隧道信息化施工監控量測及監控數據回歸分析

林 超

1 概述

隧道工程在極其復雜的巖土體中建造,它是一種隱蔽性工程,圍巖與支護結構相互作用的力學特性極為復雜,從而表現出復雜的變形特征,這種復雜的變形特征與諸多因素有關,如地層巖性、巖體結構、巖土體的物理力學特性、地下水狀況、開挖方式、支護參數、支護時機等[1]。

尋求一種能夠正確的反映隧道圍巖和支護結構的力學特性與變形特征的數學模型是非常困難的,因此,在隧道施工過程中,采用監控量測技術,基于實測數據進行回歸分析,從而科學合理的掌握圍巖和支護結構的力學特性和變形特征,科學的指導施工。

2 壇廠隧道工程概況

遵赤公路起始遵義市終止赤水市的高速公路,是連接崇遵、貴遵高速公路南下的重要通道。

壇廠隧道位于遵赤公路白蠟坎—茅臺段,為雙洞單向行駛隧道。隧道單洞長約2 090 m;左線最大埋深為302.5 m,右線最大埋深為335.2 m。

隧址區地貌為溶蝕～侵蝕山地,壇廠隧道橫穿南西向山體,南側為陡崖,中間為山嶺、裙峰、洼地及落水洞,北側為坡谷。隧址區內上覆地層為第四系殘坡積層,下伏三疊系灰巖、泥巖、二疊系灰巖、炭質泥巖、粉砂巖、白云巖及煤層。隧址區位于壇廠背斜南東翼,與壇廠背斜斜交。隧址區可能存在的不良地質現象為:巖堆和軟土、危巖、斷層、地下水、瓦斯煤層等。

3 監控量測技術方案及數據回歸分析

3.1 監控量測技術方案

壇廠隧道在信息化施工過程中,主要開展常規量測項目,如:凈空收斂、拱頂下沉和地表沉降三項。測點布置見圖1,圖2。

凈空收斂和拱頂下沉是隧道圍巖狀態變化最直觀的反映,通過變形趨勢可判斷圍巖和初期支護穩定狀態和二襯施作的合理時機[2]。凈空收斂累計值(Sn)和拱頂下沉累計值(hn)按照下式計算(單位均為mm):

其中,Li為第i次量測值;Li-1為第i-1次量測值;ΔSi為第i次與第i-1次量測收斂值。

其中,hi為第i次量測值;hi-1為第i-1次量測值;Δhi為第i次與第i-1次拱頂收斂值。

3.2 非線性回歸分析

對給定的一組數據(xi,yi)(i=0,1,…,n),可找一個函數y=f(x)使其能夠表示兩個變量yi和xi的關系,則該曲線成為回歸線。實測數據散點一般都不會落在該曲線上,要使選擇的函數y=f(x)與實際散點相差最小,最具有代表性,則需用最小二乘法原理來判別。

最小二乘法原理是:給定若干數據系列(xi,yi)(i=0,1,…,n),若自變量x取某一個xi時,對應的實測值為yi,回歸值為y′i,使平方和取最小值時的回歸線是最佳的 。

通常,一元線性回歸分析時假設的函數y′=a+b×x′,使取極小值時,則有于是:

一般情況下[4],隧道凈空收斂和拱頂下沉累計值多采用指數函數進行回歸分析,多采用的函數y=a×e-b/x,通過如下變換公式轉化為一元線性回歸形式y′=a′+b′×x′,從而很方便的確定a和b。

3.3 成果分析

根據收斂型指數函數y=a×e-b/x的性質,最終收斂值yw=a和對應的時刻,只要yw=a不大于預留變形量,即可建議施作二襯。

4 實例分析

本文選擇壇廠隧道左線ZK27+570斷面作為研究對象(該斷面采集了近50 d的凈空收斂和拱頂下沉數據),重點研究該斷面中上斷面收斂測線數據并進行回歸分析。

據經驗,隧道凈空收斂曲線的早期階段并不適合采用收斂型的指數函數進行回歸分析,因此,本文根據第22天以后的數據進行回歸分析。

根據最小二乘法原理,對該凈空收斂數據進行回歸分析,并獲取回歸曲線,該回歸曲線為u=3.893e-1.2631/t(見圖3)。該曲線表明,該斷面凈空收斂最大累計值yw=3.893 mm(小于設計文件中要求的5 cm預留變形量),且預測該段圍巖和支護結構變形已趨于穩定。事實上,后續的監控數據基本和回歸曲線預測的趨勢一致。

5 結語

1)監控量測工作可掌握圍巖和支護結構變形狀態,給施工決策提供參考意見;2)對監控數據進行合理的回歸分析可有效預測圍巖和支護結構變形趨勢以及確定二襯施作時機;3)量測數據的科學分析、合理預測和及時反饋,可確保隧道安全施工。

[1]李春林,李天斌,陳 強,等.龍溪隧道初期支護監控量測及技術初步研究[J].地質災害與環境保護,2007,18(4):85-90.

[2]尹光志,劉能鑄,張東明,等.渝湘高速公路隧道新奧法施工監控量測[J].湖南科技大學學報(自然科學版),2006,21(4):67-69.

[3]陳建華.超前地質預報和監控量測在隧道施工中的應用[J].山西建筑,2009,35(10):335-336.

[4]孟路波.公路隧道信息化施工與計算機輔助決策系統研究[D].成都:成都理工大學碩士學位論文,2004.

[5]貴州省交通規劃勘察設計研究院.遵赤公路白蠟坎至茅臺段高速公路壇廠隧道施工圖設計說明[Z].2008.