隧道信息化施工監(jiān)控量測及監(jiān)控數(shù)據(jù)回歸分析

林 超

1 概述

隧道工程在極其復(fù)雜的巖土體中建造,它是一種隱蔽性工程,圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)特性極為復(fù)雜,從而表現(xiàn)出復(fù)雜的變形特征,這種復(fù)雜的變形特征與諸多因素有關(guān),如地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖土體的物理力學(xué)特性、地下水狀況、開挖方式、支護(hù)參數(shù)、支護(hù)時機(jī)等[1]。

尋求一種能夠正確的反映隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性與變形特征的數(shù)學(xué)模型是非常困難的,因此,在隧道施工過程中,采用監(jiān)控量測技術(shù),基于實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,從而科學(xué)合理的掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和變形特征,科學(xué)的指導(dǎo)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(qū)地貌為溶蝕～侵蝕山地,壇廠隧道橫穿南西向山體,南側(cè)為陡崖,中間為山嶺、裙峰、洼地及落水洞,北側(cè)為坡谷。隧址區(qū)內(nèi)上覆地層為第四系殘坡積層,下伏三疊系灰?guī)r、泥巖、二疊系灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、白云巖及煤層。隧址區(qū)位于壇廠背斜南東翼,與壇廠背斜斜交。隧址區(qū)可能存在的不良地質(zhì)現(xiàn)象為:巖堆和軟土、危巖、斷層、地下水、瓦斯煤層等。

3 監(jiān)控量測技術(shù)方案及數(shù)據(jù)回歸分析

3.1 監(jiān)控量測技術(shù)方案

壇廠隧道在信息化施工過程中,主要開展常規(guī)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(tài)變化最直觀的反映,通過變形趨勢可判斷圍巖和初期支護(hù)穩(wěn)定狀態(tài)和二襯施作的合理時機(jī)[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(shù)據(jù)(xi,yi)(i=0,1,…,n),可找一個函數(shù)y=f(x)使其能夠表示兩個變量yi和xi的關(guān)系,則該曲線成為回歸線。實測數(shù)據(jù)散點一般都不會落在該曲線上,要使選擇的函數(shù)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(shù)據(jù)系列(xi,yi)(i=0,1,…,n),若自變量x取某一個xi時,對應(yīng)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(shè)的函數(shù)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(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析,多采用的函數(shù)y=a×e-b/x,通過如下變換公式轉(zhuǎn)化為一元線性回歸形式y(tǒng)′=a′+b′×x′,從而很方便的確定a和b。

3.3 成果分析

根據(jù)收斂型指數(shù)函數(shù)y=a×e-b/x的性質(zhì),最終收斂值yw=a和對應(yīng)的時刻,只要yw=a不大于預(yù)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(shù)據(jù)),重點研究該斷面中上斷面收斂測線數(shù)據(jù)并進(jìn)行回歸分析。

據(jù)經(jīng)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(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析,因此,本文根據(jù)第22天以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

根據(jù)最小二乘法原理,對該凈空收斂數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計文件中要求的5 cm預(yù)留變形量),且預(yù)測該段圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形已趨于穩(wěn)定。事實上,后續(xù)的監(jiān)控數(shù)據(jù)基本和回歸曲線預(yù)測的趨勢一致。

5 結(jié)語

1)監(jiān)控量測工作可掌握圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形狀態(tài),給施工決策提供參考意見;2)對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的回歸分析可有效預(yù)測圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形趨勢以及確定二襯施作時機(jī);3)量測數(shù)據(jù)的科學(xué)分析、合理預(yù)測和及時反饋,可確保隧道安全施工。

[1]李春林,李天斌,陳 強(qiáng),等.龍溪隧道初期支護(hù)監(jiān)控量測及技術(shù)初步研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),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(jiān)控量測[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,21(4):67-69.

[3]陳建華.超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測在隧道施工中的應(yīng)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(jī)輔助決策系統(tǒng)研究[D].成都:成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[5]貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)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(shè)計說明[Z].2008.