某隧道塌方前后的監控量測及數據分析

丁 雄，王超林，余 熠，王興宏

(1.湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201; 2. 中南大學湘雅醫院, 湖南 長沙 410008)

0 引 言

隨著我國城市地鐵建設的大量興起，新奧法在隧道施工中應用越為廣泛。監控量測是新奧法施工的關鍵一環[1]，科學合理的監控量測可以幫助判斷圍巖的穩定性，及時了解圍巖變形情況，給地鐵施工安全提供良好的保障[2]。在國內，徐萬鵬對隧道位移的監控量測的新方法進行了一系列可行性探索[3]；趙玉光結合某高速公路隧道施工監測，對地下工程的開挖和支護安全預測、地質災害超前預報等工作進行了分析研究[4]；葉飛對公路隧道現場監控量測數據進行回歸分析，并給出了適合現場及時反饋運用的數據分析處理方法[5]；陳秋南對某高速公路隧道發生的坍塌事故，結合現場監控量測對加固處治后的圍巖變形進行研究[6￣7]。監控量測的應用為隧道安全施工提供保障的同時也為廣大研究者分析圍巖變形規律提供了直接有效的工具。

重慶北碚地鐵站開挖過程中曾出現塌方事故，隧道塌方前后進行了監測量測，監測項目包括：拱頂沉降、周邊收斂位移、地表沉降和鋼拱架應力等。基于現場監測數據，分析塌方前后隧道圍巖及支護結構的受力和變形規律，根據4種回歸函數和回歸系數對量測數據進行對比分析和評價，得出了多項式函數更適合于淺埋大斷面隧道拱頂沉降預測的結論。

1 工程概況

重慶軌道交通六號線二期北碚站位于北碚區政府對面、北碚嘉陵風情街下。車站內部采用單拱雙層島式，主體采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，頂部覆土21.4 m，最大開挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，隧道起訖樁號為DK55+955.302～DK56+134.302，總長179 m。車站兩端為復合式TBM區間，主體采用掘進通過，在車站大里程端設置復合式TBM接受導洞。車站屬于特大斷面暗挖隧道，IV級圍巖，采用雙側壁導坑法施工。

自車站施工進入主體結構以來，由于施工時支護不及時，沒按照設計要求的雙側壁導坑法及縱向施工步序進行施工，未留設核心土等原因發生坍塌事故，車站左線DK55+985～DK55+962段側壁導坑發生冒頂，長度約23 m。

2 監控量測方案

根據《鐵路隧道施工技術規范》和北碚站隧道施工圖設計的要求，并考慮北碚站實際的地質情況，制定了北碚站的監控量測方案。主要監測內容有:掌子面及支護現場觀察、地表沉降觀測、周邊建筑物沉降觀測、拱頂沉降觀測、洞內圍巖收斂變形觀測、鋼支撐內力測試等。

3 隧道塌方前監測數據分析

3.1 左、右導洞開挖之后

里程段DK55+962～DK55+985左右導洞施工完成初期支護后即開始對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監控量測，圖1和圖2分別是斷面ZDK55+980、YDK55+980位移收斂變化曲線和拱頂沉降變化曲線圖。由圖1、圖2可知，隧道圍巖的凈空收斂和拱頂都經過三個階段：急劇變形期→緩和變形期→基本穩定期。洞內DK55+980左、右線的內空收斂值分別為3.73 mm和3.49 mm，收斂速率從0.51 mm/d遞減為0.06 mm/d；拱頂沉降值分別為-7.12 mm和-5.29 mm，沉降速率由-0.80 mm/d遞減為-0.13 mm/d；YDK55+980變形量比ZDK55+980較小，且更早趨于穩定；監測數據在一個月內變形趨于穩定，日變化量和累計變化值都在設計允許范圍內。

圖1 DK55+980位移收斂變化曲線

圖2 DK55+980拱頂沉降變化曲線

3.2 核心土開挖之后

核心土開挖之后即對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監測，圖3和圖4分別是斷面ZDK55+980、YDK55+980位移收斂變化曲線圖和拱頂沉降變化曲線圖。

DK55+962～DK55+985核心土去除后，車站斷面收斂及沉降變化增大，拱頂變形數據發生突變，當天拱頂沉降最大值達到-4.56 mm；內空收斂日變化量也逐漸增加，但相較而言沒有拱頂沉降的變化速率大；地表測點C-76累計沉降量達到-31.78 mm，超過設計允許變形值。可見，去除核心土對隧道拱頂沉降及地表下沉影響較大，而對內空收斂值的影響相對較小。

圖3 核心土開挖后里程DK55+980的位移收斂曲線

圖4 核心土開挖后里程DK55+980的拱頂沉降曲線

3.3 塌方處治后

塌方段DK55+962～DK55+985塌方處治后即開始對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監控量測。塌方處治完成后，雖然車站斷面收斂及沉降日變化量較大，達到±0.4 mm/d，ZDK55+980拱頂沉降速率甚至達到-0.95 mm/d，但隨著進度向前發展，各項指標逐漸趨于穩定；當二次布點監測時，ZDK55+980沉降速率明顯小于-0.2 mm/d，最終累計沉降值只有-3.24 mm，監測數據日變化量和累計變化值都在設計允許范圍內；這說明后期核心柱加固對圍巖穩定性起了很大作用，后期圍巖變化基本已經達到穩定狀態。

4 監控量測對隧道處治評價

4.1 監測數據回歸分析

由于監測數據具有離散性和不規則性，要正確進行數據分析，必須應用數學方法對量測所得的原始數據進行回歸分析，找出隧道圍巖變形隨時間變化的規律。以塌方斷面ZDK55+980為例，對整個過程中監測數據進行回歸分析。

根據拱頂沉降曲線圖數據特點分析可知，拱頂沉降值隨時間的推移，由遞增→平緩→突變→再遞增→逐漸穩定；沉降速率變化過程為：日變化量較大→平緩→突增→逐漸減小→趨于穩定。由曲線的變化特點，對不同回歸函數進行計算，確定相關系數R值，然后比較預測的最終沉降值。

4.1.1 對數函數計算

回歸函數表達式為：

u=aln(1+t)

(1)

式中:a—回歸參數；

u—拱頂沉降值,mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關系數：

4.1.2 指數函數計算

回歸函數表達式為：

u=ae-b/t

(2)

式中:a、b—回歸參數；

u—拱頂沉降值，mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關系數：

4.1.3 雙曲線函數計算

回歸函數表達式為：

(3)

式中:a、b—回歸參數；

u—拱頂沉降值,mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關系數：

4.1.4 多項式函數計算

多項式回歸函數是根據監測數據離散點結合計算機軟件自動生成的回歸趨勢線，回歸曲線與實測曲線如圖5所示。雙曲線函數表達式為：

u=-4E-11t6-6t5-0.9504t4+51756t3-2E+9t2+3E+13t-2E+17

(4)

階數n=6，相關系數R=0.9904。

圖5 回歸曲線與實測曲線

由上述回歸曲線函數及相關系數可知，4個回歸模型中，相關系數R的排列順序為：雙曲線<指數<對數<多項式<1，可見多項式函數的回歸精度最高，用來預測該斷面拱頂最終沉降量最精確。

4.2 最終沉降值及速率的預測

對觀測時間t=88 d時，最終拱頂沉降及變化速率進行預測，結果見表1。

表1 觀測時間t=88d時實測值和預測值對比

由表1可以看出，4種回歸模型預測時間t=88d的最終沉降值與實測值均相差不大，相較之下，多項式函數所得的預測值更加接近實際值，t=88 d后圍巖變形速率基本趨于穩定；同時也說明了本工程采取的處治措施起到了預想的效果。

5 結 論

(1) 隧道塌方前左右導洞開挖，留設核心土，監測數據未出現異常。核心土開挖到隧道發生塌方階段，隧道拱頂沉降發生了突變現象，日沉降量超過設計允許變形值，說明采用雙側壁導坑法施工時，核心土的留設對隧道圍巖穩定性至關重要。

(2) 拱頂沉降值隨時間的推移，由遞增→平緩→突變→再遞增→逐漸穩定，沉降速率變化過程為：日變化量較大→平緩→突增→逐漸減小→趨于穩定。

(3) 4種回歸模型預測的最終沉降值與實測值均相差不大，對于淺埋大斷面地鐵隧道拱頂沉降觀測，多項式函數所得預測值更加接近實際。

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