隧道監控量測的數據處理及分析

胡先進，王　爭，任梓綺

(貴州省交通科學研究院股份有限公司，貴州 貴陽　550001)

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隧道監控量測的數據處理及分析

胡先進，王爭，任梓綺

(貴州省交通科學研究院股份有限公司，貴州 貴陽550001)

摘要：針對隧道施工監控量測，結合實例，在簡單介紹監控量測目的與方法的基礎上，深入分析了量測、數據處理與分析的主要內容，旨在為類似工程提供可靠的理論基礎。

關鍵詞：隧道施工；監控量測；數據處理；數據分析

1監控量測的常用方法

本隧道風險系數相對較高，隧道斷面凈空、跨度大，使得監控量測的頻率變大，加之施工現場條件較為惡劣，所以實施監控量測作業的難度很大。以往的監控量測方法為：使用鋼尺、水準儀以及收斂計等設備儀器進行量測，這樣的方法不僅操作復雜，而且還會造成施工干擾，量測的結果會受到人為因素的影響，總體監控量測質量較為低下。在長度較大的隧道中，這種傳統的做法顯然已經無法滿足實際需求。因此，深入分析在復雜施工條件下，充分利用全站儀三角高程與對邊測量，在要求的準確度范圍中對圍巖的變形實施非接觸量測，并通過回歸分析等對量測得到的數據進行分析處理，是具有很高現實意義的。與傳統基于人工量測的方法相比，這種全新的量測方法不僅效率突出，且可以保持相對較高的測量精度(低于10-1mm)，滿足當前隧道量測的技術要求。除此之外，合理使用數據自動記錄功能，可以把量測數據傳輸到計算機當中，使用回歸分析軟件對數據進行分析和處理，生成線性圖像，進而更加直觀的表達量測結果。

2測點布置與頻率

2.1測點布置

嚴格按照相關技術規程的規定，為更加準確的獲得圍巖開挖初始階段的變形動態，應及時進行測點布置，所有測點需布置在開挖工作面2 m的區域中，同時確保實施爆破1 d內、下次爆破前測取初讀數。測點布置與代表性隧道斷面選擇是開展量測工作的首要任務，根據有關規定，結合隧道地質情況，施工時應嚴格按照5～10 m的間距標準選擇代表性隧道斷面，在拱頂軸線及左右各埋設一個測點，即埋設三個拱頂下沉測點，在隧道底板上方約1 m的范圍中進行周邊收斂測點埋設。本隧道的測點布置情況如圖1所示。

2.2量測頻率

具體的量測頻率需要根據工程的實際情況確定，主要參考對象為位移速度。本隧道工程的量測頻率如表1所示。

表1　隧道監控量測頻率

2.3量測數據采集

隧道拱頂沉降量測采取“全站儀三角高程中間法”進行，量測開始之前，首先應確定量測儀器是否進入“兩差”狀態。量測過程中要求“三固定”，也就是量測工作人員固定、量測儀器設備固定以及基準點固定。隧道中的凈空收斂值需使用“全站儀對邊測量程序”進行，可對各個測線的實際斜距進行直接測量，進而間接得出凈空收斂值，為后續的數據處理工作做好準備。

3隧道監控量測數據處理與分析

3.1隧道監控量測數據處理

(1)上傳并整理量測結果，根據公式算出相對位置量。

(2)繪制時間與收斂值的關系散點圖。

(3)對回歸曲線進行分析，找到收斂值的極限點，進而明確隧道圍巖是否處在穩定的狀態。目前大多使用指數、雙曲線與對數對線性進行回歸分析和計算，這三種函數都可以轉換成相應的線性方程，以其中的指數函數向線性方程轉換為例

u=Ae(-B/t)

(1)

公式(1)兩邊一同取對數可得

(2)

y=a-bx

(3)

公式(2)中，A，B均代表回歸常數；u代表位移量，mm；t代表初讀數后經歷的時間，d。

對數與雙曲線函數通過轉換，可得到以下直線方程

(4)

(5)

3.2隧道監控量測數據分析

(1)穩定性判斷

對收集到的實時數據進行分析，繪制時間與位移的關系曲線。穩定性判斷的主要依據為。

①時態曲線的位移變化速率表現出明顯的減小趨勢，圖像中的曲線逐漸平緩，說明圍巖基本穩定，可以進行施工。

②時態曲線的位移速率保持不變，曲線出現直線上升，說明圍巖變形情況嚴重，處于失穩的狀態，不能進行施工。

③時態曲線的位移變化速率表現出明顯的增大趨勢，圖像中的曲線出現反彎點，說明圍巖處在失穩的狀態。

④當日實際位移變化速率超出1 mm/d時，說明圍巖正處在變形急劇變化的階段。

⑤當日實際位移變化速率保持在0.2～1.0 mm/d時，說明圍巖正處在變形緩慢變化的階段。

⑥當日實際位移變化速率低于0.2 mm/d時，說明圍巖已達到基本穩定狀態。

(2)回歸分析

以本隧道的拱頂沉降數據為例，將某斷面測量的數據代入公式進行計算，在按照直線方程的基礎上開始回歸分析工作，進而即可得出回歸常數與有關系數，如表2所示。

表2　隧道拱頂沉降回歸分析

由表2可以明顯看出，雙曲線函數所對應的系數相比最大，分析的準確度也最高，所以可將此方程作為主要分析依據。結合回歸分析結果，該斷面拱頂的最終沉降量為260.16 mm，目前累計沉降為213.26 mm，約占最終沉降量的82%。由此可知，施工中選取的支護參數較為合理，隧道圍巖已經趨于基本穩定。

4結束語

隧道監控量測能及時了解到圍巖與初期支護在施工過程中的變形狀況與穩定情況，進而可以為支護參數調整、確保施工安全與確定合理的襯砌施作時機等提供準確可靠的依據和指導。對隧道監控量測數據進行回歸分析，可以預測最終沉降值和各階段的變化速率，對掌握圍巖變形或支護系統的受力隨時間變化規律有著十分重要的意義。因此，隧道施工過程中，必須對監控量測給予足夠的重視，根據隧道的實際情況與監測需求，規范布置測點，優化數據采集，采用“全站儀三角高程中間法”等新型的監控量測方法，有序開展數據分析等工作，從而為隧道施工安全奠定良好的基礎。

參考文獻：

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[2]楊紹戰,陳建勛,趙超志,等. 隧道監控量測數據分析處理系統的研發與應用[J]. 公路隧道,2011,(1):55-58.

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Data processing and analysis of tunnel monitoring measuration

HU Xian-jin, WANG Zheng, REN Zi-qi

(Guizhou Province Traffic Science Research Institute Co., Ltd., Guiyang Guizhou 550001, China)

Abstract:In view of the tunnel construction monitoring, combined with actual examples, this paper introduces purpose and method of monitoring measuration, on the basis of in-depth analysis of the measurement, data processing and analysis, aims to provide a reliable theoretical basis for similar projects.

Keywords:tunnel; monitoring; data processing

收稿日期：2015-12-22

作者簡介：胡先進(1983-)，貴州思南人，工程師，研究方向：隧道檢測、監控、地質超前預報。

中圖分類號：U442

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)04-0119-02