隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析與應用

1、隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析與應用伍 進摘 要：在隧道施工中，監(jiān)控量測是隧道新奧法施工三大要素之一，通過量測及時收集施工中圍巖變形與支護受力數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)整理分析及時反饋指導施工。隧道施工監(jiān)控量測因用途的不同有各種選項， 拱頂沉降和周邊位移是最常用的二項，本文以某隧道量測結(jié)果為例，主要講述拱頂沉降和周邊位移量測數(shù)據(jù)通過回歸分析建立數(shù)學模型,從而評價和預測圍巖的穩(wěn)定情況。關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測 沉降 周邊位移 收斂 回歸分析 函數(shù)1概述1.1我國公路隧道設計越來越多的采用了復合式襯砌形式，即由初期支護和模筑砼兩部分組成。設計的初期支護形式是否可以滿足圍巖的變形壓力，模筑砼最佳澆注時間都是要通過監(jiān)控量測來確定。1

2、.2隧道開挖后，對已開挖裸露的圍巖及時進行初期支護，對初期支護的受力進行監(jiān)控量測。通過觀測拱頂沉降與周邊位移變化情況，掌握圍巖和支護的變化信息并對量測數(shù)據(jù)運用概率論與數(shù)理統(tǒng)計學原理，通過數(shù)學公式計算進行分析評估，并預測出圍巖以后的發(fā)展趨勢，以達到以下目的：了解隧道圍巖、支護變形情況，以便及時調(diào)整支護形式，保證開挖坑道的穩(wěn)定。依據(jù)量測數(shù)據(jù)的分析資料采取相應的支護措施和應急措施，保證施工安全 。為二次襯砌施工提供依據(jù) 。2監(jiān)控量測方法2.1人員及設備組織成立監(jiān)控量測小組，小組成員為35名，設一名組長。編制量測方案，根據(jù)現(xiàn)場情況，和施工工序，合理安排，盡量減小現(xiàn)場監(jiān)控量測與隧道施工的相互干擾。周邊位

3、移采用收斂儀，根據(jù)開挖斷面合理選擇收斂儀型號。拱頂沉降多采用精密水準儀和銦鋼尺進行量測。一般應選用簡單可靠、耐久、成本低、穩(wěn)定性好，便于攜帶量測儀器，且被測的物理概念明確，有足夠大的量程。2.2監(jiān)控量測點布置 圖1拱頂沉降與周邊位移觀測布點如圖1，拱頂沉降每個斷面根據(jù)開挖跨度布設13個測點，周邊位移觀測每個斷面根據(jù)開挖方法布設13條水平測線。一般全斷面開挖布設1條水平測線，臺階法開挖時每臺階設1條水平測線，特殊地段按規(guī)范要求布設水平測線。拱頂沉降及周邊位移觀測點應布于同一斷面上，為保證初次讀數(shù)的及時性，測點應距開挖面2m范圍內(nèi)，根據(jù)圍巖情況550米一個斷面。2.3 數(shù)據(jù)采集量測點的初讀數(shù)最為重

4、要,一般應在開挖12h內(nèi)或下次爆破前，噴錨支護施作2h后即埋設測點，并進行第一次量測數(shù)據(jù)采集。每次測試前檢查儀表設備是否完好，如發(fā)現(xiàn)故障應及時修理或更換；確認測點是否松動或人為損壞，只有測點狀態(tài)良好時方可進行量測工作。按各項量測操作規(guī)程安裝好儀器儀表，并按相應儀器使用方法讀取數(shù)據(jù)。嚴格按照隧道施工規(guī)范，按時進行監(jiān)控量測，并用專用表格記錄量測數(shù)據(jù)，根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況，115天內(nèi)12次/天，16天1個月內(nèi)1次/天，13個月內(nèi)12次/周，大于三個月13次/月。3 數(shù)據(jù)分析處理3.1根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制位移與時間的關(guān)系曲線，可以較直觀的看出圍巖位移變化的情況，并初步判定圍巖是否趨于穩(wěn)定或出現(xiàn)異常情況。建議采

5、用在Excel表格中及時輸入量測結(jié)果，并利用其圖表功能自動生成曲線圖，能保證量測數(shù)據(jù)與曲線圖同步，更能及時、直觀的得到圍巖變化情況。3.2由于量測的偶然誤差所造成的離散性，因此對量測數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計學原理進行分析，并以相應的數(shù)學公式進行描述，采用回歸分析對量測數(shù)據(jù)進行處理和計算，得到、兩個變量之間的函數(shù)關(guān)系，用這個函數(shù)曲線能代表測試點數(shù)據(jù)的散點分布，并能推算出因變量的變化速率和極限值，主要采用以下指數(shù)、對數(shù)和雙曲三種曲線函數(shù)進行線性回歸計算，三種曲線函數(shù)的原形公式與換算公式如下：3.2.1指數(shù)函數(shù)： 求導：將其轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)： 極限公式： 3.2.2對數(shù)函數(shù)： 求導：將其轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)： 極限公式

6、： 3.2.3雙曲函數(shù)： 求導：將其轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)： 極限公式： 其中：A、B 回歸常數(shù) ； 位移值（mm）； 初讀數(shù)后的時間（天）3.3線性回歸分析需要分別將三種函數(shù)獨立進行回歸計算，將其轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)的形式求出a、b，并通過a、b換算出曲線函數(shù)常數(shù)A、B值，以指數(shù)函數(shù)為例，視為Y，為X，按直線方程進行回歸計算，得到直線方程常數(shù)a、b，并計算其相關(guān)系數(shù)r，指數(shù)函數(shù)常數(shù)、，由此可得到指數(shù)函數(shù)方程。對三種曲線函數(shù)進行回歸分析后，根據(jù)三種曲線方程的相關(guān)系數(shù)r，取r最趨近于1的曲線方程代表所分析測點數(shù)據(jù)的變化情況，一般情況下所選擇曲線函數(shù)的相關(guān)系數(shù)r的絕對值應大于0.9。其a、b、r的計算公式如下：

7、3.4線性回歸分析數(shù)據(jù)處理量大，計算復雜，一般采用工程計算器進行回歸計算，常用的工程計算器（如：CASIO4500、4800、4850）都具有回歸分析的功能，可在較短時間能完成量測數(shù)據(jù)的回歸計算。3.5根據(jù)回歸分析結(jié)果選定代表測點的曲線方程,并可根據(jù)求導公式計算某一天的位移速率,也可根據(jù)極限公式計算其總位移量,通過代表測點的曲線函數(shù)方程可消除偶然誤差并推斷出圍巖的穩(wěn)定情況，或估計二次襯砌施作的時機。4數(shù)據(jù)分析及應用實例4.1下表為某公路隧道級圍巖全斷面開挖時一個斷面拱頂沉降和周邊位移的部分量測數(shù)據(jù)：時間t（天）0123456789周邊位移（mm）04.768.5410.8313.0614.54

8、15.4816.4217.2417.83拱頂沉降（mm）07.8414.1318.2321.6323.8925.3326.5627.6128.36時間t（天）10111213141517192123周邊位移（mm）18.3118.7419.1219.3819.5919.7820.1420.4820.8121.13拱頂沉降（mm）29.0329.5429.9630.3130.5430.6830.8931.0131.0831.14 根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制時間位移曲線，如圖2：（實線為周邊位移曲線，虛線為拱頂沉降曲線） 圖24.2周邊位移回歸計算將上表周邊位移數(shù)據(jù)分別代如三種曲線函數(shù)方程中,并按的直線方程

9、形式回歸分析,得到a、b、r值，由a、b得到曲線方程中的A、B常數(shù)。經(jīng)回歸計算得到以下三個方程：指數(shù)函數(shù):相關(guān)系數(shù)對數(shù)函數(shù):相關(guān)系數(shù)雙曲函數(shù): 相關(guān)系數(shù)結(jié)論: 以上三種回歸方程中雙曲函數(shù)的相關(guān)系數(shù)r的絕對值最趨近1，其回歸精度較高，故選用該方程來代表此水平測線的收斂情況。4.3拱頂沉降回歸計算將上表拱頂沉降數(shù)據(jù)分別代如三種曲線函數(shù)方程中,并按的直線方程形式回歸分析,得到a、b、r值，由a、b得到曲線方程中的A、B常數(shù)。經(jīng)回歸計算得到以下三個方程：指數(shù)函數(shù): 相關(guān)系數(shù)對數(shù)函數(shù): 相關(guān)系數(shù)雙曲函數(shù): 相關(guān)系數(shù)結(jié)論: 以上三種回歸方程中指數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)r的絕對值最趨近1，其回歸精度較高，故選用該方

10、程來代表此水平測線的收斂情況。4.4分析及應用4.4.1周邊位移分析：根據(jù)選定的雙曲函數(shù)方程對此測點進行分析，由極限公式可求得其最終總位移量為1÷B=1÷0.0379=26.39mm，小于JTJ042-04公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中9.3.4條所允許的相對位移量,當開挖后23天后，其位移量為21.13mm，為總位移量的80.1%，根據(jù)求導公式求得第23天的位移速率為0.16mm/天，由此可判定圍巖及初期支護周邊位移在開挖23天后基本穩(wěn)定，證明支護參數(shù)合理，能保證施工安全。4.4.2拱頂沉降分析：根據(jù)選定的指數(shù)函數(shù)方程對此測點進行分析，由極限公式可求得其最終總位移量為33.20m

11、m，小于JTJ042-04公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中9.3.4條所允許的相對位移量,當開挖后19天后，其位移量為31.01mm，為總位移量的93.4%，根據(jù)求導公式求得第19天的位移速率為0.13mm/天，由此可判定圍巖及初期支護拱頂沉降在開挖19天后基本穩(wěn)定，證明支護參數(shù)合理，能保證施工安全。由上分析結(jié)果可看出拱頂沉降量約為周邊位移量的1.5倍，拱頂沉降變化速度穩(wěn)定較周邊位移快。根據(jù)有關(guān)資料及實際量測結(jié)果顯示，隧道拱頂沉降量一般為周邊位移量的12倍。綜上分析，可得出以下結(jié)論：此段圍巖在開挖23天后圍巖周邊位移及拱頂沉降均已穩(wěn)定，可進行二次襯砌施工。4.4.4為保證二次襯砌模板臺車的安全使用，以及

12、開挖、鋪底和防水層作業(yè)等各項工序工作面的要求，綜合考慮開挖掌子面距二次襯砌模板臺車最小距離為120m，此段開挖速度為每天3m，需要40天，可根據(jù)回歸曲線方程計算開挖后40天時周邊位移量為23.75mm，為總位移量的90%，位移速率為0.06mm/天，拱頂沉降量為31.96mm，為總沉降量的96.3%，沉降速率為0.03mm，可滿足JTJ042-04公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中9.3.5條對二次襯砌施作的要求。4.4.5 根據(jù)以上結(jié)果，可得到圍巖在開挖23天后圍巖周邊位移速率小于0.2mm/天，位移量占總位移量的80%，拱頂沉降速率小于0.10mm/天，沉降量占總沉降量的93.8%，滿足二次襯砌施作的

13、要求。二次襯砌采用12m模板臺車施工，每兩天可完成一模，平均一天完成6米，由上計算開挖允許最快速度為120÷23=5.2m，但實際每天開挖3m，因此開挖是控制施工進度的主要因素，可結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提高開挖速度，加快工程進度。5綜合應用5.1在隧道施工中，不同的圍巖采用不同的施工方法，如采用臺階法、側(cè)壁導坑法、核心土法等開挖，量測的方法和結(jié)果也也不同，根據(jù)JTJ042-04公路隧道施工技術(shù)規(guī)范中，條文說明中規(guī)定了不同圍巖及施工方法的量測要求。因此，可根據(jù)施工的實際情況采取合理的布點和量測方法。5.2不同的施工方法及工序可能造成圍巖變形中位移與時間變化并非一條單一的曲線，如圖3所示，根

14、據(jù)實際量測結(jié)果總結(jié)得到，臺階法開挖時，下斷面開挖可能會使已穩(wěn)定圍巖再次出現(xiàn)變形，如圖3左圖所示，已趨于穩(wěn)定的圍巖再次出現(xiàn)變形速度增大，然后逐漸穩(wěn)定。仰拱開挖時也可能造成圍巖位移發(fā)生突變，但如及時澆筑仰拱砼和填充可有效控制圍巖變形，砼澆筑達到一定強度后（一般2至3天），圍巖變形便會迅速穩(wěn)定，因此位移-時間曲線中間突變部分接近直線變化（如圖3右側(cè)）。因此僅靠單一的曲線方程對圍巖位移的描述是不能準確反映圍巖的動態(tài)變化的，因此需要以回歸分析方法為基礎，加強目測圍巖及初支的穩(wěn)定情況，對圍巖變形進行更全面的分析。可根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制的曲線圖將其分段進行回歸分析，不同區(qū)間用不同曲線方程描述。當突變處呈曲線變化

15、時（如圖3左側(cè)），可將O-A段曲線作為第一區(qū)間，A-C段作為第二區(qū)間分別進行回歸分析，并計算出兩段曲線回歸方程的極限進行比較。當突變近似呈直線變化時（如圖3右側(cè)），可將B-C段移至A點按一條曲線進行回歸分析，忽略其直線變化段，回歸計算等到的曲線方程計算其極限時，應將極限值加上。圖35.3分析出現(xiàn)每個區(qū)間變化的影響因素，將影響因素分為可控因素和不可控因素，以用于指導施工，消除可控因素影響，減小不可控因素的影響。如調(diào)整施工方法，減小對圍巖的擾動，或加強支護參數(shù)，保證施工安全。如下斷面開挖屬不可控因素，但可根據(jù)控制邊墻一次開挖的長度減少圍巖的變形，使圍巖變形在可控范圍內(nèi)。仰拱開挖對圍巖的影響也可通過

16、施工質(zhì)量及工序的控制改善，根據(jù)實踐證明，初期支護拱架的鎖腳錨桿可有效減小仰拱開挖對圍巖變形的影響，因此在拱架施工時，應嚴格控制鎖腳錨桿的安裝質(zhì)量，尤其是底腳的鎖腳錨桿，可根據(jù)實際情況，適當將底腳徑向錨桿變?yōu)殒i腳錨桿，同時也要求徑向錨桿與拱架焊接牢固。同時也可以調(diào)整施工工序，如仰拱開挖測量合格后立即澆筑仰拱砼，并在24小時后立即施作填充。在仰拱及填充砼凝固后，可迅速控制圍巖的變形。此外，如初期支護不及時，一次開挖進尺過長，鉆爆方案不合理等對圍巖的影響都屬于可控因素，可通過調(diào)整工序，改進方案消除其影響。5.4此外，還可繪制位移速度與時間關(guān)系曲線圖以及位移與掌子面距離關(guān)系曲線圖進行綜合評估，前者可更直觀的反映出圍巖穩(wěn)定的快慢，后者可以反映出開挖爆破對圍巖位移變化的影響，對圍巖位移變化分析有一定的參考價值。隧道的監(jiān)控量測原本就屬于動態(tài)的過程，因此要充分應用項目管理理論中動態(tài)控制的原理進行隧道監(jiān)控量測管理，不斷總結(jié)和改進，使監(jiān)控量測更好的指導施工，保證隧道安全。5.5對圍巖位移的監(jiān)控量測也不能完全遵循圍巖穩(wěn)定后施做二襯的原則，尤其是在洞口段通常圍巖較差，一般應及時施作二襯。某隧道洞口段因