建筑工程監(jiān)控量測與信息反饋技術(shù)工作交流

新建太中銀鐵路呂梁山隧道監(jiān)控量測與信息反饋技術(shù)工作交流

中鐵三局集團(tuán)工程指揮部工程部宋同新2007/5/18感謝奮斗在一線的同志們和朋友們，愿我們攜手并進(jìn)，竭心盡責(zé)，同甘共苦，群策群力，共保呂梁山隧道安全、保質(zhì)、如期、全優(yōu)完工！

中鐵三局呂梁山隧道指揮部工程部監(jiān)控量測與信息反饋工作現(xiàn)狀日前檢查發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控量測工作存在以下問題：

1.標(biāo)準(zhǔn)掌握的問題；

2.記錄表式不統(tǒng)一的問題；

3.數(shù)據(jù)處理方面的問題；

4.信息反饋、指導(dǎo)施工工作不力；5.資料不齊全，“原始監(jiān)測資料”與“數(shù)據(jù)處理”概念混淆；記錄資料不規(guī)范，涂沫現(xiàn)象普遍；

6.監(jiān)控量測工作人員的經(jīng)驗與崗上學(xué)習(xí)不足,經(jīng)驗積累欠缺，甚至不熟悉基本的工作流程。監(jiān)控量測與信息反饋的概念與意義由于地下工程環(huán)境的復(fù)雜性(地層巖性不一、構(gòu)造不均、地下水發(fā)育程度不等、初始地應(yīng)力環(huán)境因地而異、地下工程埋深不一）和施工等人為因素影響大（施工方法不同、施工水平各異、施工速度有快慢、施工組織良莠不齊)等原因，在設(shè)計過程中，很難用一個簡單的地質(zhì)模型和力學(xué)模型來進(jìn)行描述，盡管事先的調(diào)查和試驗做得極盡細(xì)致，建筑物的實際受力、變形狀態(tài)和設(shè)計階段按力學(xué)模型所預(yù)計的總不一致，由此導(dǎo)致無法確認(rèn)所設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工流程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為確保工程的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理，就必須在施工階段實施監(jiān)測，及時收集由于隧道開挖在圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的位移與應(yīng)力變化信息（所謂“監(jiān)測”），并根據(jù)一定標(biāo)準(zhǔn)判斷是否需要修改預(yù)先設(shè)計的支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工流程，即所謂的信息反饋。統(tǒng)稱為“監(jiān)控量測”。新建太中銀鐵路呂梁山隧道加大監(jiān)控量測工作力度的必要性和重要性呂梁山隧道為特長鐵路隧道，根據(jù)圍巖情況發(fā)生大變形、掌子面突出、大坍方（尤其可怕的是滯后的坍方堵洞情況）甚至冒頂均有可能，巖爆已經(jīng)在DK132+966附近段落發(fā)生。而相應(yīng)于這些地質(zhì)災(zāi)害，我們的監(jiān)控工作較為滯后，而且由此導(dǎo)致的嚴(yán)重影響施工決策的問題已經(jīng)出現(xiàn)，如因監(jiān)測工作不到位，造成臺車進(jìn)場決策、襯砌工作決策、以及其它施工組織決策無以寄托，以某管段初支為例，因沒有量測資料或量測工作嚴(yán)重滯后且不規(guī)范，導(dǎo)致在支護(hù)參數(shù)上毫無底數(shù)，按設(shè)計施工恐不安全，而加大斷面，加強(qiáng)支護(hù)，施工成本又無端增大，而且即便如此，也無法做到心中無數(shù)。施工監(jiān)測工作的重要性和必要性而易見，施工監(jiān)測形同虛設(shè)問題的解決刻不容緩。監(jiān)測與信息反饋

主要目的、原則和工作重點(diǎn)目的：修改設(shè)計和進(jìn)行施工管理，保證隧道工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。與一般的工程測試相比，隧道工程中的施工監(jiān)測具有特殊的意義。原則：求是、及時、服務(wù)現(xiàn)場和設(shè)計。監(jiān)控量測的工作重點(diǎn)

1.量測計劃制定;

2.測點(diǎn)埋設(shè)與保護(hù)；

3.現(xiàn)場實錄（現(xiàn)場一手資料或稱原始資料）；

4.回歸分析；

5.注重分析與總結(jié)，理論與實踐結(jié)合；

6.重在日常管理,也即堅持監(jiān)測管理規(guī)范化、施工監(jiān)測日?；?、數(shù)據(jù)處理目標(biāo)化、預(yù)測結(jié)果功用化;

7.為技術(shù)管理、工序管理、資源配置與施工組織提具指導(dǎo)性意見；為隧道施工、圍巖加固等提出理論上和經(jīng)驗上的建議;

8.正確處理施工與監(jiān)測的關(guān)系,將監(jiān)測納入到施工工序管理當(dāng)中去。監(jiān)測工作的必要知識準(zhǔn)備監(jiān)控量測工作涉及到諸多學(xué)科的知識，即：1.隧道基本設(shè)計方法、設(shè)計流程2.地質(zhì)模型、數(shù)學(xué)力學(xué)模型3.隧道設(shè)計、施工與監(jiān)測三者間的關(guān)系4.地質(zhì)構(gòu)造學(xué)、工程地質(zhì)與水文工程地質(zhì)學(xué)知識

5.地下工程巖體力學(xué)知識和土力學(xué)知識

6.數(shù)據(jù)處理方法（數(shù)學(xué)工具）——回歸分析方法

7.判據(jù)、預(yù)測、控制（管理級別設(shè)置）

8.反分析（一般用數(shù)值方法，本項目可償試實施）

9.《規(guī)范》條款規(guī)定

隧道工程理論設(shè)計流程隧道工程的設(shè)計流程涉及到五個方面的問題即:⑴圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài),或稱一次應(yīng)力狀態(tài);⑵開挖隧道后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場;⑶判斷圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)和位移場是否符合穩(wěn)定性條件即圍巖穩(wěn)定性準(zhǔn)則，一般寫成：

式中的R1、R2是根據(jù)圍巖的物理力學(xué)特性所確定的某些特定指標(biāo)。⑷設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，亦稱圍巖的三次應(yīng)力狀態(tài)和位移場，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移

⑸判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性，即安全度準(zhǔn)則，一般寫成：

式中的K1、K2是支護(hù)結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)參數(shù)隧道結(jié)構(gòu)體系的計算模型常用的計算模型

目前，設(shè)計隧道結(jié)構(gòu)體系時，有兩類主要的計算模型

1.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型：以支護(hù)結(jié)構(gòu)作承載主體，圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形起約束作用。這種模型將支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖分開來考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承。亦稱“荷載結(jié)構(gòu)模型”

2.現(xiàn)代巖體力學(xué)模型：將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的隧道結(jié)構(gòu)體系，故又稱為復(fù)合整體模型。與傳統(tǒng)力學(xué)模型相反，圍巖是承載主體，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形。計算模型中存在的問題（圍巖力學(xué)參數(shù)選取方面和支護(hù)材料參數(shù)受施工方法、施工質(zhì)量、環(huán)境條件影響）以及模型的選取的合理性問題客觀上決定了目前的理論計算和分析（包括各種設(shè)計軟件）只能作為參考而無法作為設(shè)計依據(jù)；由此導(dǎo)致以圍巖類別或級別為基礎(chǔ)的經(jīng)驗類比設(shè)計方法為主導(dǎo)設(shè)計方法。支護(hù)需求與支護(hù)補(bǔ)給設(shè)計、施工工與監(jiān)測三三者關(guān)系（（1）設(shè)計流程包包括了開挖挖、支護(hù)、、直到形成成穩(wěn)定的隧隧道結(jié)構(gòu)體體系所經(jīng)歷歷的力學(xué)過過程（含判判據(jù)）。這這一流程充充分表明施施工過程（（開挖、支支護(hù)）對隧隧道結(jié)構(gòu)體體系終極狀狀態(tài)的應(yīng)力力和位移影影響極大。。鉆爆開挖挖與非爆破破開挖方法法（如機(jī)掘掘方法）所所形成的二二次應(yīng)力場場，尤其是是位移場極極不相同。。前者大，，后者小，，在前者需需要支護(hù)的的情況下，，而后者就就不一定需需要。隧道道設(shè)計是基基于一定的的施工方法法上的，而而不可能孤孤立設(shè)計。。設(shè)計、施工工與監(jiān)測三三者關(guān)系（（2）地下工程中中，監(jiān)測與與信息反饋饋以及反演演是隨著新新奧法原理理的引入而而引入的。。這種以施施工監(jiān)測、、理論分析析、經(jīng)驗判判斷相結(jié)合合，調(diào)查、、設(shè)計、施施工相交叉叉的設(shè)計、、施工流程程是非常符符合隧道工工程特點(diǎn)的的?！氨O(jiān)監(jiān)測與反饋饋”也即所所謂的“信信息化設(shè)計計”和“信信息化施工工”，這一一過程可歸歸納為：在在初步地質(zhì)質(zhì)調(diào)查和室室內(nèi)巖石力力學(xué)試驗的的基礎(chǔ)上，，通過理論論分析或工工程類比對對支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)和施工決決策做出預(yù)預(yù)設(shè)計。然然后，在施施工中對圍圍巖和支護(hù)護(hù)結(jié)構(gòu)的力力學(xué)狀態(tài)的的變化進(jìn)行行監(jiān)測，并并將所量測測到的能反反映隧道結(jié)結(jié)構(gòu)體系力力學(xué)狀態(tài)的的物理量（（如洞壁某某測點(diǎn)位移移值、或某某一基線上上的凈空變變化值）加加以綜合處處理。最后后根據(jù)必要要的基準(zhǔn)值值直接利用用經(jīng)過處理理的監(jiān)測信信息來判斷斷隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)體系的可可靠性（如如）也可以以通過反演演技術(shù)，根根據(jù)監(jiān)測信信息反推出出表征圍巖巖性態(tài)及其其地質(zhì)環(huán)境境的初始參參數(shù)，然后后再將它輸輸入模型中中重新進(jìn)行行理論分析析，并根據(jù)據(jù)新的計算算結(jié)果及時時調(diào)整和確確定支護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)數(shù)和施工決決策。由引引可見，監(jiān)監(jiān)控量測與與信息反饋饋技術(shù)在設(shè)設(shè)計與施工工間搭起了了橋梁，在在一定程度度上，處于于核心地位位。地質(zhì)構(gòu)造學(xué)學(xué)、工程地地質(zhì)與水文文工程地質(zhì)質(zhì)學(xué)知識地質(zhì)構(gòu)造學(xué)學(xué)以及工程程地質(zhì)與水水文工程地地質(zhì)學(xué)知識識主要是用用來從地學(xué)學(xué)角度完成成監(jiān)控量測測必測項目目中的掌子子面巖土體體觀察（巖巖性、構(gòu)造造裂隙、地地下水發(fā)育育情況、掌掌子面穩(wěn)定定性估判））以及對掌掌子面前方方幾十米巖巖土體及地地下水的預(yù)預(yù)計，從而而在修正監(jiān)監(jiān)測計劃，，以保證監(jiān)監(jiān)測布置的的合理性。。另外，亦亦可根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗，對同同類巖土體體地層情況況下，給予予大變形、、巖爆、坍坍塌及坍塌塌部位等經(jīng)經(jīng)驗性判斷斷。巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識（（1）1.對于淺埋隧隧道，如土土質(zhì)隧道，，對于地表表監(jiān)測點(diǎn)的的布置范圍圍的確定依依據(jù)土力學(xué)學(xué)公式：2.對于黃土隧隧道，了解解黃土的壁壁立性（直直立性）特特點(diǎn)，以及及在下穿高高速公路情情況下，不不穩(wěn)定或危危險范圍。。3.隧底底鼓的的可能性計計算其中，D為開挖影響響范圍B為隧道開挖挖高度h為隧道開挖挖高度φ為圍巖內(nèi)摩摩擦角巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識（（2）對于巖土質(zhì)質(zhì)隧道不同同開挖斷面面圍巖內(nèi)的的二次應(yīng)力力分布特點(diǎn)點(diǎn)（見下圖圖）巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識（（2）continued巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識（（2）continued巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識（（3）用于對監(jiān)測測數(shù)據(jù)回歸歸處理后的的分析，分分析變形或或位移的原原因，并在在一定程度度上反證或或旁證監(jiān)測測數(shù)據(jù)或處處理結(jié)果的的可靠性。。這種方法法對于明顯顯的錯誤有有效。巖體力學(xué)知知識和土力力學(xué)知識，，有助于《規(guī)范》對相關(guān)施工工監(jiān)測要求求的理解：：如《鐵路隧道噴噴錨構(gòu)筑法法技術(shù)規(guī)范范》（TB10108-2002J159-2002）第條款規(guī)定”……當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件件復(fù)雜,下沉量大或或偏壓明顯顯時,除量測拱頂頂下沉外,尚應(yīng)量測拱拱腰下沉及及基底隆起起量.”那么,為何在下沉沉量大時或或偏壓明顯顯時,需量測拱腰腰及基底隆隆起量呢?如果大家沒沒有些許巖巖土力學(xué)知知識對這句句話是難以以理解的,如果理解不不了,又談何規(guī)范范監(jiān)測呢?不知道為何何監(jiān)測,為何監(jiān)測這這些項目或或增加某些些監(jiān)測點(diǎn)的的意義的話話,那么,我們工作的的興趣和工工作的主動動性又從何何而來呢?相關(guān)《規(guī)范范》條款回回顧相關(guān)規(guī)范1.《客運(yùn)專線鐵鐵路隧道工工程施工技技術(shù)指南》（TZ214-2005）2.《鐵路隧道噴噴錨構(gòu)筑法法技術(shù)規(guī)范范》（TB10108-2002J159/2002）3.《鐵路隧道施施工技術(shù)規(guī)規(guī)范》（））4.《規(guī)范》條款主要內(nèi)內(nèi)容⑴監(jiān)控量測計計劃與內(nèi)容容⑵監(jiān)控量測作作業(yè)⑶監(jiān)控量測資資料的整理理與反饋《規(guī)范》已明確規(guī)定定了監(jiān)測人人員的工作作內(nèi)容，工工作要求，，工作思路路和工作方方法。關(guān)鍵鍵在于學(xué)習(xí)習(xí)、領(lǐng)會與與執(zhí)行！數(shù)據(jù)處理方方法（數(shù)學(xué)學(xué)工具）——回歸分析方方法及其步步驟量測數(shù)據(jù)據(jù)處理（（信息加加工）的的目的是是：判斷斷實測值值的可靠靠性，找找出所測測數(shù)據(jù)之之間的相相互關(guān)系系，判定定圍巖和和支護(hù)系系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)。下面面僅說一一下“找找所測數(shù)數(shù)據(jù)間的的相互關(guān)關(guān)系”的的數(shù)學(xué)處處理方法法，至于于目的的的第一方方面，就就目前的的狀況，，我們難難以達(dá)到到?；貧w分析析方法是是一種數(shù)數(shù)學(xué)工具具,屬概率統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)范范疇。實實際工作作中，常常使用的的回歸分分析主要要有：一一元線性性回歸分分析、多多元線性性回歸分分析、一一元非線線性回歸歸分析、、多元非非線性回回歸分析析等。注注意所謂謂一元或或多元是是針對自自變量來來講的。。時態(tài)曲線線—回歸分析析—位移時間間經(jīng)驗公公式回歸分析析步驟：：⑴在以時間間為橫坐坐標(biāo)、位位移為縱縱坐標(biāo)的的坐標(biāo)系系中，標(biāo)標(biāo)出由量量測值確確定的各各對應(yīng)的的實測點(diǎn)點(diǎn)，即得得所謂的的散點(diǎn)圖圖；⑵根據(jù)實測測點(diǎn)描繪繪出光滑滑的實驗驗曲線。。一般不不可能通通過所有有的實測測點(diǎn)，但但應(yīng)注意意使曲線線盡量接接近所有有實測點(diǎn)點(diǎn)，并使使實測點(diǎn)點(diǎn)分布在在實驗曲曲線的兩兩邊；⑶根據(jù)所描描繪的試試驗曲線線形狀選選擇回歸歸函數(shù)?；貧w分析析方法可可選擇的的函數(shù)：：一般情情況下有有雙曲函函數(shù)、指指數(shù)函數(shù)數(shù)和對數(shù)數(shù)函數(shù)等等予以擬擬合，但但根據(jù)上上述回歸歸分析步步驟可知知，不一一定僅限限于上述述這幾種種函數(shù)數(shù)，不應(yīng)應(yīng)教條、、死板套套用。數(shù)據(jù)處理理方法（（數(shù)學(xué)工工具）——回歸分析析方法（（continued）據(jù)實踐經(jīng)經(jīng)驗，在在地下工工程施工工監(jiān)測中中，涉及及到最多多的是一一元線性性回歸分分析（一一般圍巖巖的變形形等為非非線性變變化，但但通常情情況下，，可通過過將非線線性方程程轉(zhuǎn)化為為線性方方程來解解決，從從而由非非線性回回歸轉(zhuǎn)換換為線性性回歸分分析。舉舉例：監(jiān)監(jiān)測中常常用到的的雙曲線線回歸方方程y=a+b/x在計算截截距a和回歸系系數(shù)b時，可分分別設(shè)y’=yx’=1/x,這樣,函數(shù)y=a+b/x便可轉(zhuǎn)換換為y’=a+bx’,如此,雙曲函數(shù)數(shù)變?yōu)榫€線性方程程,利用最小小二乘法法,計算截距距a和回歸系系數(shù)b,從而最終終得到回回歸方程程）。ab的計算公公式如下下（注，，這兒僅僅限于一一元線性性回歸））：數(shù)據(jù)處理理方法（（數(shù)學(xué)工工具）——回歸分析析方法（（continued）數(shù)據(jù)處理理方法（（數(shù)學(xué)工工具）——回歸分析析方法（（continued）上式給出出的公式式，可用用來手工工并輔以以EXECEL電子表格格計算回回歸方程程。建議監(jiān)測測技術(shù)人人員，在在搞清楚楚回歸計計算方法法的前提提下，盡盡量手工工計算，，而不應(yīng)應(yīng)依賴所所謂的““軟件””，只求求結(jié)果，，不問過過程，知知其然而而不知其其所以然然，即便便是出了了錯誤,大家還不不知道錯錯在什么么地方,到底出了了錯沒有有，甚至至根本就就沒這個個方面的的概念或或知識儲儲備。這這也是目目前我們們監(jiān)控量量測工作作多花樣樣多的癥癥結(jié)所在在。回歸函數(shù)數(shù)精度與與線性相相關(guān)關(guān)系系判定回歸精度度問題：：至于精精度有無無標(biāo)準(zhǔn)問問題，目目前只能能說精度度越高越越好?；鼗貧w精度度是在得得出回歸歸函數(shù)后后得出的的，由此此，我們們可以利利用不同同回歸結(jié)結(jié)果，對對比其精精度，爾爾后，擇擇取相對對高精度度的回歸歸函數(shù)，，做為我我們的首首選函數(shù)數(shù)?；貧w精度度計算公公式：式式中xt和yt分別為時時間和累累積位移移實測值值，a為回歸系系數(shù)b為截距。。僅憑該式式判定回回歸精度度問題值值得商榷榷。回歸函數(shù)數(shù)精度與與線性相相關(guān)關(guān)系系判定上式僅從從定性上上說明了了回歸函函數(shù)的精精度程度度，看起起來無偏偏估計S2越小，精精度越高高。但是是，經(jīng)回回歸得出出的回歸歸函數(shù)（（亦稱經(jīng)經(jīng)驗公式式）是否否真的有有近似的的線性關(guān)關(guān)系？這這個問題題尚未判判定。在在檢查過過程中我我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，采用用何種回回歸函數(shù)數(shù)擬合的的隨意性性大到?jīng)]沒有任何何理由的的程度：：從散點(diǎn)點(diǎn)圖分布布圖形上上看明顯顯是個雙雙曲函數(shù)數(shù)（或指指數(shù)函數(shù)數(shù)或?qū)?shù)數(shù)函數(shù)））圖樣，，卻采用用了線性性函數(shù)（（y=ax+b）擬合。。由此，，也看出出對于回回歸函數(shù)數(shù)擬合過過程中，，缺少了了很重要要的一個個環(huán)節(jié)，，即線性性相關(guān)關(guān)關(guān)系的判判定環(huán)節(jié)節(jié)?；貧w函數(shù)數(shù)精度與與線性相相關(guān)關(guān)系系判定線性相關(guān)關(guān)關(guān)系判判定（相相關(guān)性檢檢驗）一一般程序序：先提出如如下假設(shè)設(shè)檢驗問問題：假假設(shè)H0：b=0如果由一一組具體體的樣本本（x1,y1）（x2,y2）……（xn,yn）,否定了H0，也即判判定b≠0，(基于基本本假定)也即判定定x與y間有線性性相關(guān)關(guān)關(guān)系。那那么，什什么情形形下，否否定H0呢？數(shù)學(xué)學(xué)上可以以證明，，在假設(shè)設(shè)H0成立時，，公式提供的統(tǒng)統(tǒng)計量服服從自由由度1，n-2的F分布（而而且，b離開0越遠(yuǎn)，即即b的絕對值值越大，，F(xiàn)總的說來來越大））1.計算UQ,從而根據(jù)據(jù)公式計計算F;2.對于給定定的檢驗驗標(biāo)準(zhǔn)α,查自由度度為1,n-2的F分布的臨臨界值表表,得臨界值值λ:p(F>λ)=α3.比較(算得的)F值與(查得的)λ的大小,如F>λ,則否定假假設(shè)”H0:b=0”,即認(rèn)為x與y間具有線線性相關(guān)關(guān)關(guān)系;否則,假設(shè)H0是相容的的,即沒有理理由認(rèn)為為x與y間存在線線性相關(guān)關(guān)關(guān)系。。回歸函數(shù)數(shù)精度與與線性相相關(guān)關(guān)系系判定線性相關(guān)關(guān)關(guān)系判判定具體體計算步步驟F分布臨界界值表F分布臨界界值表F分布臨界界值表信息反饋饋—預(yù)測與控控制(continued)對應(yīng)擬合合函數(shù)的的一階導(dǎo)導(dǎo)數(shù)(位移速度度)和二階導(dǎo)導(dǎo)數(shù)(位移加速速度)計算公式式注下式中中u:為變形值值;b為回歸系系數(shù);對于一元元線性回回歸函數(shù)數(shù)a為截距值值;t0:測點(diǎn)初讀讀數(shù)時距距開挖時時的時間間(d或h);T:量測時距距開挖時時的時間間(d或h).預(yù)報(測測)根