基于灰色理論的隧道圍巖變形預(yù)測(cè)

賈承輝

（河南省人民醫(yī)院，河南 鄭州 450003）

基于灰色理論的隧道圍巖變形預(yù)測(cè)

賈承輝

（河南省人民醫(yī)院，河南 鄭州 450003）

河南LN高速公路某段設(shè)置一ST隧道，其為分離式隧道，采用新奧法施工。利用激光斷面儀結(jié)合高精密水準(zhǔn)儀對(duì)ST隧道斷面圍巖變形進(jìn)行多次量測(cè)，以此為基礎(chǔ)，探討灰色系統(tǒng)理論中GM(1,1)模型和V模型對(duì)于圍巖后期變形預(yù)測(cè)的適用性。結(jié)果表明，V模型預(yù)測(cè)是可行的，可用于指導(dǎo)施工實(shí)踐。

隧道圍巖；新奧法；灰色理論；變形預(yù)測(cè)

0 引言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程在交通運(yùn)輸中的地位及重要性不斷提高。近十幾年來(lái)，我國(guó)公路隧道修筑技術(shù)，無(wú)論在設(shè)計(jì)理論還是施工方法上，都取得了質(zhì)的飛躍。以前隧道設(shè)計(jì)理論以松弛荷載理論為基礎(chǔ)，采用礦山法施工，現(xiàn)在巖體力學(xué)理論和新奧法[1]施工在公路隧道中得到了廣泛運(yùn)用。在用新奧法施工各種隧道、洞室、巷道等開(kāi)挖斷面時(shí)，圍巖監(jiān)測(cè)是其施工程序的核心之一，目前工程上常用的方法主要有應(yīng)變儀、應(yīng)變計(jì)及精密水準(zhǔn)儀掛尺桿測(cè)量法等。

河南LN高速公路某段設(shè)置一ST隧道，其為分離式隧道，左右路線(xiàn)間距24m，隧道軸線(xiàn)間距35.6m，左隧道長(zhǎng)1968m，右隧道長(zhǎng)2079m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，隧址區(qū)隧道進(jìn)口、出口路段山坡上有少量坡洪積亞粘土，下伏基巖為中元古界汝陽(yáng)群及熊耳群。利用激光斷面儀結(jié)合高精密水準(zhǔn)儀對(duì)ST隧道進(jìn)行一種探索性量測(cè)，通過(guò)對(duì)隧道圍巖凈空定點(diǎn)多次量測(cè)，處理數(shù)據(jù)，分析凈空收斂、拱頂下沉和圍巖內(nèi)部位移，以及洞內(nèi)圍巖偏壓量測(cè)情況，及時(shí)將信息反饋于施工，評(píng)價(jià)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)以及承重結(jié)構(gòu)的受力性能。基于激光斷面儀觀(guān)測(cè)的ST隧道圍巖變形數(shù)據(jù)，引入灰色理論分析法，預(yù)測(cè)圍巖的后期變形，以進(jìn)一步指導(dǎo)施工實(shí)踐[2]。

1 激光斷面儀圍巖監(jiān)測(cè)

1.1 激光斷面儀基本原理

激光斷面儀的基本原理是用步進(jìn)馬達(dá)裝置和激光測(cè)距裝置，對(duì)選定斷面進(jìn)行檢測(cè)，并在控制器中記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)與初始方向的夾角和距離，以實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量的方法。為使檢測(cè)有可比性和便于操作，以隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)為基準(zhǔn)，在選定里程的軸線(xiàn)上測(cè)出中心樁高程，調(diào)校好激光斷面儀，并測(cè)出中心樁到激光測(cè)距頭旋轉(zhuǎn)中心的高度，這時(shí)此旋轉(zhuǎn)中心即成為一極坐標(biāo)的圓心，按照與隧道軸線(xiàn)垂直的方向進(jìn)行測(cè)量[3]。

1.2 監(jiān)控量測(cè)方案

本方案采用BJSD-2型激光斷面儀結(jié)合高精密水準(zhǔn)儀定點(diǎn)掛尺方法，具體如下：

（1）斷面布置

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ042-94）[4]的要求，并結(jié)合ST隧道的具體情況，量測(cè)斷面布置如下：對(duì)V級(jí)圍巖，量測(cè)斷面間距為10米；對(duì)IV級(jí)圍巖，量測(cè)斷面間距為20米；對(duì)III級(jí)圍巖，量測(cè)斷面間距為50米。

包含內(nèi)容：①在開(kāi)挖后的隧道內(nèi)，利用全站儀先找到隧道中軸線(xiàn)；②在隧道中軸線(xiàn)上定出觀(guān)測(cè)參照點(diǎn)，并測(cè)量出該點(diǎn)的實(shí)際高程及與隧道中軸線(xiàn)的偏差值。

（2）量測(cè)時(shí)間和頻率

變形速度小于1mm/d時(shí)，量測(cè)頻率為1次/周；變形速度大于1mm/d小于10mm/d時(shí)，量測(cè)頻率為1次/天；變形速度大于10mm/d時(shí)，量測(cè)頻率為2次/天。

盡量利用隧道開(kāi)挖循環(huán)中立鋼架階段，對(duì)隧道斷面快速進(jìn)行整體及局部定點(diǎn)掃描，監(jiān)測(cè)鋼拱架、格柵支撐、錨桿和二次襯砌的變形情況，這樣可保證在及時(shí)收集數(shù)據(jù)的同時(shí)又能減少頻繁量測(cè)給施工進(jìn)度帶來(lái)的干擾。

（3）量測(cè)過(guò)程

架設(shè)BJSD-2激光斷面儀于所定參照點(diǎn)處，進(jìn)行隧道圍巖周邊、拱頂以及鋼支撐等變形、下沉、收斂情況數(shù)據(jù)采集，且每次量測(cè)時(shí)，用精密水準(zhǔn)儀測(cè)出參照點(diǎn)的高程變化值。

1.3 數(shù)據(jù)、圖形的輸出及處理

隧道激光斷面儀由控制器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)軟件，由計(jì)算計(jì)直接輸出，再傳入計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。開(kāi)挖過(guò)程中，用激光斷面儀對(duì)同一斷面的圍巖穩(wěn)定性觀(guān)測(cè)時(shí)，把多次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算出隧道的收斂位移。具體而言，就是在軟件支持下，把第一次量測(cè)所得圖形作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)圖，然后把后續(xù)依次測(cè)量圖與基準(zhǔn)圖比較，觀(guān)察差值即可看到斷面上設(shè)定的不同點(diǎn)的收斂變形情況。比如在數(shù)據(jù)圖像比較處理時(shí)，標(biāo)高坐標(biāo)扣除用精密水準(zhǔn)儀所測(cè)斷面基準(zhǔn)點(diǎn)圍巖變形值，在比較圖上就可以看到周邊變形情況。如圖1所示，ST隧道某里程處開(kāi)挖后第四天變形與第三天比較，可看出拱頂還有約3～4mm的變形，拱肩有1～3mm的變形。

圖2是ST隧道IV級(jí)圍巖zk11+540.989里程處開(kāi)挖后第二天拱頂變形情況，可看出此時(shí)拱頂有5mm的沉降變形。

圖1 ST隧道某里程處第四天變形與第三天比較圖

圖2 ST隧道zk11+540.989里程處第二天拱頂變形圖

2 ST隧道圍巖變形預(yù)測(cè)

2.1 灰色理論原理

部分信息已知，部分信息未知的系統(tǒng)，稱(chēng)為灰色系統(tǒng)。灰色分析全稱(chēng)即為灰色系統(tǒng)理論分析，是由中國(guó)華中科技大學(xué)鄧聚龍教授于1982年在國(guó)際經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)議上提出的，該理論主要是針對(duì)系統(tǒng)模型的不明確性，信息的不完整性，進(jìn)行關(guān)于系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析、模型建構(gòu)、預(yù)測(cè)及決策的方法來(lái)探討及了解系統(tǒng)[5]。灰色分析的優(yōu)點(diǎn)在于：①不需要大量樣本；②樣本不需要有規(guī)律性分布；③計(jì)算工作量小；④定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果不會(huì)不一致；⑤可用于近期、短期和中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)；⑥灰色預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度高。

圍巖穩(wěn)定性預(yù)測(cè)研究是當(dāng)前隧道地質(zhì)工作中的一項(xiàng)重要任務(wù)，而隧道變形的定量預(yù)測(cè)是其關(guān)鍵之所在。這種定量預(yù)測(cè)由于資料的匱乏性而難度較大，實(shí)踐性及探索性較強(qiáng)。20世紀(jì)80年代末以來(lái)，灰色系統(tǒng)理論開(kāi)始引入地質(zhì)領(lǐng)域，灰色GM(1,1)預(yù)測(cè)模型以其數(shù)量要求少，計(jì)算方便簡(jiǎn)單及預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是解決圍巖變形預(yù)測(cè)到的一種有效途徑，已在一些實(shí)際工程預(yù)測(cè)中得到具體應(yīng)用，并初見(jiàn)成效。

一切隨機(jī)量都可看作是一定范圍內(nèi)變化的灰色量，對(duì)灰色量的處理不是找概率分布及求統(tǒng)計(jì)規(guī)律，而是通過(guò)數(shù)據(jù)生成來(lái)尋求數(shù)據(jù)間的規(guī)律，根據(jù)對(duì)生成數(shù)據(jù)建模實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)目的。常用的數(shù)據(jù)生成方式有累加生成，累減生成及映射生成等幾種。灰色GM(1,1)模型是常用的單變量一次累加生成預(yù)測(cè)模型，下面將采取一種較為快捷的方法，進(jìn)一步探究該模型在ST隧道監(jiān)控中的應(yīng)用。

2.2 灰色分析預(yù)測(cè)

對(duì)ST隧道斷面的量測(cè)數(shù)據(jù)如圖3所示，拱頂處的變形值為3.5mm，可左右內(nèi)插提取。這樣，通過(guò)對(duì)同一斷面進(jìn)行多次觀(guān)測(cè)，提取所需數(shù)值列為表1，并分別采用GM(1,1)模型和V模型進(jìn)行灰色分析預(yù)測(cè)。

圖3 斷面儀量測(cè)數(shù)據(jù)直觀(guān)圖

圖4 灰色分析預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較圖

表1 ST隧道斷面實(shí)測(cè)值及GM(1，1)模型和V模型預(yù)測(cè)值

2.3 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比較

如圖4所示，從實(shí)測(cè)值來(lái)看，240h時(shí)隧道的實(shí)際拱頂下沉量為37.5mm，而GM(1，1)模型預(yù)測(cè)的拱頂最大下沉量為33.8mm，二者基本符合。圍巖變形必經(jīng)要收斂于某一值，V模型預(yù)測(cè)拱頂最終收斂性較好，更能符合一般規(guī)律，而GM(1，1)模型預(yù)測(cè)值后期收斂不明顯。從預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析可以得出，采用V模型預(yù)測(cè)圍巖變形是可行的，其預(yù)測(cè)結(jié)果在指導(dǎo)施工實(shí)踐時(shí)有重要的參考作用。

3 結(jié)論

以激光斷面儀對(duì)ST隧道圍巖變形的大量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型和V模型分別對(duì)圍巖的后期變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，比較發(fā)現(xiàn)V模型預(yù)測(cè)是可行的，其預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)指導(dǎo)施工實(shí)踐有著重要的參考作用。

［1］林勇.對(duì)公路隧道新奧法施工監(jiān)控技術(shù)的展望[J].公路交通技術(shù),2004(8):84-87,109.

［2］賈承輝.基于斷面儀及雷達(dá)對(duì)隧道施工監(jiān)測(cè)方法的研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2008.

［3］北京光電技術(shù)研究所斷面儀使用手冊(cè)[Z].2005.

［4］重慶公路科學(xué)研究所.JTJ042-94公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1995

［5］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)論文集[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1989.

楊玉潔］