基于施工監測數據及數值回歸的山嶺隧道圍巖穩定性分析

田慶， 李官群

(1.保靖縣農村交通建設技術咨詢服務站， 湖南 保靖 416000；2.保靖縣交通運輸局， 湖南 保靖 416000)

山嶺隧道最常見的施工方法是新奧法，其主要思想是充分發揮圍巖的自穩能力，開挖后進行打錨桿和噴射砼，使其有機結合形成初期支護約束圍巖變形，同時在相應位置布置觀測點進行施工監測，為安全施工提供依據。文獻[1]通過線性回歸分析了圍巖的變化情況，得出前7 d為圍巖變形增長速度較快的階段，圍巖整個變形周期為20多 d。文獻[2]通過對監控數據的線性回歸分析，得到采用三次多項式對周邊圍巖與時間的關系、拱頂下沉與時間的關系有著較好的擬合性。文獻[3-5]對隧道監控量測進行研究，積累了大量數據處理方法，可為不同地質情況提供圍巖穩定性分析方法。該文以湖南G209、S318保靖龍溪至遷陵公路上屋場坪隧道為工程背景，對施工監測數據進行數值回歸分析，分析圍巖變形規律。

1 工程概況

屋場坪隧道起訖里程為K10+655—K11+473，全長818 m，設計標高為297.15～273.43 m。全線位于直線段，路拱橫坡為1.5%，縱斷面(進口至出口方向)均為-2.9%下坡。隧道區屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌，隧道穿越一個丘陵體，該丘陵體地面標高為296.23～494.21 m，相對高差197.98 m。隧道最大埋深約208.66 m。

2 監控量測方法

根據JTG F60-2009《公路隧道施工技術規范》，隧道施工中的必測項目有洞內外觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉。洞內觀察主要是在掌子面開挖過程中，結合工程地質資料對掌子面前方和開挖面初期支護周圍的掌子面巖性、巖體結構、有無不良地質構造及地下水發育等進行觀察，確保施工安全性。地表下沉主要是在進、出口段進行加強量測的項目，該隧道的觀察點設置在K10+990，距離進口有335 m，地表沉降影響特別小，故對地表下沉不進行詳細分析，主要分析周邊位移、拱頂下沉情況，監測斷面布置見表1。

表1 周邊位移、拱頂下沉監測斷面布置間距 m

2.1 周邊圍巖收斂監測

預埋掛鉤，噴完砼后，采用JSS30A型數顯式收斂計測量周邊圍巖位移。為消除鋼尺松緊程度所帶來的測量讀數誤差，在其豎向指標指到第3條格時開始讀數，每次讀數進行3次，分別為第3條格微左、中、微右，取3次讀數的平均值作為測量結果。按下式對周邊位移測量數據進行溫度修正，得到實際水平收斂值：

u=ui+αL(tw-t0)

(1)

式中：u為實際收斂值；ui為收斂計讀數平均值；α為收斂計系統溫度線脹系數；L為基線長；tw、t0分別為收斂計觀測時、標定時環境溫度。

2.2 拱頂下沉監測

采用精密水準儀進行拱頂下沉監測。在洞內找一個永久點并確定其坐標，把5 m長塔尺掛到預埋的掛鉤上進行測量。按下式計算拱頂標高：

h=Oz+h1+(H-h2)

(2)

式中：h為實測拱頂標高；Oz為后視點z坐標；h1為后視點讀數；H為塔尺總長度；h2為前視點讀數。

3 施工監控數據及回歸分析

3.1 現場施工監控數據

主要對Ⅴ級圍巖K10+990斷面所測數據進行分析，測量結果見表2。

表2 K10+990斷面周邊位移和拱頂沉降測量結果

3.2 數值回歸分析

對監測數據進行回歸分析可預測周邊位移、拱頂下沉最終值和各階段圍巖變形變化速率，為二次襯砌施作提供合理時機。借助MATLAB軟件進行回歸分析。目前數據擬合處理的主要函數有指數函數、對數函數、雙曲線函數，其表達式見式(3)～(5)。

u=a?e-b/t

(3)

u=a+b/ln(t+1)

(4)

u=t/(a+b?t)

(5)

式中：u為位移值(mm)；a、b為回歸常數；t為初讀數后的時間(d)。

采用3種函數進行回歸分析，取相關系數最接近于1的曲線方程作為回歸分析擬合函數，回歸分析結果見表3。

表3 3種函數回歸分析結果

由表3可知：指數函數的相關系數最高，其擬合程度最高，表明采用指數函數可更好地擬合監控量測數據，達到滿意的預測結果。指數函數回歸曲線見圖1、圖2。

圖1 水平收斂-時間回歸曲線

圖2 拱頂沉降-時間回歸曲線

3.3 結果分析

根據JTG F60-2009《公路隧道施工技術規范》，圍巖變形達到基本穩定時，其收斂量應達到最大值的80%～90%。當圍巖趨于穩定時，便可施作二次襯砌。對指數函數進行回歸方程求極限，得到監測斷面的最終位移值，其中水平收斂為：

拱頂沉降為：

30 d的拱頂沉降收斂度為14.99/17.963 3=83.4%，水平位移收斂度為3.16/3.646 1=86.6%，每天的增量都低于0.1 mm/d，表明監測斷面支護合理，圍巖變形已趨于穩定，可施作二次襯砌。

4 結語

以屋場坪隧道為工程背景，采用最小二乘法原理對施工監控量測數據進行回歸分析，得出指數函數擬合度最高。通過指數函數進行最終沉降量計算，判斷該隧道30 d時圍巖變形已超過80%，趨于穩定，可施作二次襯砌。

施工監控量測作為新奧法施工的重要法寶之一，其數據處理非常重要。現場測量數據難免因為各種原因存在數據離散和誤差，需對其進行回歸處理，通過回歸分析準確地預測隧道支護安全狀況，確保施工安全。