，，，

(1.中交四航工程研究院有限公司,廣州 510230； 2. 中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510230)

1 研究背景

新奧法作為隧道施工的主要方法，自20世紀(jì)60年代奧地利學(xué)者拉布西維茨(L.V. Rabcewice)等從長期從事的隧道施工實(shí)踐中總結(jié)提出以來，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展?，F(xiàn)場圍巖變形監(jiān)控量測作為其重要組成部分，在整個(gè)隧道的施工過程中起到了極其重要的作用，它是保證工程質(zhì)量和隧道施工安全的重要措施，同時(shí)，也是判定圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)，繪制位移-時(shí)間變化關(guān)系曲線，可以直觀判定圍巖的穩(wěn)定情況和獲知其變形趨勢，是處理原始量測數(shù)據(jù)的主要方法之一。但由于受偶然誤差和巖土工程復(fù)雜性等因素影響，現(xiàn)場量測的原始數(shù)據(jù)往往具有一定的離散性，測試數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖波動(dòng)性較大。因此，有必要對位移量測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得圍巖位移時(shí)態(tài)變化曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1-2]。

珠藏洞隧道位于湖北省?？悼h寺坪鎮(zhèn)境內(nèi)，地處青峰斷裂帶區(qū)域，其穿越區(qū)域圍巖條件比較復(fù)雜，涵蓋Ⅱ—Ⅴ類圍巖，以白云巖、灰?guī)r等為主，有3條規(guī)模不等的斷層以大角度穿越，分別為F7-2，F(xiàn)8-2，F(xiàn)9-2，該系列斷層破碎帶寬度一般為30～200 m，延伸長度一般大于2 km，均穿越隧道洞身，使圍巖局部較破碎，對隧道影響較大[3]。本文以珠藏洞隧道為例，介紹了隧道施工期監(jiān)控量測的優(yōu)化方案與安全預(yù)警方法，并采用指數(shù)函數(shù)回歸分析模型，對典型監(jiān)測斷面位移量測數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析與精度判定，同時(shí)，根據(jù)隧道開挖后圍巖的時(shí)態(tài)變化曲線對其穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)。

2 隧道施工安全監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測方案

隧道開挖后，圍巖力學(xué)變形形態(tài)的變化很大程度上反映為隧道凈空的變化，因此，位移量測可以直接反映隧道施工開挖過程中圍巖變形演化情況，這是隧道監(jiān)控量測的主要工作內(nèi)容之一[4]。為了掌握珠藏洞隧道開挖過程中圍巖變形的動(dòng)態(tài)變化，在洞內(nèi)左幅和右幅掌子面附近分別設(shè)置105和98個(gè)監(jiān)測斷面，主要對拱頂沉降位移與周邊收斂位移進(jìn)行監(jiān)測。具體監(jiān)測方案[5]如下：

圖1 周邊收斂和拱頂沉降測點(diǎn)布置示意圖

(1) 各監(jiān)測斷面應(yīng)在避免爆破作業(yè)對監(jiān)測點(diǎn)引起破壞的前提下，盡可能接近工作面埋設(shè)，一般距離掌子面1～2 m，在爆破完成后24 h內(nèi)和下一循環(huán)爆破前布置，并測取初始讀數(shù)。拱頂測點(diǎn)、周邊測點(diǎn)分別采用平圓頭鋼筋和膨脹螺栓制成，將反射片固定于鋼筋上。測點(diǎn)布置如圖1所示。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件和環(huán)境情況，分別采用徠卡TS06高精度全站儀和JSS30A型數(shù)顯收斂計(jì)讀取拱頂沉降監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)和周邊收斂位移。將各點(diǎn)的相對值減去上一次的相對值，得到各監(jiān)測點(diǎn)的變化值，從而可得到變化速度。將每次量測后的相對值減去第一次的相對值即可得各監(jiān)測點(diǎn)的絕對變化值。根據(jù)每次監(jiān)測的拱頂沉降位移和周邊收斂位移值，繪制各測點(diǎn)平面位置曲線圖，預(yù)測隧道開挖后圍巖的變形趨勢。

(3) 監(jiān)測斷面的布設(shè)間距按圍巖級別進(jìn)行確定，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ類圍巖中洞內(nèi)監(jiān)測斷面的間距分別為大于20 m，15～20 m，10～15 m和5～10 m。

2.2 監(jiān)測頻率及預(yù)警值

變形監(jiān)測頻率和變形速率及監(jiān)測目的是密切相關(guān)的，其大小應(yīng)能準(zhǔn)確反映巖體的變形規(guī)律。一般而言，變形量較大時(shí)，應(yīng)增大監(jiān)測頻率；反之，應(yīng)減小監(jiān)測頻率。為了保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)[6]和設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)監(jiān)測頻率為：監(jiān)測初期2次/d，正常施工階段1次/d，監(jiān)測值發(fā)生突變時(shí)加大監(jiān)測頻率。

根據(jù)量測數(shù)據(jù)分析和對施工過程中的潛在危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警是監(jiān)控量測工作的重要組成部分[7]。在隧道施工監(jiān)測中，一般采用Ⅲ級管理模式，即將允許值的1/3作為基準(zhǔn)值，允許值的2/3作為警戒值。警戒值和容許值之間稱為警戒范圍，當(dāng)實(shí)測值位于警戒范圍時(shí)，及時(shí)提出預(yù)警，并調(diào)整施工支護(hù)方案，預(yù)防最終位移值超限；警戒值和基準(zhǔn)值之間稱為注意范圍，當(dāng)實(shí)測值位于注意范圍時(shí)，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)實(shí)測值小于基準(zhǔn)值時(shí)，隧道圍巖整體穩(wěn)定性較好，可正常施工。

根據(jù)隧道埋深和圍巖類別的不同，珠藏洞隧道位移警戒值的范圍如表1所示。

表1 位移警戒值范圍

圖2 JSS30A數(shù)顯收斂計(jì)

2.3 數(shù)據(jù)采集

拱頂沉降監(jiān)測和周邊收斂位移監(jiān)測應(yīng)在同一斷面上進(jìn)行。采用徠卡TS06高精度全站儀測定沉降點(diǎn)坐標(biāo)，后視點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)保證不受隧道施工的影響，與測站點(diǎn)的連線近似平行于隧道軸線。徠卡TS06全站儀精度為2″，免棱鏡測試距離為400 m。JSS30A系列數(shù)顯收斂計(jì)(見圖2)外殼采用防銹鋁材合金材料，具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、密封性好等特點(diǎn)，適用于惡劣環(huán)境。儀器總質(zhì)量為0.9 kg，測量精度為0.06 mm，相鄰鉆孔間距為2.5 cm。

由于受洞內(nèi)溫度變化影響，鋼尺會產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，因此，為了消除溫度變化對量測結(jié)果的影響，必須對測量值進(jìn)行溫度修正。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，一般以20 ℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，則收斂計(jì)相應(yīng)的溫度修正值Rt為

Rt=Lα(T-20)。

(1)

式中：L為量測時(shí)鋼尺的掛孔長度；T為量測時(shí)溫度；α為鋼尺的線膨脹系數(shù)，為1.26×10-5/℃。

量測真實(shí)值應(yīng)為溫度修正值和測量值之和，其計(jì)算公式為

R=R′+Rt。

(2)

式中：R為量測真實(shí)值；R′為測量值。

3 回歸分析與精度檢驗(yàn)

3.1 回歸分析的基本原理

目前，對隧道圍巖變形量測數(shù)據(jù)的處理，一般是通過Excel和Origin軟件進(jìn)行擬合回歸分析完成的，這些方法具有運(yùn)算方便、易于檢驗(yàn)和計(jì)算機(jī)處理方便等優(yōu)點(diǎn)，是處理量測數(shù)據(jù)的重要方法之一[8]。

y=-Bx+lnA=A′x+B′。

(3)

式中：A，B，A′，B′均為回歸系數(shù)。

由最小二乘法原理可知，使得目標(biāo)函數(shù)

(4)

所需滿足的條件為

(5)

(6)

由式(5)和式(6)可知，回歸系數(shù)A′和B′分別為

(7)

其中:

(8)

由式(7)可知，最終回歸系數(shù)A和B分別為

(9)

3.2 精度檢驗(yàn)

回歸分析模型對系統(tǒng)未來狀態(tài)的定量預(yù)測是否合乎要求，能否作為定性分析的依據(jù)，必須經(jīng)過多方面的檢驗(yàn)和判斷，只有通過檢驗(yàn)才能將其用于預(yù)測[4]。常用的檢驗(yàn)方法主要有關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)和后驗(yàn)法檢驗(yàn)。

目前，常用的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀腥缦?種：

(2) 若取C=S2/S1為均方差比值，對于給定的C0>0，當(dāng)C

表2 精度檢驗(yàn)等級參照表

4 位移量測數(shù)據(jù)分析

4.1 位移量測數(shù)據(jù)的回歸分析

為掌握珠藏洞隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定情況，基于位移量測數(shù)據(jù)，利用指數(shù)函數(shù)回歸分析模型，對監(jiān)測斷面ZK62+360的拱頂沉降和周邊收斂位移量測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以獲得隧道開挖后圍巖位移變化趨勢。

由最小二乘法原理可知，斷面ZK62+360的拱頂沉降和周邊收斂位移的回歸方程分別為

u拱=2.639 5e-1.311 2/t,

(10)

u周=4.948 6e-0.678 4/t。

(11)

斷面ZK62+360的誤差檢驗(yàn)如表3所示。

4.2 精度分析

指數(shù)函數(shù)回歸分析模型能否作為珠藏洞隧道圍巖穩(wěn)定情況定性分析的依據(jù)，必須經(jīng)過檢驗(yàn)和判斷。分別采用關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)和后驗(yàn)法檢驗(yàn)對回歸模型進(jìn)行精度評定。斷面ZK62+360的拱頂沉降模型和周邊收斂模型的精度評定結(jié)果如表4所示。

綜上所述，斷面ZK62+360的拱頂沉降回歸模型和周邊收斂回歸模型均能較好反映隧道開挖后圍巖位移隨時(shí)間變化關(guān)系。

4.3 位移量測結(jié)果分析

圖3為斷面ZK62+360的拱頂沉降擬合值和周邊收斂擬合值隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。由于斷面ZK62+360區(qū)域附近地質(zhì)條件較好，施工單位采用鉆爆法進(jìn)行全斷面開挖，每循環(huán)進(jìn)尺3 m左右，其拱頂沉降速率和周邊收斂速率與掌子面變化曲線如圖4所示。

表3 ZK62+360誤差檢驗(yàn)

表4 精度評定結(jié)果

圖3 位移隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖4 變形速率隨掘進(jìn)距離變化關(guān)系曲線

由圖4可知，在開挖過程中，隨著掘進(jìn)距離的逐漸增加，爆破開挖對斷面的影響逐漸減小，拱頂沉降和周邊收斂變形速率則越來越小，圍巖變化趨于穩(wěn)定。當(dāng)監(jiān)測斷面距離掌子面約12 m時(shí)，拱頂沉降和周邊收斂釋放率分別約為82%和90%，可認(rèn)為圍巖變形已基本穩(wěn)定，周邊收斂位移的變化趨勢與拱頂沉降基本一致，均隨著掘進(jìn)距離的增加，變形速率逐漸減小，最后趨于0。

總體而言，隧道圍巖變形發(fā)展呈3個(gè)階段：

(1) 急劇變形階段。隧道開挖后圍巖初始變形速率最大，之后逐漸降低，位移與時(shí)間關(guān)系呈下彎型。

(2) 緩慢變形階段。隨著變形速率的逐漸減小，圍巖變形越來越小，時(shí)態(tài)曲線趨于平緩。

(3) 變形穩(wěn)定階段。圍巖變形速率逐漸趨近于0，變形不再增加。

5 結(jié) 論

(1) 指數(shù)函數(shù)能夠較好擬合實(shí)測值，表明這種函數(shù)模型能夠很好地反映隧道開挖后圍巖的時(shí)態(tài)變化情況，可以作為圍巖穩(wěn)定性判定和確定二次襯砌施作時(shí)間的依據(jù)。

(2) 對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，圍巖變形速率隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，二者近似呈指數(shù)關(guān)系。

(3) 隧道爆破開挖后，位移曲線呈“廠”字形分布，未出現(xiàn)“反彎點(diǎn)”，圍巖變形過程為從急劇變形到緩慢穩(wěn)定，隧道圍巖穩(wěn)定性較好，支護(hù)結(jié)構(gòu)合理。

(4) 監(jiān)測斷面的拱頂沉降和周邊收斂位移累計(jì)值均遠(yuǎn)小于警戒值，圍巖穩(wěn)定性好，說明支護(hù)方案合理，可正常施工。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃聲享, 尹 暉, 蔣 征, 等. 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢:武漢大學(xué)出版社，2002. (HUANG Sheng-xiang, YIN Hui, JIANG Zheng，etal. Deformation Monitoring Data Processing[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2002.(in Chinese))

[2] 文輝輝, 尹健民，秦志光, 等. BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在隧道圍巖力學(xué)參數(shù)反演中的應(yīng)用[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2013, 30(2): 47-51.(WEN Hui-hui, YIN Jian-min, QIN Zhi-guang,etal. Application of BP Neural Network to the Back Analysis of Mechanical Parameters of Tunnel Surrounding Rock[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(2): 47-51.(in Chinese))

[3] 湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 谷竹高速公路珠藏洞隧道工程勘察報(bào)告[R]. 武漢: 湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2010. (Hubei Provincial Communication Planning and Design Institute. Investigation Report of Zhuzangdong tunnel in Gucheng-Zhuxi Expressway[R]. Wuhan：Hubei Provincial Communication Planning and Design Institute，2010.(in Chinese))

[4] 楊 平, 覃衛(wèi)民, 楊 育, 等. 密集建筑群下大斷面隧道施工反饋分析及安全性控制研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(4): 795-803. (YANG Ping, QIN Wei-min, YANG Yu,etal. Study of Feedback Analysis and Safety Control of Large-Section Tunnel Excavation under Intensive Buildings[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(4): 795-803.(in Chinese))

[5] 李長武, 文輝輝, 尹鍵民. 珠藏洞隧道施工安全監(jiān)測與評價(jià)[J]. 水力發(fā)電, 2012, 38(6): 51-53. (LI Chang-wu, WEN Hui-hui, YIN Jian-min. Safety Monitoring and Evaluation for Zhuzangdong Tunnel[J]. Water Power, 2012, 38(6): 51-53.(in Chinese))

[6] JTG F60—2009, 公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2009. (JTG F60—2009, Technical Specifications for Construction of Highway Tunnel[S]. Beijing: China Communications Press, 2009.(in Chinese))

[7] 李曉紅. 隧道新奧法及其量測技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2002. (LI Xiao-hong. New Austrian Tunneling Method [M]. Beijing: Science Press, 2002.(in Chinese))

[8] 崔東文, 郭 榮. 基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的文山州水資源配置合理性評價(jià)分析[J]. 長江科學(xué)院院報(bào), 2012, 29(10): 57-62.(CUI Dong-wen, GUO Rong. Evaluation of Rational Water Allocation Based on Probabilistic Neural Network：Case of Wenshan Prefecture[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2012, 29(10): 57-62.(in Chinese))