黃土隧道圍巖變形的時空曲線回歸分析及預(yù)警研究

黃土隧道圍巖變形的時空曲線回歸分析及預(yù)警研究

1縣隧道斜井工區(qū)v級圍巖段開挖及施工晉南鐵路渠道是中國連接?xùn)|西部的重要陸路。西起山西省呂梁市瓦塘市，東至山東省日照港，全長260公里。這是中國第一條根據(jù)1000萬噸鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。隰縣隧道位于山西省臨汾市隰縣境內(nèi)，隧道進口里程DK266+812，出口里程DK277+306，全長10494m，是晉中南通道的控制性工程。隧道穿越區(qū)為黃土高原梁茆區(qū)，溝壑縱橫，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。進出口為新黃土覆蓋，局部沖溝有砂巖出露;洞身段為第三系粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、礫巖、砂巖及泥巖，下伏三疊系中下統(tǒng)砂巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖?；鶐r為單斜構(gòu)造，地層平緩，產(chǎn)狀290°，∠7°。隧道位于土石界線段，水量較大，施工較為困難。遵循“新奧法”要求的“短開挖、少擾動、強支護、早封閉、勤量測、緊襯砌”的原則，劃分為進口、出口和2個斜井段3個工區(qū)進行多工作面平行作業(yè)。根據(jù)圍巖實際情況，隰縣隧道斜井工區(qū)V級圍巖段采取了三臺階分步開挖法，三臺階分步開挖整個施工工序分為3個主要步驟(見圖1):(1)第1步進行上弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖，施作拱部初期支護;(2)第2步進行中下臺階左右錯開開挖，施作邊墻部初期支護;(3)第3步進行中心預(yù)留核心土開挖及隧底開挖，施作隧道初期支護。每步開挖后均及時支護，隧底初期支護后及時施作仰拱，盡早封閉成環(huán)。2監(jiān)測內(nèi)容和方法2.1選取的項目設(shè)計根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況及相關(guān)規(guī)范及圖紙要求，現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容分為必測項目和選測項目，一般按照現(xiàn)場需要進行選擇。必測項目包括洞內(nèi)外觀圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、初期支護與二襯間壓力、錨桿軸力等。主要以預(yù)測預(yù)報施工中可能出現(xiàn)的塌方等隱患為目的時常僅選擇必測項目，以研究支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計的合理性并探究設(shè)計優(yōu)化方面為目的時，在選擇必測項目的基礎(chǔ)上還要根據(jù)具體情況選擇選測項目。為指導(dǎo)施工的安全順利進行，監(jiān)測組在現(xiàn)場典型地質(zhì)段埋設(shè)了測點，完成掌子面地質(zhì)觀察、初期支護后斷面的周邊收斂、錨桿內(nèi)力監(jiān)測等，測點布置如圖2所示。2.2監(jiān)測方法2.2.1巖石結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況記錄觀察記錄工作面的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，作地質(zhì)素描。具體有:開挖過程中，觀察掌子面圍巖的巖性、巖質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向、延展性、連通性、起伏狀況、填充情況，有無松散坍塌、剝落、掉塊現(xiàn)象、有無漏水等情況，將上述情況詳細(xì)記錄并繪制素描圖;觀察初期支護狀態(tài)，包括噴層是否產(chǎn)生裂縫、剝離和剪切破壞、鋼支撐是否壓屈等，以此作為支護參數(shù)選擇的參考及量測等級選擇的依據(jù)。2.2.2技術(shù)應(yīng)用及測量洞內(nèi)周邊位移的量測內(nèi)容有水平收斂與拱頂下沉。一般水平收斂采用收斂計，拱頂下沉采用自動安平水準(zhǔn)儀配合垂向吊掛鋼尺進行測量。在施工工序較復(fù)雜時，常規(guī)方法極易干擾施工，可采用高精度全站儀配合發(fā)射膜片進行數(shù)據(jù)采集。本文聯(lián)合采用兩種方法進行水平收斂與拱頂下沉的測量。其中拱頂下沉與上臺階水平測線收斂采用全站儀非接觸量測，下臺階水平測線收斂采用收斂計。全站儀非接觸量測的具體方法如圖3所示。在距離測量標(biāo)靶一定距離的穩(wěn)定襯砌位置貼1個反光膜片作為后視點，全站儀自由設(shè)站，使用全站儀的“對邊測量”功能可以量測出被測點與后視點的相對位移，該位移即拱頂下沉。全站儀自由設(shè)站非接觸測量隧道圍巖變形的原理可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。2.2.3地表鉆孔地層測點及測點布置一般在隧道洞口段或淺埋段和地面上有構(gòu)筑物的地段進行地表沉降量測。首先在隧道開挖外側(cè)5倍洞徑距離外區(qū)域埋設(shè)2個測量基點，測點采用地表鉆孔埋設(shè)，測點四周用水泥砂漿固定。當(dāng)采用常規(guī)水準(zhǔn)測量手段出現(xiàn)困難時，可采用全站儀量測。測點沿隧道軸向每隔5～10m布設(shè)，每個斷面測點橫向間距2～5m，中軸線附近適當(dāng)加密。當(dāng)洞口段山體有易滑塌邊坡時，需同時進行邊坡位移監(jiān)測，監(jiān)測網(wǎng)的測線方向為滑動方向。常用監(jiān)測儀器有精密水準(zhǔn)儀，銦鋼尺等，困難地段采用高精度全站儀。3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法很多，主要有回歸分析與反分析兩種，本工程采用回歸分析方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。3.1圍巖與初期支護穩(wěn)定的判別指標(biāo)隧道修建中需要確保圍巖的穩(wěn)定安全，也就是監(jiān)測數(shù)據(jù)是收斂的，在選擇回歸函數(shù)上也要求一定是收斂的增函數(shù)，且回歸函數(shù)的一階、二階導(dǎo)數(shù)是存在的。從圍巖變形量預(yù)測與各階段圍巖變形速率著手，進而判定圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖與初期支護穩(wěn)定的判別指標(biāo)是:對于雙線隧道初期支護實測最大累積位移值或預(yù)測值≤極限相對位移值的80%，凈空變化速率<0.2mm/d或者拱頂下沉速率<0.15mm/d。目前常用于隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析的非線性函數(shù)有以下5種。1)雙曲線函數(shù)2)倒指數(shù)函數(shù)3)倒對數(shù)函數(shù)4)對數(shù)函數(shù)5)S型曲線函數(shù)上述5式中，A,B為回歸系數(shù);C為可選回歸系數(shù)。其作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸函數(shù)時，5種函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)均>0，可以作為回歸判斷依據(jù)，但是上述公式(3)～(5)式的二階導(dǎo)數(shù)不宜作為判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性依據(jù)。3.2模型及預(yù)測函數(shù)的選擇以隰縣隧道Ⅵ級圍巖段DK270+480,DK271+520和DK271+590斷面的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)處理為例說明分析方法及圍巖穩(wěn)定性，如圖4所示。圖4顯示的是上述3個斷面在臺階法開挖過程中位移變化時程曲線。從圖中可以看出，上下測線的收斂值分別在16mm與8mm左右，上測線在上臺階開挖20d后基本趨于穩(wěn)定，下測線的穩(wěn)定歷時也基本在3周以后。從上測線的水平收斂曲線來看，上臺階開挖后水平位移變化值不大，2周后下臺階中槽開挖，收斂變化加速，下臺階邊墻部開挖，收斂速率達(dá)到最大，下臺階開挖期間上測線累積收斂量約達(dá)到總收斂量的70%。圖4c顯示DK271+520斷面在開挖3周后整個斷面收斂值依然快速發(fā)展，沒有穩(wěn)定跡象。對3個斷面的水平收斂數(shù)據(jù)分別運用上述5種回歸函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算，選擇相關(guān)系數(shù)最高的函數(shù)作為計算曲線的預(yù)測函數(shù)。經(jīng)過計算，3個斷面最終選用的回歸預(yù)測函數(shù)方程如表1所示。3.3拱頂下沉預(yù)測量，提前掌握3個斷面的拱頂下沉變化時程曲線如圖5所示，從曲線的變化分析發(fā)現(xiàn)，在上臺階開挖期間，拱頂下沉的總值并不大，下臺階開挖后，下沉速率持續(xù)增長，但很快趨于穩(wěn)定，整體過程歷時大約2周，拱頂下沉量完成了總預(yù)測量的75%。DK271+520斷面在20d前后突然改變了趨穩(wěn)態(tài)勢，出現(xiàn)大變形，因此需密切關(guān)注該斷面發(fā)展，以防突發(fā)安全事故。3.4錨桿安裝角度對支護體的力學(xué)性質(zhì)影響分析為了解錨桿對圍巖位移的約束工作性能，選擇3處典型圍巖變化區(qū)段對錨桿軸力進行了量測，進而判定支護效果。DK270+480斷面在兩邊墻和拱頂圍巖內(nèi)部埋設(shè)了3.0m長錨桿。錨桿安裝28d后測得某斷面錨桿軸力分布如圖6所示，可以看出，該斷面錨桿軸力呈現(xiàn)隧道近端大，深部小的形式，最大值達(dá)到20kN，且均為拉應(yīng)力，說明錨桿在圍巖的收斂變形作用下已經(jīng)發(fā)揮了錨固力，近端由于錨桿與工字鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)片等直接焊接成整體，噴漿后形成剛性混凝土板，對錨桿形成了“托盤”作用，有助于錨固力的發(fā)揮，使得錨桿拉力最大值出現(xiàn)在圍巖表面處。錨桿軸力隨時間的變化曲線如圖7所示，可以看出，錨桿上3個測點的軸力變化趨勢基本一致。錨桿在安裝后，軸力開始逐級增大，達(dá)到峰值后經(jīng)歷多次小幅衰減后趨于穩(wěn)定。由于隧道采用三臺階開挖，中下臺階開挖過程中的多次爆破引起圍巖的急劇變形使得錨桿軸力產(chǎn)生震蕩變化，直到開挖面超出了爆破振動影響范圍后軸力才趨于平緩，穩(wěn)定時間在25d左右。4預(yù)警系統(tǒng)4.1監(jiān)測點群不確定性分析，強化質(zhì)量控制采用上面的測量方法，選定隧道開挖中的關(guān)鍵控制斷面和觀測特征點進行周期性重復(fù)觀測，通過對量測數(shù)據(jù)的及時分析，生成觀測值變化速率、位移及應(yīng)力等變化量時程曲線圖，研究監(jiān)測點群的變形、應(yīng)力等參量的變化規(guī)律，并通過回歸等方法尋找預(yù)測變化規(guī)律的函數(shù)關(guān)系，以方便下一階段的預(yù)測與預(yù)警。數(shù)據(jù)采集過程中需加強數(shù)據(jù)的檢驗校核工作。首先對監(jiān)測儀器按時校驗，提高測量精度;其次采用優(yōu)化可靠的測量方法，減小系統(tǒng)誤差;監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)整理計算需設(shè)置至少兩套系統(tǒng)，由不同的人分別計算，確保消除數(shù)據(jù)整理中的人為錯誤。4.24個顏色的警告標(biāo)準(zhǔn)黃土隧道施工期災(zāi)變風(fēng)險分為四級，與一般災(zāi)害管理一致，預(yù)警管理按照紅色、橙色、黃色和藍(lán)色控制。預(yù)警等級的含義和指標(biāo)控制如表2所示。4.3預(yù)警度的確定在監(jiān)測各指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析監(jiān)測量變化規(guī)律與警情，結(jié)合監(jiān)測預(yù)測量與控制閾值，提出自己的判斷，得出預(yù)警警度，并確定是否需要發(fā)布預(yù)警及發(fā)布時機。隧道施工是個復(fù)雜的過程，一旦遇到嚴(yán)重的災(zāi)情則需停工或進行預(yù)防控制措施，不但延誤工期，還浪費一定的人力財力。因此，預(yù)警決策過程是一個嚴(yán)格的程序，是一個群策群力的事件。預(yù)警度的確定也必定是在綜合分析工程特點、規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢和現(xiàn)場巡視情況的基礎(chǔ)上進行的，不能依據(jù)單方面的現(xiàn)象來完成。黃色和藍(lán)色預(yù)警由監(jiān)測工程師和巡視監(jiān)理工程師會商確定，橙色以上預(yù)警則由監(jiān)測工程師會同巡視監(jiān)理工程師、現(xiàn)場安全員和項目總工來綜合判斷，一旦確定警度應(yīng)立即通知項目經(jīng)理、監(jiān)理辦及建設(shè)指揮部，并及時進行預(yù)警發(fā)布，層層落實到每一個施工人員，及時啟動預(yù)控對策。預(yù)警信息發(fā)布流程如圖8所示。4.4現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果調(diào)整預(yù)警信息一經(jīng)發(fā)布，必須按照預(yù)警警度制定相應(yīng)的工程預(yù)防措施并嚴(yán)格按照該措施施工。1)預(yù)警指標(biāo)跟蹤觀測為了準(zhǔn)確掌握隧道開挖中的警情變化，在發(fā)布警情后應(yīng)加強施工中監(jiān)測量變化的量測，尤其是洞周位移、噴層裂縫和掌子面涌水等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常變化如監(jiān)測量突然增大時，分析警情變化，確定是否升級預(yù)警級別和發(fā)布。2)合理施工合理組織施工工序、優(yōu)化施工方法是控制圍巖穩(wěn)定安全的重要手段。采用短進尺、弱爆破、強支護、早封閉的施工原則，減少圍巖暴露時間和施工擾動，并針對地質(zhì)情況，確保支護結(jié)構(gòu)有足夠強度，對破碎帶巖體及早支護成環(huán)或采用CD,CRD或微臺階法施工。3)注漿加固結(jié)合隧道地質(zhì)情況與圍巖監(jiān)測情況，對改變支護參數(shù)后仍不能改善或穩(wěn)定的區(qū)段，必要時需對工作面進行注漿加固，以保證施工期間的安全。4)制定緊急避險預(yù)案并進行演練制定緊急避險預(yù)案，確定逃生路線，指導(dǎo)應(yīng)急行動有條不紊進行，開展應(yīng)急救援，并定期進行應(yīng)急培訓(xùn)與演練。5雙側(cè)噴漿層縱向裂紋控制通過對施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，斷面DK271+520在開挖3周后洞周收斂依然快速發(fā)展，收斂值超過了預(yù)測值的80%，但收斂速率仍高于規(guī)范限定值;巡查發(fā)現(xiàn)該斷面拱頂噴漿層出現(xiàn)縱向裂紋，長度近8m，經(jīng)與監(jiān)理工程師會商，聯(lián)合上報項目部總工，共同確定為橙色警情，隨即由項目部和監(jiān)理組聯(lián)合發(fā)布預(yù)警，項目部啟動控制預(yù)案。自3月28日發(fā)現(xiàn)警情后，施工隊對該區(qū)段加厚了噴漿層，監(jiān)測組隨后進行了跟蹤沉降監(jiān)測，監(jiān)測成果如表3所示。由該表可以看出，前3d拱頂沉降變化幅度僅在5mm之內(nèi)，隨后即趨于穩(wěn)定。3d后警情降為藍(lán)色，但每天繼續(xù)進行觀測，1周后沒有再次出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，項目部取消警情。6健全支護機制及風(fēng)險預(yù)警機制1)從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隰縣隧道施工監(jiān)控量測的實施已經(jīng)取得了初步成效，獲得了規(guī)律性的信息成果，可以有效指導(dǎo)