隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的處理與分析

1、隧道施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的處理與分析    【摘要】監(jiān)控量測是隧道新奧法設(shè)計施工的核心。本文通過介紹福永高速公路某隧道洞內(nèi)圍巖凈空收斂、下沉量測數(shù)據(jù)的處理與分析方法，供同類項目參考借鑒。 【關(guān)鍵詞】隧道施工；監(jiān)控量測；處理；分析 中圖分類號：U45文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： 0 前言 目前，我國公路隧道一般采用復(fù)合式襯砌，它一般由錨噴支護和模筑混凝土襯砌兩部分組成。眾所周知，隧道開挖前，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道開挖后，洞壁形成臨空面，原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，引起應(yīng)力重新分布，在開挖施工過程中，隨著圍巖應(yīng)力的變化，同時伴隨著圍巖位移（變形）變化。因此，采用

2、新奧法進行隧道施工時，監(jiān)控量測是實現(xiàn)信息化施工非常重要的一環(huán)，被認為是新奧法的三大支柱之一。實踐證明，通過量測信息及規(guī)律性認識，可以預(yù)報預(yù)測圍巖穩(wěn)定性，是檢驗和修改設(shè)計、施工方案及加固措施行之有效的途徑。因此，如何處理和分析好監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，意義重大。 1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步整理 監(jiān)測數(shù)據(jù)的初步整理應(yīng)達到以下要求： （1）所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)記錄在專用的表格內(nèi)，原始記錄表格存檔以供需要時查用。所有數(shù)據(jù)均輸入計算機，用專門程序進行計算處理，必要時出專業(yè)分析簡報。監(jiān)測人員除做好每天的監(jiān)測工作外，需認真寫好監(jiān)測日記，內(nèi)容包括天氣、觀察情況、監(jiān)測情況、施工進展情況、儀表工作情況等。 （2）每次數(shù)據(jù)監(jiān)測后要進行

3、初步的分析，特別關(guān)注變化異常數(shù)值。根據(jù)各物理量的變化過程曲線，劃分急劇增長段、緩慢增長段及基本穩(wěn)定段，判斷其穩(wěn)定程度以及提出下步施工的意見；實測資料經(jīng)過分析后，確定各物理量的絕對值、變化速度、變化加速度、坡度等四個指標(biāo)，并作為判斷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)值；經(jīng)過相關(guān)分析，找出各物理量和時間進尺的關(guān)系，推算各物理量隨開挖進尺、時間推移的變化趨勢。 （3）每天應(yīng)提交一份觀測成果，每月作一次資料分析，并提交監(jiān)控量測月報。整編成果應(yīng)考證清楚、項目齊全、數(shù)據(jù)可靠、方法合適、圖表完整、說明完備。監(jiān)控量測報告應(yīng)包括工程情況說明，巡檢和儀器監(jiān)控量測情況說明，監(jiān)控量測資料分析結(jié)果，觀測對象工作狀態(tài)及改進意見等。 2 分析方法

4、 由于各種可預(yù)見或不可預(yù)見的原因，現(xiàn)場量測所測得的數(shù)據(jù)具有一定的離散性，因此必須進行誤差分析、回歸分析和歸納整理等去粗存精的分析處理后，才能很好的解釋量測結(jié)果的涵義，充分利用量測分析的結(jié)果。例如，要了解某一時刻某點位移的變化速率，簡單的將相鄰時刻測得的數(shù)據(jù)相減后除以時間間隔作為變化速率是不行的，正確的做法是對量測得到的位移時間數(shù)組做數(shù)據(jù)擬合得時間位移曲線 ，然后計算該函數(shù)在時刻t的一階導(dǎo)數(shù) 值，即為該時刻的位移速率?？偠灾繙y數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)處理的目的是驗證、反饋和預(yù)報。量測數(shù)據(jù)處理過程中要注意隨時完成以下幾項內(nèi)容： 將各項量測數(shù)據(jù)相互印證，以確認量測結(jié)果的可靠性； 變形和應(yīng)力的空間分布規(guī)律，了解

5、圍巖穩(wěn)定特征，以便提供反饋，合理設(shè)計支護參數(shù)。 監(jiān)視圍巖變形和應(yīng)力狀態(tài)隨時間的變化情況，對最終值或變化速率進行預(yù)測。 從理論上說，設(shè)計合理的、可靠的支護體系，應(yīng)該是一切表征圍巖與支護系統(tǒng)力學(xué)性態(tài)特征的物理量隨時間逐漸趨于穩(wěn)定。反之，如果測得表征圍巖與支護系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)特征的某種或某個物理量隨時間不是趨于穩(wěn)定，則可以斷定圍巖不穩(wěn)定，支護必須加強或修改設(shè)計參數(shù)，達到信息化設(shè)計的目的。 根據(jù)本隧道施工監(jiān)控量測任務(wù)及量測設(shè)計方案的要求，結(jié)合隧道圍巖條件及工程進展，制定了具體量測工作計劃及實施細則。本方案就內(nèi)空水平收斂和拱頂下沉的量測為例進行處理，判斷圍巖變形及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并反饋于設(shè)計和施工。通過量測和

6、信息反饋，充分利用圍巖變形特性，及時改進施工設(shè)計，調(diào)整施工工藝，更好地控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。 （1）圍巖內(nèi)空收斂變形量測 量測儀器采用SL-2型鋼尺式收斂計，并配用溫度計作測尺溫度修正用。測樁及測線布置如圖10所示（下圖為示意，下同）。 圖10圍巖監(jiān)控量測測樁及測線布置 由于鋼尺受溫度變化的影響會產(chǎn)生熱脹冷縮，故需要對鋼尺讀數(shù)進行溫度修正，修正公式如下： （1） （2） 式中： 第 次量測的真實讀數(shù)； 第 次量測的實測讀數(shù)； 因溫度變化引起的讀數(shù)變化值，()； 第 次量測時的鋼尺拉長度，()； 鋼尺的線膨脹系數(shù)， =12.6 10-6/或按鋼尺出廠說明書選用； 一第 次量測時的溫度(量測

7、處)()。 對SL-2型鋼尺式收斂計，由于其測讀數(shù)的微讀數(shù)隨隧道凈空的收縮而減小，故收斂差值為： （3） 總收斂值為： （4） 式中： 第 次量測與第 1次量測的收斂差值，（）； 第 ， 1次量測的微讀數(shù),（）； 第1次到第 次量測的累計收斂值，（）。 （2）圍巖拱頂下沉變形測量 拱頂下沉采用間接法，它是基于下述原理量測計算而得： 1、2、3三測樁埋設(shè)于同一垂直平面內(nèi)，且1、2兩樁設(shè)在同一水平線上； l、2兩點只存在水平位移，拱頂?shù)?點只發(fā)生垂直位移。 拱頂下沉計算圖如圖11所示。 圖11拱頂下沉計算示意圖 由此可得， （5） （6） （7） （8） （9） （10） 式中： 第 次量測讀取的

8、 三條測線的總長度，（）； 第 次量測讀取的 三條測線的總長度，（）； 第 次量測與第 次量測的拱頂下沉差值，（）； 第1次到第 次量測的累計下沉量，（）。 （3）圍巖變形量測時間 為了使收斂量測值與相應(yīng)的量測時刻準(zhǔn)確對應(yīng)，也為了便于計算機輸入和數(shù)據(jù)處理，量測間隔時間按量測時讀數(shù)的準(zhǔn)確時刻用下式計算： （11） （12） 式中： 第 次量測與第 1次量測的時間間隔（天）； 第 次量測的鐘點小時數(shù)（小時）； 第 1次量測的鐘點小時數(shù)（小時）； 第 次量測的鐘點分鐘數(shù)（分）； 第 1次量測的鐘點分鐘數(shù)（分）； 第 次量測與第 1次量測的間隔天數(shù)（天）； 1440天折算出的分鐘數(shù)（分/天）； 第1次

9、到第 次量測的累計時間（天）。 （4）圍巖變形量測數(shù)據(jù)處理 由于圍巖監(jiān)測斷面多，數(shù)據(jù)量大，有必要對原始數(shù)據(jù)進行微機處理。Excel軟件“分析工具庫”加載宏中提供了一種用于預(yù)測的“線性回歸分析”工具，軟件具有強大可靠的數(shù)據(jù)處理、圖表輸出及其預(yù)測分析功能，因此選擇微軟公司W(wǎng)indws2000作為操作平臺，利用微軟公司的Excel中文版軟件及其高級功能對原始數(shù)據(jù)進行管理。使用前先改造原有數(shù)據(jù)表，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理計算，使非線性方程轉(zhuǎn)化為線性回歸方程。 由于偶然誤差的影響而具有離散性，根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制的變形隨時間而變化的曲線有時出現(xiàn)上下波動，不規(guī)則，難以進行分析。有必要應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對凈空收斂數(shù)據(jù)進行處理

10、，找出被測物理量隨時間變化的規(guī)律。因此，根據(jù)量測處理數(shù)據(jù)觀察分析，擬選用三種函數(shù)對其凈空收斂值進行回歸： 雙曲線函數(shù)： 指數(shù)函數(shù)： 對數(shù)函數(shù)： 當(dāng)趨勢線的相關(guān)系數(shù) 的“ 平方值”最大（等于或接近1）時，所選回歸方程可靠性為最高，選擇精度最高的方程作為其回歸方程，并進行重點分析。 本次監(jiān)測完后將提交監(jiān)測數(shù)據(jù)表，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果建立預(yù)測數(shù)模，預(yù)測出最終位移及其它有關(guān)監(jiān)測量，同時對設(shè)計進行優(yōu)化，保障施工安全進行。 3 監(jiān)測工作質(zhì)量保證措施 為保證量測數(shù)據(jù)的真實可靠及連續(xù)性，特采取以下措施： (1) 量測人員相對固定； (2) 儀器的管理采用專人使用專人保養(yǎng)，專人檢驗的方法； (3) 量測設(shè)備、傳感器等各種元器件在使用前均經(jīng)檢查校準(zhǔn)合格后方投入使用； (4) 直讀式儀表每周檢查一次，以保證儀表的準(zhǔn)確度。填寫觀測記錄表，注明儀器異常，儀表或裝置故障，電纜長度變更及集線箱檢修情況； (5) 各量測項目在監(jiān)測過程中必須嚴格遵守相應(yīng)的監(jiān)測項目實施細則； (6) 量測數(shù)據(jù)均經(jīng)現(xiàn)場檢查，室內(nèi)復(fù)核兩次檢查后方可上報； (7) 量測數(shù)據(jù)的存儲計算管理均采用計算機系統(tǒng)進行； 各量測項目從設(shè)備的管理，使用