岩土工程监测技术与动态设计方法的新进展
(中铁西南科学研究院)摘要本文在分析总结国内外岩土工程监测技术领域的历史、现状和发展趋势的基础上，综合论述了岩土工程监测技术项目规划要点、数据采集和处理手段、信息管理系统以及动态设计(或称信息化设计)原理和方法，指出了国内在这些领域的进步和发展，以及一些仍需解决的问题。
由于岩(土)体的地质结构体系和生存环境极其复杂，且具有许多的不确定因素，其物理力学参数也往往很难确定和获得，因此岩土工程共同作用体系的安全可靠和稳定性定量分析相当困难，传统工程设计难以适应水文地质条件的变化，经常导致工程进展缓慢，工程造价较大，或者诱发工程安全和质量事故。
随着岩土工程修建技术的不断进步，以及对岩土工程体系力学机理的认识和研究逐步深入，人们开始认同和应用通过对共同作用体系的施工力学行为的监测来保证工程安全和质量，验证设计的合理性，及时修正设计施工的方法。
监测技术和现代设计方法的重要性和必要性，已被大量的工程实践所证明，其技术正在逐步得到完善和发展。
2岩土工程监测技术的现状与发展趋势2.1监测技术发展的历史和现状岩土工程监测技术的应用始于大坝建设，德国早在建于1891年的巴赫混凝土重力坝施工中进行了外部变形监测的工作，瑞士在1920年第一次采用大地量测法测量大坝变形。
1932年美国加利福尼亚大学教授卡尔逊(R.w.Calson)发明了差动电阻式传感器，并在当时美国大坝监测中得到了广泛应用。
最早的钢弦式应变计于1919年由谢弗设计、德国麦哈克公司生产。
1932年克温设计了另一种形式的钢弦式应变计。
到20世纪70年代由于半导体技术、微电子技术和测量仪器测量技术的发展，解决了振弦式仪器测试的难题，并且由于弦式仪器的精度和灵敏度均优于卡式仪器，而且结构简单，便于实现自动巡检，因此在岩土监测领域发展很快。
人们越来越多的把对工程安全的判断寄希望与工程施工期间和工程竣工后的原位监测。
(2)20世纪70年代以来，随着NATM推广应用，工程界对岩土工程监测技术中的项目确定、仪器选型、布置埋设与观测方法、观测资料的分析整理等研究工作逐步加深，并取得一定成果，但在监测设计规划、仪器的技术性能、数据分析处理等方面并不令人满意。
对仪器的技术指标、使用条件、稳定性可靠性等给出了评定标准，安全监测工作的标准化、程序化和质量控制措施也逐步得到完善，并编制了各类工程监测技术规程、规范、指南和手册。
监测自动化系统、网络传输系统、数据处理和数据库系统、安全预报预警系统等不断完善，地理信息系统(GIS)以及GPS等技术也在大型岩土工程中得到了应用。
随着岩土工程监测技术的不断进步，它的应用领域也不断拓宽。
从大坝安全监测、隧道及地下工程安全监测、高边坡稳定性监测、深基坑结构稳定性监测，到滑坡、泥石流地质灾害监测等方面都得到广泛应用。
监测项目的选择也越来越多，如应变、变形、压力、应力、渗透、振动等，其中位移(变形)监测应用最为普遍、也是最直观的监测项目。
近年来，压力和应力、地下水、温度应力、锚固质量等监测项目的应用已经很普遍，监测手段和方法发展迅速。
其主要发展趋势表现为它的自动化、网络化、数字化和快速化水平的提高。
所谓自动化，即利用计算机技术，实现数据采集、校验、存储和传输的自动化。
所谓网络化，即利用网络技术实现数据的电子发送、远程登录、文件传输和信息检索。
所谓数字化，即利用数码和多媒体等技术，使数据的获取、传输和管理更简捷。
而快速化，则利用以上现代技术，实现数据采集、存储传输和检查评价的快速化。
以下是近年来一些较有代表性的，并用在大型工程中应用成功的监测方法。
利用GPS静态相对定位原理，建立高精度的测量控制网，监测滑坡变形与位移。
据资料介绍，国外从20世纪90年代开始用GPS进行滑坡监测，主要研究无人值守的实时动态监测。
在我国利用GPS进行滑坡监测从最近几年才开始探索，国土资源部在长江三峡新滩至巴东段进行崩塌地质灾害GPS监测的试验研究，监测精度为毫米级。
(2)综合自动遥测法该法采用自动化程度高的远距离遥控监测系统或空间技术--卫星遥测，自动采集、存储、打印和显示滑坡变形监测数据，并绘出各种变形曲线、图表，其监测内容丰富，自动化程度高，可全天候观测，并可远距离传输，省时省力，适用于中、短期监测及防治施工期安全监测。
从加世纪60年代开始从事观测自动化的研制开发，加世纪70年代进入实用阶段。
从法国、意大利、美国、西班牙、日本和瑞士等工业发达国家实现自动化的情况看，有的起于资料管理自动化，有的则首先实现采集自动化。
意大利12发展较快，它的微机辅助监测系统(NAMs)，可实现数据的采集、校验、存储和传输，并具有快速在线判断和报警功能。
图1为美国NewWaddell大坝自动化监测仪器通信联系情况。
GOESNM5圳川rkomtursmllon最近几年国内在自动化监测系统研究方面发展迅速，在边坡稳定性监测、泥石流预警以及隧道工程都育成功运用的实例。
如中铁西南科学研究开发研制的EMM-TFS0自动化监测系统(图2)足80路路基及隧道温度、应变自动测量系统，它是针对青藏铁路建设和运营研发的工程与环境监测系统，实现r电阻温度数据和钢弦频率数据的采集、存储及传送按照预定的顺序自动完成，町以由单台也可多台仪器组成，数据可以用有线或无线方式转送。
泼仪器与计算机构成一个即时的全自动数采网络系统，针对高原多年冻土铁路隧道围岩冻融圈受气温变化的影响，通过埋设大量温度传感器以及气象要素的测试，开展隧道洞内外气温规律的研究、隧道洞内地温规律的研究以及气温变化对围岩地温的影响研究。
在海拔4700m的昆仑II『隧道和4900m的风火山隧道建立了现场工作站，烟埋设各类温度传感器件近250。
监测信息自动传递至工点终端的计算机，经过计算机的数据处理 后，可以实现自动预测或报警，观测精度一般可达到10 mm级。
中铁西南院开发了泼系统， 并在工程中应用，效果较好。
(5)工程监测网络系统 该系统采用有线和无线两种方式传输监测数据，可与Intemet鞋网，实现网络化传输。
它与自动化采集系统配合，aJ形成实时监测网络系统。
把各种传感器安装在工程现场后，自动采集系统将按事前设计好的采集频率采集数据，再通过网络把数据传输到各个终端。
“铁路沿线 降雨实时监测网络系统”是中铁西南院研制的一个远程降雨实时监测网络系统，由终端机、-}; 一tb机及计算机、无线机组成(见图4)。
该成果为监测技术的多元化、数字化、通信网络化以及 管理工作的自动化奠定了良好的基础。
该系统在日本广泛使用， v-d…
GIS#像地理信息系统31数据处理 是指数据(资料)采集和把采集下来的资料经过处理并赋给一定意义后成为信息的全过程。
信息是-I=程决策的重要依据，要保证工程决策的科学性，首先要求获得准确、及时、完整的信息资源，同时，现代工程技术对信息的正确性、精确度、相关性、时间性等方面的要求都在不断提高。
因此，不能把数据处理简单地看成为数据的数学处理，它是监测技术的重要环节。
也是现代设计方法的内涵处延。
数据处理一般应该包含以下内容: (1)采集数据。
监测项目规划，监测手段和方法选择，采集和储存数据;评价数据、误差和 限值，评判标准，预测趋势，分析评价; (2)处理数据。
分类，列表，跟踪，数学处理，数据库; (3)传递数据。
数据文件，局域网络，传递到主业，设计，施工，监理等。
32信息管理 是在数据处理基础上，建立起施工现场的信息系统，直接或可接地参加工程施工过程中的管理和央策的工作。
信息管理的主要功能之一是通过信息流的作用使设计施工更加合理和科学，岩土工程本身就是~个信息库。
有人把它比喻成“箱子”，那么信息了解很少甚至不知的为“黑箱”;部分信息已知，部分信息未知的为“灰箱”;信息完全已知的为“白箱”。
岩土工程出现事故，其原因往往足进行了“黑箱”或“灰箱”的操作，因此，信息管理的实质就是利用建立起来的信息系统来加速促使“灰箱”转变为“白箱”的过程，保证工程体系的安全可靠。
3.3信息系统主要技术指标 岩土工程水文地质环境变化是一种动态的活跃变化过程。
随着监测技术和计算机技术的不断发展，对岩土工程施工过程中的工程信息进行实时、形象的处理已成为可能，具备了建立 施工控制信息系统的技术条件。
根据国内外岩土工程施工的实际情况，现场采用信息系统需 具备的主要技术指标为: (1)系统设计原则:适应现场条件，使用方便:功能实用，数据安全。
(4)数据文件格式:绘图格式采用AutoCAD图形格式，图像采用Jpg格式，数据库采用Ac. 嘲8，SQL等，动态影像采用AVI，MPEG，DAT等格式。
(5)运行平台:Windows98，Windows2000，ME，XP操作系统，CPUP4/1.7GHz以上，内存不少于256MB，并要求一定的硬盘容量。
国内也有的称为信息化设计，国外有的称为ObservationalMethod， El本称为“情报化施工”。
随着设计理论的发展，动态设计将成为联系理论和经验方法的桥梁， 是岩土工程设计理论发展的重要方向。
我国早在20世纪70年代开始就在隧道工程中引入动态设计的概念，即通过在隧道施工过程中进行的现场量测获得关于围岩稳定性和支护系统工作状态的信息，然后将这种信息反馈于决策和支护系统的设计。
中铁西南院曾于1986年完成 铁道部科研项目《隧道工程施工监测与支护系统信息化设计和研究》。
近年来，铁路部门在重大隧道工程项目中开始实施现场动态设计方法，并取得了一定的成绩。
但总体发展的仍不够 理想，还有不少技术有待于研究解决。
存在的主要问题有: (1)适用范围较窄，推广困难。
动态设计的具体实施涉及建设、设计、施工、监理等各个方面，关系到工程项目的投资、质量、进度等各个因素，可谓是“牵一发而动全身”。
传统的工程建设基本程序通常难以适应动态设计的要求。
目前动态设计主要用于处理施工中较为简单的设计参数的优化和修正，例如，锚杆的长短、喷射混凝土的厚薄等支护参数的优化，很难处理诸如 工程项目的全系统、全功能、全系列的设计优化问题。
(2)动态设计系统的体系不完整，可操作性和实用性不强。
动态设计系统一般应包括三个方面，信息采集和管理、设计建模和设计算法、设计结果的分析和评价。
在信息采集和管理方面，目前手段相对落后，需要引入和研究现代先进的科技手段，包括软件(信息采集和管理系 16 统)和硬件(采集技术及通信设备)的研究等;作为动态设计体系核心部分的设计建模和设计算法方面，有一些成果，但仍不系统不完整;而设计结果的分析和评价方面，还相当落后。
目前动态设计系统中的三大组成部分还无法协调和匹配，使得动态设计工作难以全面推广应用。
(3)动态设计与网络技术和CAD技术还没有完全融为一体。
对一个岩土工程项目，动态 设计仅仅是整个设计工作中的一部分。
如果在全部设计过程中，只完成动态设计部分，而不把 方案设计、结构设计、图形显示和输出等功能与动态设计融为一体，则很难满足设计者的要求。
采用网络技术，可实现远程信息传输、设计互动和设计过程的自动控制。
信息采集技术研究包括:采集项目的研究:对于软岩、节理裂隙岩体、块状岩体等不同的岩土体，采集项目应依据 地质条件的不同来设置; 信息采集手段的研究:分接触式和非接触式的采集手段，网络化、自动化、数字化、快速 化采集手段。
其中重点为数值式位移(变形)采集技术，信息传输技术的研究，包括软件和硬件的开发 等。
由于施工等因素的影响，监测数据一般具有时间和空间上的限制，并且具有离散性，因此 信息处理是动态设计中极为重要的环节，包括数据在施工中的时间上以及空间上的外延(预测 预报)。
(2)动态设计建模技术 岩土工程设计模型主要有可用数学方法描述的和不能用数学方法而只能凭借工程类比经验和专家知识来描述的，以及基于两者之间的三大类。
动态设计系统应具有建立这三大类设计模型的能力，特别是具有在动态设计过程中自动生成设计模型的能力。
在动态设计建模技术中需重点研究: 岩土体失稳准则:判断准则和标准的研究比较复杂，它不仅与岩土体的类别以及其他地质环境因素有关，还同施工方法、支护手段等人为因素有关。
工程经验数学规划方法和相关数据库的建立。
人工智能和专家系统技术，借助专家经验、知识或者逻辑思维，实现工程寻优策略的自动选择和决策过程的自动控制。
求解技术，包括采用各种数学方法和人工智能方法求解方案设计问题、参数设计问题、 随机变量设计问题，以及模糊优化设计问题等。
(3)设计后处理技术 具有对设计结果以及决策进行分析和评估的设计后处理能力，能够完成从方案设计到成 图输出的全部设计任务。
(4)施工管理技术体现施工管理工作的4个基本环节: 包括计划、执行(组织指挥调度)、检查监督、协调处理。
建立施工现场信息统计分析数据 库，该系统应具有施工原始数据录入、修改、统计、分析、查询等功能。
(5)维护管理系统 工程质量检测数据库; 17 竣工资料库，建立动态设计后设计、施工过程质量事故等资料库; 评估系统，建立检测数据的模糊综合评估系统，为以后运营维护管理提供技术储备。
(6)动态设计系统网络技术 主要任务是利用通信、计算机、网络以及设计、施工与管理技术建立一个集信息采集、分析 处理、信息反馈为一体的局域网络，并‘日]ntemet相连实现业主、监理、设计、施工方均可进行远程访问与通信的联机系统。
5工程应用 圆粱山隧道(图6、图7)全妊11068m，是渝怀铁路最长的隧道，也是渝怀铁路关键性控制 工程。
该隧道穿越乌江与沅江水系分水岭毛坝圆粱山地区，为中、低深切河谷地貌，地形条件十分困难，相对高差800余米，地质构造异常复杂，隧道穿越的主要地质构造为毛坝向斜和 桐麻岭背斜及其伴生或次生断裂构造。
区内背、向斜核部成山，两翼成谷。
桐麻岭背斜为叫|间 高耸，两翼倾斜的条带状山脉，主要工程地质问题有，岩溶及岩溶涌水突水;高水位富水(最大 涌水量为145000m3/d);高地应力(最大水平主应1144-1739MPa);天然气和煤层瓦斯。
工程重点和难点为:岩溶涌水突水防治;高地应力地段控制大变形和岩爆;环境保护和水土保持 问题等。
其中毛坝向斜地段的高压岩溶水处理最困难。
目前在这类具高压岩溶水充填型溶洞 地区开挖深埋隧道等地下J=程，是一个国内外罕见，具挑战性的技术难题，因而必须进行特殊 设计、施工和管理。
为保证工程按时完成，在圆梁山隧道施工中实施了动态设计的方法，并在现场设市了动态设计组，划拨专款进行工作。
6结束语 图7圆梁山隧道高压涌水条件下支护结构形式 岩土工程安全监测技术是综合的工程应用技术，涉及地质、施工方式、实际水平、监测仪器、监测技术和理论分析等比较广泛的知识领域。
随着社会的发展和人们对工程质量、地质灾害防治及预警系统要求的提高，岩土工程监测技术将会有大的发展。
而作为动态设计重要组成部分的监测技术的发展，对推动岩土工程设计施工水平的进步具有重要意义。
监测技术和 动态设计方法的相互促进，协调发展，将会有力地推动我国岩土工程的技术进步。