新聯(lián)隧道塌方前后的監(jiān)控量測(cè)和數(shù)據(jù)分析

■阮麟

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350008）

新聯(lián)隧道塌方前后的監(jiān)控量測(cè)和數(shù)據(jù)分析

■阮麟

（福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350008）

監(jiān)控量測(cè)是及時(shí)掌握隧道施工中圍巖動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的重要手段，通過(guò)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析計(jì)算可以預(yù)測(cè)可能發(fā)生危及施工安全的隱患或事故，進(jìn)而有效地指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)與施工。本文結(jié)合新聯(lián)隧道施工的監(jiān)控量測(cè)，根據(jù)4種回歸函數(shù)和相關(guān)性系數(shù)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式回歸函數(shù)適合對(duì)隧道拱頂沉降的預(yù)測(cè)，并且成功預(yù)測(cè)了隧道的塌方。塌方經(jīng)過(guò)治理后，指數(shù)回歸函數(shù)對(duì)拱頂沉降的預(yù)測(cè)更接近實(shí)際。

隧道拱頂沉降監(jiān)控量測(cè)回歸分析拱頂沉降

1 前言

我國(guó)作為一個(gè)多山嶺的國(guó)家，山地和丘陵占到了國(guó)土總面積的三分之二。因此，今后我國(guó)的高等級(jí)公路建設(shè)將主要在山丘地區(qū)，進(jìn)而由于地形及選線的限制，必然伴隨著大量山區(qū)公路隧道的建設(shè)，隧道開(kāi)挖后洞身會(huì)不可避免地產(chǎn)生變形[1]。對(duì)變形的監(jiān)控量測(cè)是隧道施工管理中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，可以及時(shí)掌握在開(kāi)挖過(guò)程中圍巖穩(wěn)定和支護(hù)受力、變形的動(dòng)態(tài)信息，及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)可能發(fā)生的危及施工安全的隱患或事故,并及時(shí)反饋動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息給相關(guān)部門(mén)，使相關(guān)部門(mén)及時(shí)修正設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)和調(diào)整施工措施,從而達(dá)到設(shè)計(jì)與施工安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

本文以新聯(lián)隧道工程的監(jiān)控量測(cè)為例，根據(jù)4種回歸函數(shù)和相關(guān)性系數(shù)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到多項(xiàng)式回歸函數(shù)更適合隧道拱頂沉降的預(yù)測(cè)，并且成功地預(yù)測(cè)了隧道的塌方；但塌方治理后，指數(shù)回歸函數(shù)卻更適合對(duì)拱頂沉降的預(yù)測(cè)，即對(duì)塌方前后進(jìn)行分段回歸分析計(jì)算[2]。

2 隧道概況

新聯(lián)隧道屬海西高速公路網(wǎng)廈沙線上的工程，位于三明市尤溪縣內(nèi)，走向近南北，屬分離式隧道，最大埋深165m。左線隧道起迄樁號(hào)ZK144+120～ZK145+406，全長(zhǎng)1286m；右線隧道起迄樁號(hào)YK144+102～YK145+386,全長(zhǎng)1295m，海拔高度為205～225m。

2.1 工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌

隧址區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形呈波狀起伏。地勢(shì)較緩，支溝發(fā)育，多呈“V”字形，山坡坡度10～35°，進(jìn)洞口自然山坡坡度約為10～15°，自然山坡穩(wěn)定；出洞口自然山坡坡度約20～35°。區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔約380m，溝塹較發(fā)育，見(jiàn)地表水，溝內(nèi)常年有水流動(dòng)，地表水較豐富，水量較大。沿線植被茂盛，多為山林地。

（2）地層巖性

在隧道進(jìn)口段，巖性主要從上覆地層和下伏地層角度來(lái)描述，具體巖性分述如下：

覆蓋層。山坡為殘積砂質(zhì)粘性土夾碎石,沖溝地段為碎石、礫砂等洪積物。

下伏地層燕山早期侵入及花崗巖其風(fēng)化層，花崗巖為淺棕黃、灰黑灰褐，中—粗粒似斑狀花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，無(wú)斑晶，主要礦物為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石及石英、云母、角閃石。但節(jié)理裂隙較發(fā)育，差異風(fēng)化嚴(yán)重。風(fēng)化層的巖體破碎，呈散體狀，巖芯呈砂土狀，手易捏碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)屬Ⅴ級(jí)。

（3）水文地質(zhì)條件

隧道位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，山坡坡體起伏，有地表水經(jīng)過(guò)。隧址區(qū)地表水主要為分布于進(jìn)出口段的山間小溪，常年有水，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，受季節(jié)性影響較大。地下水主要為風(fēng)化帶網(wǎng)狀空隙裂隙水、基巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水。進(jìn)洞口處賦水條件非常好，勘查期間地下水高于洞頂，進(jìn)洞后地下水呈淋雨?duì)畛鏊?/p>

2.2 施工概況

隧道采用新奧法設(shè)計(jì)和施工，鉆爆法開(kāi)挖。淺埋、地質(zhì)條件差的洞口Ⅴ級(jí)圍巖段采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD法）開(kāi)挖[2-3]。開(kāi)挖步序是左右兩個(gè)側(cè)上導(dǎo)洞交錯(cuò)開(kāi)挖，兩導(dǎo)洞的掌子面保持開(kāi)挖距離15m以上；兩個(gè)側(cè)下導(dǎo)洞再跟進(jìn)，與兩上導(dǎo)洞保持距離15～20m；豎向的臨時(shí)鋼支撐直至仰拱封閉后拆除。

3 監(jiān)控量測(cè)的方法

3.1 斷面測(cè)點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量方法

拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)斷面共布設(shè)3個(gè)，即在拱頂布設(shè)測(cè)點(diǎn)2#，在其左右兩側(cè)距離該點(diǎn)2m的位置布設(shè)測(cè)點(diǎn)1#和測(cè)點(diǎn)3#；布設(shè)一條水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)（對(duì)測(cè)點(diǎn)），各斷面拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)做法是在各測(cè)點(diǎn)上先安裝膨脹螺栓，再在膨脹螺栓上焊上鐵片并粘貼全站儀專用反光片，做好標(biāo)記[4]。由于隧道圍巖較差，監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)比較密集，因此為便于量測(cè)，拱頂沉降采用全站儀而非水準(zhǔn)儀。采用全站儀量測(cè)時(shí)，先測(cè)出測(cè)點(diǎn)1、2、3的高程H1、H2、H3；第二天，同樣測(cè)出H1’、H2’、H3’；用△表示個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的拱頂測(cè)量值，△=H1-H1’，用三點(diǎn)的△值求出平均值，則可認(rèn)為是該斷面的相鄰兩天的相對(duì)沉降值，以后類推則可得出每天的相對(duì)沉降值，累積后則得到該斷面的拱頂?shù)睦鄯e沉降值，其直接表示了該斷面拱頂沉降面型的大小及變化速率，同理可得到圍巖收斂的累積收斂值。

圖1 隧道監(jiān)控量測(cè)布點(diǎn)示意圖

3.2 測(cè)量頻率

測(cè)量頻率的選擇在隧道位移監(jiān)測(cè)中非常重要，它直觀記錄了隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中圍巖的變形情況，頻率太密集則測(cè)量強(qiáng)度大，太疏松卻又不能及時(shí)反映位移變化情況，因此參考《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，監(jiān)測(cè)頻率選取如下：

工作面開(kāi)挖15天內(nèi)，1～2次/天；16天～1個(gè)月內(nèi)，1次/天；1～3個(gè)月內(nèi)，1～2次/周；大于3個(gè)月，1～3次/月。

4 量測(cè)數(shù)據(jù)分析

新聯(lián)隧道里程較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)斷面布置較多，本文僅以右線里程樁號(hào)為YK144+159的典型斷面的拱頂沉降測(cè)量數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用回歸方法來(lái)分析預(yù)測(cè)隧道施工過(guò)程中拱頂沉降的變形量情況，其他斷面的數(shù)據(jù)可以依此類推。

4.1 數(shù)據(jù)處理

斷面YK144+159施工完成初期支護(hù)后即開(kāi)始對(duì)圍巖水平收斂及拱頂沉降，進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。量測(cè)所得的數(shù)據(jù)，及時(shí)整理成所需要的原始數(shù)據(jù)，并繪制累計(jì)位移—時(shí)間折線散點(diǎn)圖。由圖2可知拱頂最大沉降速率和圍巖最大收斂速率分別為-4.8mm/d和-5.9mm/d。

圖2 YK144+159時(shí)間-位移曲線圖

4.2 數(shù)據(jù)回歸分析

由于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所取得的原始數(shù)據(jù)，不可避免會(huì)具有一定的離散性，其中包括測(cè)量誤差甚至測(cè)試誤差，因而不經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理的量測(cè)數(shù)據(jù)是難以直接利用的。回歸分析是目前量測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)處理的主要方法，主要是利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的原理，建立不同變量之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在隧道開(kāi)挖的變形分析中，可用回歸分析方法建立因變量與自變量（即變形與影響因子）之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，從而獲得能較準(zhǔn)確反映實(shí)際情況的u-t曲線圖，然后可以預(yù)測(cè)圍巖的最終位移值和各階段的位移速率[5-9]。

目前主要是對(duì)指數(shù)、對(duì)數(shù)和雙曲三種曲線函數(shù)進(jìn)行線性回歸和多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，三種曲線函數(shù)的原形公式與換算公式如下：

公式中A、B為回歸參數(shù)；u為變形值；t為觀測(cè)時(shí)間。

由圖2可知，隧道圍巖的凈空收斂和拱頂沉降基本呈相似的變化規(guī)律，即：加速變形—突然緩慢變形—急劇變形，故取拱頂沉降進(jìn)行回歸分析。但經(jīng)過(guò)回歸計(jì)算，指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)的A、B相關(guān)性系數(shù)分別為R1=0.862和R2=0.700，都小于0.9，所以不可采用，而利用雙曲線函數(shù)進(jìn)行回歸分析時(shí)相關(guān)性R=0.997，其線性回歸計(jì)算見(jiàn)下表1。

表1 線性回歸分析計(jì)算

但是從表中可以看出最后幾天的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值值相差太大，故也不可采用雙曲線函數(shù)進(jìn)行回歸分析計(jì)算，所以采用多項(xiàng)式函數(shù)計(jì)算。

多項(xiàng)式回歸函數(shù)是根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離散點(diǎn)結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)生成的回歸趨勢(shì)線，回歸曲線與實(shí)測(cè)曲線如下圖3，所示多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá)式為：

階數(shù)n=4時(shí)，R=0.998

圖3 回歸曲線與實(shí)測(cè)曲線圖

由上述回歸曲線函數(shù)及相關(guān)系數(shù)可知，4個(gè)回歸模型中，相關(guān)系數(shù)R的排列順序?yàn)?對(duì)數(shù)＜指數(shù)＜雙曲線＜多項(xiàng)式＜1，而且多項(xiàng)式回歸曲線基本上與觀測(cè)點(diǎn)重合，可見(jiàn)多項(xiàng)式函數(shù)的回歸精度很高，用來(lái)預(yù)測(cè)該斷面拱頂最終沉降量最精確。

4.3 塌方預(yù)測(cè)

當(dāng)t=23時(shí)，代入函數(shù)得到預(yù)測(cè)累積沉降值u= 50.2mm，將會(huì)超過(guò)預(yù)警值，且隨著左右導(dǎo)洞的開(kāi)挖掘進(jìn)，在掌子面空間效應(yīng)和應(yīng)力釋放的雙重作用下，松軟的殘坡積土，變得強(qiáng)度越來(lái)越低、越來(lái)越軟，可能發(fā)生塌方。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的反饋，在施工的第22天中午，新聯(lián)隧道右洞的左導(dǎo)洞YK144+159～YK144+162發(fā)生突發(fā)性滑塌（見(jiàn)圖4）。所以運(yùn)用回歸分析計(jì)算，成功預(yù)測(cè)了隧道的塌方。

圖4 塌方形態(tài)圖

4.4 塌方治理后

塌方段YK144+159～YK144+162塌方處治后即開(kāi)始對(duì)圍巖水平收斂及拱頂沉降進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。但是多項(xiàng)式計(jì)算的回歸位移與最終位移值都大于實(shí)測(cè)位移值，兩組變量的相關(guān)性系數(shù)R也不接近1。因此可進(jìn)行分段回歸分析，即塌方之前多項(xiàng)式函數(shù)回歸計(jì)算，塌方后運(yùn)用其他函數(shù)回歸計(jì)算。根據(jù)收斂·—時(shí)間曲線走向圖（見(jiàn)圖5），宜選用指數(shù)函數(shù)公式作為回歸函數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 塌方治理后時(shí)間—位移曲線

表2 指數(shù)函數(shù)回歸計(jì)算

計(jì)算最終得到回歸函數(shù)。

當(dāng)R=0.973時(shí)，可得到拱頂下沉位移的預(yù)測(cè)值的終值u=4.13mm。

綜合以上分析，可知經(jīng)過(guò)治理后，拱頂最大沉降速率為-0.73mm/d，遠(yuǎn)小于塌方前的-4.8mm/d，而且累積沉降位移趨向穩(wěn)定，最終位移預(yù)測(cè)值僅為4.13mm。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)拱頂沉降回歸分析計(jì)算，成功地預(yù)測(cè)了隧道的塌方。

（2）塌方經(jīng)過(guò)處治理后，最終的沉降累積位移和速率都遠(yuǎn)小于塌方前的，并且達(dá)到在一個(gè)安全的穩(wěn)定值。

（3）為了更好地指導(dǎo)施工和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極值，根據(jù)塌方前后得到的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行分段回歸分析。

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