自穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性的相互耦合影響。確保隧道能夠安全建造、結(jié)構(gòu)安全的前提下，鉛鋅尾礦棄方體的穩(wěn)定性也不受影響，特形成洞內(nèi)外聯(lián)合監(jiān)測(cè)及預(yù)警機(jī)制，運(yùn)用了內(nèi)外數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)共享科學(xué)的監(jiān)測(cè)預(yù)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在隧道建設(shè)和尾礦棄渣耦合影響方面起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞 鉛鋅尾礦棄方體;隧道施工;自動(dòng)監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)預(yù)警聯(lián)動(dòng)

中圖分類號(hào) U418.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0013-03

收稿日期：2022-04-02

作者簡(jiǎn)介：解振乙（1985—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：公路工程。

0 引言

在高速公路建設(shè)過(guò)程中隧道難以避免會(huì)穿越大型棄渣場(chǎng)或尾礦庫(kù)區(qū)，給隧道的安全建造和尾礦庫(kù)區(qū)穩(wěn)定性造成了影響，要確保在二者的相互耦合作用下隧道建設(shè)不會(huì)對(duì)正在棄筑的鉛鋅尾礦棄方體穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)正在棄筑的鉛鋅尾礦棄方體，不會(huì)因其自重荷載和側(cè)向推力對(duì)隧道建造和安全方面造成危害[1]。因此就需要通過(guò)科學(xué)的監(jiān)控預(yù)警預(yù)測(cè)手段，指導(dǎo)隧道施工與尾礦棄渣安全生產(chǎn)工作。通過(guò)洞內(nèi)外設(shè)置監(jiān)控監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外數(shù)據(jù)互聯(lián)綜合預(yù)測(cè)、預(yù)警，達(dá)到安全生產(chǎn)科學(xué)施工的目的。

1 隧道與尾礦工程概況

納晴高速公路主線路線全長(zhǎng)約161.6 km，共設(shè)隧道65 229 m/34座，其中特長(zhǎng)隧道30 715 m/8座，橋隧占路線長(zhǎng)度的比例為70.4%。其中小馬廠隧道位于貴州省普安縣白沙鄉(xiāng)境內(nèi)。隧道洞身主體由北東～南西向展布，隧道采用分離式隧道方案，其中左幅起訖里程樁號(hào)ZK140+175～ZK143+065，長(zhǎng)2 890 m;右幅長(zhǎng)2 910 m，隧道最大埋深253 m。該隧道進(jìn)口采用削竹式洞門，出口采用端墻式洞門。離隧道進(jìn)口約500 m，位于隧道正線左側(cè)約100 m處有一鉛鋅尾礦庫(kù)，尾礦庫(kù)投影面積約90 000 m2，最低點(diǎn)海拔高度為1 421.6 m，預(yù)計(jì)棄渣高度為30 m，估算棄渣量為50萬(wàn)m3，新增棄渣將改變巖土受力，影響隧道受力狀況和隧道建設(shè)安全。

2 隧道施工與尾礦庫(kù)區(qū)耦合影響監(jiān)測(cè)意義

依據(jù)實(shí)際調(diào)查和地質(zhì)調(diào)繪結(jié)果可知，該尾礦庫(kù)目前正在持續(xù)性棄渣，隨著棄渣量不斷增加，將改變既有巖石受力狀態(tài)，對(duì)隧道圍巖體將產(chǎn)生加載側(cè)向水平推力，對(duì)隧道建設(shè)安全有一定影響，測(cè)算尾礦庫(kù)棄渣對(duì)隧道施工以及遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)的安全性影響情況?？傮w監(jiān)測(cè)應(yīng)結(jié)合地表尾礦礦區(qū)監(jiān)測(cè)+隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)，根據(jù)相互監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)協(xié)同控制。地表尾礦礦區(qū)采用自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)+深層位移監(jiān)測(cè);隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)采用巡視觀測(cè)+無(wú)接觸儀器，并加密隧道洞內(nèi)施工監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)頻率，針對(duì)隧道開挖、支護(hù)及襯砌段落進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)警隧道異常情況，保證隧道施工安全性的同時(shí)，確保地表尾礦區(qū)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

3 尾礦庫(kù)影響區(qū)地表位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)目的和內(nèi)容

通過(guò)在隧道頂面礦渣堆積表面布設(shè)GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道施工過(guò)程中尾礦庫(kù)影響區(qū)地面位移，評(píng)價(jià)隧道周邊巖層的穩(wěn)定狀況，為隧道施工安全做出預(yù)測(cè)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)區(qū)地表位移變化，無(wú)人值守自動(dòng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。通過(guò)位移變化情況對(duì)尾礦庫(kù)區(qū)進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估和設(shè)置安全預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)，確保庫(kù)區(qū)安全;在各監(jiān)測(cè)面建立起地表位移變化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，工程各方參建單位都能實(shí)時(shí)的了解隧道圍巖的安全狀況，評(píng)價(jià)對(duì)隧道施工的影響程度，指導(dǎo)隧道施工支護(hù)參數(shù)調(diào)整，確保隧道安全建造[2]。通過(guò)地表位移監(jiān)測(cè)與隧道洞內(nèi)量測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控相互耦合，綜合分析為隧道施工安全提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和預(yù)警機(jī)制。

3.2 GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)

GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)屬于三維導(dǎo)航定位系統(tǒng)范疇，是通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)地表站點(diǎn)的位移監(jiān)控?？商峁┤旌?4小時(shí)監(jiān)控，在地球的任意一個(gè)角落，任何一時(shí)間，均可滿足同時(shí)有4顆衛(wèi)星精準(zhǔn)觀測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)提供三維空間坐標(biāo)。其測(cè)量不會(huì)受天氣影響，無(wú)論白天、黑夜、雨天、雪天、霧天都不受影響。同時(shí)測(cè)量還不受地形影響，能夠適應(yīng)不通視條件的險(xiǎn)峻惡劣地形，只需測(cè)站上空開闊即可。滿足供電系統(tǒng)，電源線到達(dá)不了的地方，該系統(tǒng)設(shè)置有太陽(yáng)能發(fā)電板和儲(chǔ)能裝置，保證觀測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，不會(huì)因人力電網(wǎng)系統(tǒng)的中斷或電力系統(tǒng)到不了的地方而受到限制。GNSS的觀測(cè)精度比較高，可達(dá)到毫米級(jí)，與傳統(tǒng)測(cè)量比較有較大優(yōu)勢(shì)，規(guī)避了人為操作測(cè)量?jī)x器的誤差，減少了大量的人力測(cè)量，測(cè)量效率高。不光是測(cè)量領(lǐng)域，GNSS系統(tǒng)還用在導(dǎo)航，測(cè)速、測(cè)時(shí)等領(lǐng)域。

3.3 GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)原理

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），縮寫為GNSS。GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)涉及的工程項(xiàng)目主要有：變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)（基準(zhǔn)站）、不穩(wěn)定體特征點(diǎn)表面位移監(jiān)測(cè)。GNSS系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：GNSS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)最終是通過(guò)用戶接收機(jī)將各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全天候連續(xù)動(dòng)態(tài)地提供給使用者，GNSS工作原理如圖1。

3.4 GNSS現(xiàn)場(chǎng)布置方案

該項(xiàng)目擬設(shè)GNSS觀測(cè)點(diǎn)7個(gè)，采用光伏板供電無(wú)人值守自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。基準(zhǔn)站設(shè)置在尾礦庫(kù)北側(cè)穩(wěn)固視野開闊的平整的基巖上，其地基錨固務(wù)必牢固可靠。根據(jù)鉛鋅尾礦堆砌方向、地形坡度、可能滑動(dòng)趨勢(shì)。沿尾礦區(qū)下低上高的坡面滑動(dòng)趨勢(shì)面，布置1條大體呈環(huán)狀的自動(dòng)化位移監(jiān)測(cè)測(cè)線，測(cè)線上布置6個(gè)衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)點(diǎn)站。平面控制方面采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，采用北京坐標(biāo)系（1954年）;高程控制方面采用獨(dú)立高程系統(tǒng)，運(yùn)用黃海高程系（1956年）。每個(gè)GNSS測(cè)點(diǎn)獨(dú)立接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，分別以GNSS基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，進(jìn)行定期靜態(tài)解算，解算成果轉(zhuǎn)換為1954年北京坐標(biāo)系，并以報(bào)表、過(guò)程線等方式呈現(xiàn)，監(jiān)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體布置如圖2。

3.5 GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和分析

GNSS無(wú)人值守監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理4個(gè)模塊進(jìn)行有機(jī)整合關(guān)聯(lián)，通過(guò)有效算法和數(shù)理處理，最終以數(shù)顯用戶接收終端App呈現(xiàn)給使用人。其中數(shù)據(jù)處理承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)對(duì)三維坐標(biāo)的處理和呈現(xiàn)，包含了坐標(biāo)轉(zhuǎn)化、數(shù)據(jù)平差計(jì)算、數(shù)據(jù)采集格式轉(zhuǎn)化以及成果最終輸出等工作內(nèi)容。數(shù)據(jù)分析及管理，承擔(dān)了變形矢量位移分析、數(shù)據(jù)靈敏度分析、基準(zhǔn)穩(wěn)定性分析、變形分析、空間三維應(yīng)變分析以及參數(shù)的設(shè)置及精度、最終顯示及輸出等任務(wù)[3]，GNSS自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

4 隧道洞內(nèi)監(jiān)測(cè)

為確保小馬廠隧道在建造的過(guò)程中的施工安全，監(jiān)控及預(yù)警地表尾礦的壓重和偏壓荷載對(duì)隧道建造過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)，為隧道建造提供安全建造數(shù)據(jù)支持。根據(jù)隧道的施工方法制定合理的監(jiān)控監(jiān)測(cè)方案，隧道洞內(nèi)監(jiān)控主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：一是通過(guò)巡視觀察，初期支護(hù)變化情況。二是對(duì)洞內(nèi)初期支護(hù)的拱頂下沉、水平位移收斂及仰拱標(biāo)高進(jìn)行監(jiān)測(cè)。進(jìn)而確定尾礦對(duì)隧道的側(cè)向壓重對(duì)隧道建造安全的影響，同時(shí)為隧道施工的支護(hù)參數(shù)調(diào)整、施工方法的選擇及調(diào)整，以及隧道冒頂、塌方、大變形方面提供數(shù)據(jù)支撐和安全預(yù)警[4]，小馬廠隧道地形斷面圖如圖4。

4.1 地質(zhì)與支護(hù)觀察

洞內(nèi)觀察指對(duì)隧道已施作的初期支護(hù)和掌子面開挖后的圍巖進(jìn)行巡視觀察。一般在隧道開挖爆破完掌子面圍巖碴體清理完成后進(jìn)行，采用地質(zhì)羅盤、地質(zhì)錘、放大鏡、數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)對(duì)掌子面圍巖體進(jìn)行觀察和分析。對(duì)于軟弱夾層、掌子面出滲漏水點(diǎn)、圍巖充填體、巖層節(jié)理、傾向、傾角信息詳細(xì)記載。若出現(xiàn)溶洞、暗河通道、巖溶管道等做重點(diǎn)記錄并完成攝像。對(duì)地表進(jìn)行踏勘、走訪、調(diào)研，了解與隧道有無(wú)貫通，重點(diǎn)記錄留檔。對(duì)于已支護(hù)完成的初期支護(hù)段落，每天專人進(jìn)行初支面外觀觀察，詳細(xì)記錄是否有開裂、蹦殼、滲漏水現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)，則需定點(diǎn)重點(diǎn)觀察，實(shí)時(shí)記錄發(fā)展趨勢(shì)以及矢量變化情況。對(duì)于鋼拱架的接頭位置要重點(diǎn)觀察，主要查看連接板有無(wú)開裂張口，工字鋼有無(wú)變形扭曲。仰拱有無(wú)底鼓，翹曲開裂、滲水等現(xiàn)象。

4.2 拱頂下沉及周邊收斂量測(cè)

4.2.1 監(jiān)測(cè)斷面埋設(shè)及測(cè)點(diǎn)布置

拱頂下沉量測(cè)及周邊收斂是監(jiān)測(cè)隧道支護(hù)和圍巖變形情況，根據(jù)隧道具體開挖方法，該段隧道設(shè)計(jì)采用臺(tái)階發(fā)開挖，圍巖為Ⅳ級(jí)，因此監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位，按照監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)間距為5～10 m，拱頂沉降測(cè)點(diǎn)在隧頂布設(shè)2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，周邊位移每臺(tái)階布設(shè)一對(duì)測(cè)點(diǎn)。量測(cè)點(diǎn)應(yīng)錨入基巖不小于30 cm深，確保錨固穩(wěn)定，同時(shí)測(cè)量標(biāo)識(shí)應(yīng)醒目，避免隧道洞內(nèi)操作人員及施工機(jī)械誤傷破壞。測(cè)量點(diǎn)靶心應(yīng)采用滿足測(cè)量?jī)x器要求的反光膜靶心貼標(biāo)，確保測(cè)量方便快捷。對(duì)于軟弱夾層段落地質(zhì)變化段，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)位應(yīng)適當(dāng)加密。根據(jù)圍巖的動(dòng)態(tài)調(diào)整，若現(xiàn)場(chǎng)施工工法進(jìn)行了調(diào)整，測(cè)量點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)根據(jù)規(guī)范做相應(yīng)的調(diào)整。

4.2.2 監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)測(cè)量?jī)x器的不斷迭代升級(jí)，測(cè)量方式和精度不斷提高，該隧道均采用非接觸免棱鏡光學(xué)測(cè)量方法進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)采用隧道施工坐標(biāo)系，應(yīng)布置于相對(duì)已穩(wěn)定的仰拱或二襯段。測(cè)量?jī)x器的選擇應(yīng)為精度在2"以內(nèi)的免棱鏡全站儀，測(cè)距精度應(yīng)達(dá)到±（2 mm+2×10-6）以內(nèi)。測(cè)量方法采用三維坐標(biāo)自動(dòng)儲(chǔ)存讀取、傳送，進(jìn)行空間及水平收斂數(shù)據(jù)采集及后臺(tái)算法處理。

4.3 隧道監(jiān)控量測(cè)預(yù)警管理

（1）根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/3660—2020）隧道監(jiān)控量測(cè)預(yù)警管理是根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)綜合對(duì)圍巖體溫度性進(jìn)行判斷，通過(guò)拱頂下沉數(shù)據(jù)、水平收斂數(shù)據(jù)收斂分析，對(duì)隧道進(jìn)行施工及安全的預(yù)警及指導(dǎo)施工。按照位移測(cè)量等級(jí)管理，對(duì)于隧道位移量的變化按表1執(zhí)行。

（2）根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)施工。監(jiān)控量測(cè)速率變化的大小直接反應(yīng)圍巖位移變化的劇烈程度，也直接與施工安全生產(chǎn)息息相關(guān)，通過(guò)地表尾礦位移監(jiān)測(cè)情況結(jié)合隧道洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)情況，可對(duì)隧道施工的安全進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)位移速率大于1 mm/d時(shí)，則反映隧道圍巖處于劇烈的變形狀態(tài)，加強(qiáng)初期支護(hù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并注意施工安全;當(dāng)位移速率大于1～0.2 mm/d時(shí)，則反映隧道圍巖處于緩慢變形狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，做好加固準(zhǔn)備;當(dāng)位移速率小于0.2 mm/d時(shí)，則反映隧道圍巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）隧道二襯施作條件。二次襯砌施工應(yīng)是在隧道圍巖及初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后，根據(jù)監(jiān)控量測(cè)位移速率變化情況，還應(yīng)具備：隧道水平收斂位移速率小于0.2 mm/d，拱頂下沉速率小于0.15 mm/d。隧道位移的相對(duì)量，已達(dá)到總量的90%以上，回歸曲線分析處于穩(wěn)定狀態(tài)。二次襯砌施作條件，除根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況因地因時(shí)，確定二次襯砌施作時(shí)間。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)納晴高速公路小馬廠隧道與該隧道洞頂鉛鋅尾礦庫(kù)耦合影響開展監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。為規(guī)避尾礦在填筑的過(guò)程中對(duì)側(cè)下方隧道施工襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響，以及隧道建造的過(guò)程中對(duì)尾礦穩(wěn)定性方面的相互耦合作用影響，不會(huì)因棄方體的加載應(yīng)力和側(cè)向推力對(duì)隧道施工產(chǎn)生危害。在洞內(nèi)和洞外建立聯(lián)合監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及預(yù)警機(jī)制，通過(guò)洞外鉛鋅尾礦棄方體上布設(shè)高精度GNSS自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，洞內(nèi)專項(xiàng)建立開挖、初支、襯砌監(jiān)控監(jiān)測(cè)體系，達(dá)到了內(nèi)外聯(lián)動(dòng)數(shù)據(jù)共享綜合分析。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)隧道施工和鉛鋅尾礦棄方進(jìn)行科學(xué)、高精度數(shù)據(jù)預(yù)警和監(jiān)控，起到了良好的效果。

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