監控量測在鐵路隧道中的應用研究

高海東 楊志鵬

（甘肅林業職業技術學院，甘肅 天水 741020）

采用新奧法修建的隧道，其最大特點是把監控量測引入到隧道施工中，將其作為一個不可缺少的環節予以實施，就是通過觀察、量測等得到的資料對已開挖的區間和掌子面未開挖的前方的圍巖狀況進行預測，并將結果反饋到施工過程中[1]。雖然我國早已引入監控量測技術及方法，由于工程人員對經驗法的依賴，重視程度不夠，造成施工中實施的力度不夠，不能充分發揮應有的指導作用，量測數據的分析處理方法不完善及如何應用也是重要的原因之一[2]。

1 工程概況及施工方法

寶蘭客專某隧道先后下穿藉河河谷區及兩岸黃土覆蓋的低山區，該隧道洞身及淺埋段地層主要為第四系全新沖洪積黏質黃土、粉質黏土等，所處區內構造運動較為活躍，表現為藉河兩岸山坡侵蝕強烈，高差達100～300m，第三系地層整體抬升并微向北傾。隧道水文地質條件復雜，通過區域地層巖性變化較大，涌水量較大，此外大部分位于城區地下，具有下穿河流、城市建筑物、通過液化氣站及液化氣管道等多種高風險點，所以該隧道被業內專家譽為“大斷面城市地鐵”[3]。

該隧道在施工中采用三臺階七步開挖法。這種方法在較軟地層開挖過程中施工空間相對較大，可以多作業面平行施工，盡量縮短臺階長度，確保初期支護盡快閉合成環，襯砌及時跟進，及早形成支護體系。

2 隧道監控量測方案

本隧道施工中，根據施工組織計劃，監控量測選用的測試項目為必測項目，如表1所示。

3 隧道監控量測信息應用

3.1 監控量測數據的初步處理

首先要對數據進行校核和整理。將同一量測點的數據與上次數據分析對比，相互印證，以便于確認量測數據是否可靠，如有異常需增加量測次數。根據量測頻率，每次量測后及時對數據進行整理，包括量測數據的記錄、計算、誤差處理等，完成監控量測外業記錄表。

表1 監控量測項目表

3.2 根據量測數據繪制時態曲線

根據隧道監控量測所得數據繪制位移s ，位移速度v與時間 t的關系曲線圖，通過s-t，v-t曲線的形態可以較直觀看出隧道圍巖位移變化的情況，并可對圍巖是否趨于穩定或是否有異常狀況進行初步判斷[4]。推算出圍巖最終位移，并掌握位移變化的規律，以某斷面為例。

3.3 采用曲線回歸分析法處理數據

根據規范要求，可采用曲線回歸分析法對量測數據進行處理及分析，得到描述s、t兩個變量間關系的回歸曲線函數，來表征量測數據點的分布規律，并通過公式推算出將來s變量在不同t值情況下的大小及變化速率，最終確定s的極限值。根據《鐵路隧道監控量測技術規范》（Q/CR9218-2015）要求，隧道施工時，能代表隧道監控量測數據散點分布規律的曲線主要有指數、對數和雙曲線3種模型。實際選用相關系數最高的指數函數作為代表函數。

式中：s 為累計位移值 （mm），t為初讀數后的時間（d），A、B為函數常數。

因指數函數回歸模型不是線性回歸，需采用變量換元法。通過對（1）式的兩邊分別取對數，則公式轉換成：

圖1 位移-時間（s-t）曲線

圖2 位移速度-時間（v-t）曲線

設ln s為y，設（1/t）為x，設ln A為C，則上述函數變成線性模型：

根據換元法，計算周邊位移數據，繪制得到線性回歸曲線，如圖3所示。

圖3 線性回歸曲線圖

由圖3得出線性回歸方程式：y=-0.3918x+4.0055，相關系數R2為0.9981，由相關系數可知，回歸相關性強，精度較高。

根據線性回歸方程，可計算得出：B=0.3918，由lnA=C=54.90。

將A、B值帶入公式（1）中，得出指數曲線模型為：由公式（4），結合位移-時間曲線對比線性回歸曲線，對比情況見圖4。

4 量測結果的分析與應用

4.1 拱頂下沉最大位移值分析

在第2天時，實際測點的位移值45.3mm（理論分析最大值的80%），即可進行隧道二次襯砌的施工。通過實測可以看到隧道拱頂下沉量測接近于50mm時趨于穩定，可降低量測頻率；通過曲線回歸分析，我們可以看到回歸曲線最終的位移值是54.90mm。通過圖4我們可以看到在時間為3d時，拱頂下沉量測值已趨于穩定，說明設計的施工參數合理，施工安全。

圖4 拱頂下沉曲線量測與回歸分析曲線圖

4.2 施工建議

在施工中，設計圖紙未直接標注出支護結構預留變形量的大小，針對大斷面鐵路隧道存在較多的不安全因素，施工單位為了保證工程質量，選用的預留變形為15～25mm，與實際量測和理論分析的結果差距較大（實際與理論最終位移為54.90mm[5]）。如實際變形小，預留變形量大，為保證隧道凈空的需要，易造成隧道實際開挖量增大，外運土方量增加，隧道二次襯砌厚度變大，工程成本不斷上升，對施工單位影響較大。因此，選擇一個合理的預留變形量對控制隧道工程成本至關重要。

5 結語

隧道從開挖到初期支護的穩定，變形量的大小直接影響工程的質量和安全，應根據要求，選擇有經驗并負責的測量小組負責監控量測工作，加強隧道內量測布點及數據采集的規范性。數據采集后應及時整理、分析，通過繪制時態曲線、回歸分析，甚至數值模擬等方式形成結論，及時反饋給工程技術人員，從而真正體現出隧道的“動態施工”，保證隧道的安全。