盛家堡隧道监控量测数据处理与分析

盛家堡隧道监控量测数据处理与分析

杨帆

中铁十四局集团第四工程有限公司

摘要：“新奥法”（NATM)施工技术在大跨径不良地质隧道施工中的应用越来越广泛，监控量测工作作为“新奥法”施工的三大支柱之一，也是洞体结构设计和施工的重要组成部分。以盛家堡隧道为例，通过对拱顶下沉和周边位移量测数据的处理、回归建模，评价和预测隧道的稳定性，对隧道施工起到指导意义。

关键词：盛家堡隧道、拱顶沉降、监控量测、回归分析

1引言

经20多年的实践和推广，新奥法已在欧洲一些国家如奥地利、德国、瑞典、瑞士、法国等的山岭隧道中普遍使用(占70～80%)，并已用于地下铁道，且取得沉降量特别小的显著成果。日本从1976年以来，已有近100座隧道采用了新奥法。中国从60年代初开始推广喷锚支护新技术，到1981年底，采用喷锚支护的地下工程和井巷的总长度已接近7500公里。2012年以来，又在普济、下坑、大瑶山等铁路隧道采用新奥法进行施工[1]。

施工期监控量测技术作为新奥法的核心之一，对整个新奥法实施的效果有着重要影响。新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。通过分析监控量测数据，可以了解到围岩的变形情况以及所处受力状态。

2工程概况

盛家堡隧道全长2245m，其中洞门24m，明洞5m，III级围岩995m、Ⅳ级围岩960m、Ⅴ级围岩261m，属于Ⅱ级风险隧道。本隧道为双线隧道，最大埋深200m，最小埋深33m。隧道通过处地势较陡峭，山体宽厚，仅出口有乡村公路通达，交通较不便利。岩溶地貌明显，呈峰丛地貌。地表可溶岩与非可溶岩分界处位于DK74+790里程处，此里程至出口为可溶岩段落，长度1339m，岩溶强烈发育。施工过程中可能遇到溶洞、溶槽及突水、涌水现象。隧道洞身非可溶岩地区以侵蚀、构造剥蚀的低山地貌为主，山体坡度较缓。在施工时考虑采用多种施工开挖方法，根据围岩状况分别采用台阶法、弧形导坑预留核心土法、三台阶七步开挖法等施工方法。

3监控量测内容及断面布置

依据有关规范和设计施工图的要求，考虑到隧道施工的需要，监控量测应测内容见表1。隧道内的测点布置如图1所示。表1中详述了断面布置原则以及监控量测测量频率[2]。

4回归模型建立及分析

4.1监控量测精度

周边收敛使用数字钢尺收敛计进行监测，仪器精度为0.01mm。拱顶下沉使用高精度水准仪进行监测，精度为0.1mm。图2为数字钢尺收敛计和高精度水准仪。可见监控量测具有较高的精度用于指导隧道施工。

图2数字钢尺收敛计和高精度水准仪

4.2回归分析原理

回归分析（regressionanalysis)是确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法。运用十分广泛，回归分析按照涉及的变量的多少，分为一元回归和多元回归分析；在线性回归中，按照因变量的多少，可分为简单回归分析和多重回归分析；按照自变量和因变量之间的关系类型，可分为线性回归分析和非线性回归分析。如果在回归分析中，只包括一个自变量和一个因变量，且二者的关系可用一条直线近似表示，这种回归分析称为一元线性回归分析。如果回归分析中包括两个或两个以上的自变量，且自变量之间存在线性相关，则称为多重线性回归分析。在这里我们采用曲线回归模型进行监控量测数据的拟合和预测，其具有较高的拟合度[3]。

4.3DK75+803.000断面监测数据分析

通过盛家堡隧道DK75+803.000断面现场监测数据，得到了DK75+803.000断面的拱顶下沉和周边收敛的变形累计值与时间的关系曲线并运用回归分析进行拟合，得到了最终变形量。如图3，图4所示。

图3DK75+803.000拱顶沉降曲线及其预测曲线

从图中可以看出隧道断面里程为DK75+823.000，初次读数日期为2016年10月29日，最终读数日期为2016年11月22日。表征了此时间段内的拱顶随时间的变形情况，从记录日开始，隧道不断变形，累计沉降量不断增加，最大沉降速率为v=0.8mm/d。在11月17日左右累计沉降量接近峰值，此后趋于平稳，说明围岩的变形已经减少，围岩趋于稳定。采用Excel软件进行数据的回归分析拟合，得到回归方程为y=x/(3.4847+0.1688x)，此方程的相关系数为0.9479，已经接近于1，说明拟合情况很好。依据回归方程做出累计沉降量随时间的回归曲线，对下一段时间内隧道可能发生的沉降变形进行预测。当前累计沉降量y为2.8mm,管理等级为III级，预预测12天后，累计值y将达到3.77mm。

在图4中可以看出隧道断面里程为DK75+823.000，初次读数日期为2016年10月29日，最终读数日期为2016年11月22日。表征了此时间段内的周边收敛随时间的变形情况，从记录日开始，隧道不断变形，累计收敛量不断增加，最大收敛速率为最大沉降速率v=0.86mm/d，略大于拱顶沉降的最大沉降速率。观测期限内，在11月14日以后累计收敛量已经趋于平稳，说明围岩的变形已经减少，围岩趋于稳定，在11月22日累计收敛量达到最大。采用Excel软件进行数据的回归分析拟合，得到回归方程为y=x/(14.3297-0.2763×x)，此方程的相关系数为0.9604，已经接近于1，说明拟合情况非常好。依据回归方程做出累计沉降量随时间的回归曲线，对下一段时间内隧道可能发生的沉降变形进行预测，如回归值曲线所示。当前累计收敛量y为2.9mm，管理等级为III级。预测12天后，累计值y将达到8.25mm。

比较同一断面的拱顶下沉和周边收敛值，可以看出开挖初期，水平收敛和拱顶下沉速率较大，随着开挖面与量测断面距离的增大和开挖时间的增加，周边收敛和拱顶下沉速率逐渐减小，围岩逐渐开始趋于稳定，两者具有正相关性。从图3和图4中可以看出隧道围岩变形表现出明显的3个阶段，即急剧变形阶段、缓慢变形阶段、基本稳定阶段。如果隧道围岩变形过大就需要采取一定的支护加固措施，如打锚杆或者注浆来降低隧道的变形速率。如果变形逐渐趋于稳定，就要选择合适的时机施加二衬，充分稳固围岩[4]。

5结语

通过现场监控量测，可以及时掌握围岩和初期支护在施工中的变形情况及稳定程度，为评价和修改初期支护参数、保证隧道施工安全及二次衬砌施作时间提供信息依据。监控量测数据的回归分析方法，虽然预测了变形趋势，但在对变形量的预测还不太准确，需要进一步研究。但其思想可为其他岩土工程所借鉴。

参考文献：

[1]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究［J］.地下空间与工程学报，2008，4(4):640-644.

[2]徐世强,屈战辉.隧道监控量测相关标准[J].筑路机械与施工机械化,2011,28(1):66-69.

[3]曹文贵，翟友成，张永杰.新奥法隧道施工风险非线性模糊评判方法.土木工程学报，2010;43(7):105-112.

[4]王岚,张勇,安军.雷公山隧道施工监控量测[J].中南公路工程,2003,28(4):109-111.