高速鐵路隧道淺埋段穩(wěn)定性分析

張賢才，姚響宇

（湖南科技大學 土木工程學院，湘潭411201）

0 引 言

云桂鐵路起于廣西南寧市，止于云南省昆明市的昆明南站，全長715.8km.董弄隧道位于廣南縣，地處剝蝕、侵蝕中低山地貌，地形起伏較大，地面高程1220～1305m，地面植被較發(fā)育，覆蓋土層較薄，基巖零星出露.隧道洞身及洞口地段溝槽低洼地帶橫向沖溝發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育巖體破碎.

本文主要對董弄隧道監(jiān)控斷面（DK415＋175）所測得的周邊收斂和拱頂沉降數(shù)據(jù)并對其進行回歸分析，從而來判斷圍巖的穩(wěn)定性并提出一些處理措施，為施工提供理論依據(jù)，確保施工安全.

1 監(jiān)控量測方法

1.1 監(jiān)控量測點布置

每監(jiān)測斷面設(shè)置4～6對測線，測樁分別布置在拱頂及兩側(cè).如圖1所示.

圖1 監(jiān)控量測點布置圖

1.2 監(jiān)控頻率

根據(jù)距工作面距離及位移速率，綜合考慮現(xiàn)場的圍巖情況確定監(jiān)控頻率，如表1所示.

表1 監(jiān)控量測頻率

1.3 測量儀器

XGJ－21型隧道位移計、變位觀測計，鋼尺，水平儀，標桿等儀器等.

1.4 測量方法

周邊收斂測量：董弄隧道平均每30m設(shè)置一個監(jiān)控量測斷面，每個斷面分別在側(cè)墻和拱頂設(shè)置測點，利用收斂計，采用一根在重錘作用下被拉緊的普通鋼尺作為傳遞位移的媒介，通過百分表測讀隧道周邊某兩點相對位置的變化.

拱頂沉降測量：董弄隧道平均每30m設(shè)置一個監(jiān)測斷面，在隧道拱頂設(shè)置測點，安設(shè)隧道拱部變位觀測計，將鋼尺或收斂計掛在作為隧道拱部變位觀測計上作為標尺，后視點可設(shè)在穩(wěn)定的部位，用水平儀觀測.

2 數(shù)據(jù)分析處理方法

（1）根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制周邊累計位移－時間、拱頂累計沉降—時間關(guān)系曲線，并初步判定圍巖是否趨于穩(wěn)定或出現(xiàn)異常情況.

（2）目前用于監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析的主要方法有：指數(shù)回歸法、對數(shù)回歸法和雙曲線回歸法.三種回歸方法：

（a）指數(shù)函數(shù)：

對（1）式求導：

將（2）轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)：

極限公式

（b）對數(shù)函數(shù)：

對（5）求導：

將（6）轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)：

極限公式

（c）雙曲函數(shù)

對（9）求導：

將（10）轉(zhuǎn)化為直線函數(shù)

極限公式

以上式中：A、B 為回歸常數(shù)；u為位移值（mm）；t為初讀數(shù)后的時間（d）

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 實測數(shù)據(jù)

通過對董弄隧道施工過程中實施監(jiān)控量測得出了斷面（DK415＋175）周邊位移、拱頂沉降數(shù)據(jù)，如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制出周邊累計位移—時間、拱頂累計沉降—時間變化曲線，如圖2所示.

表2 董弄隧道（DK415＋175）周邊位移和拱頂沉降的量測數(shù)據(jù)表

46 18.9 21.2 105 27.9 33.5 47 19.2 21.5 106 27.9 33.5 48 19.3 21.7 107 28.0 33.6 49 19.3 21.9 108 28.0 33.6 50 19.5 22.2 109 28.0 33.7 51 19.6 22.5 110 28.0 33.7 52 19.7 22.6 111 27.9 33.5 53 19.7 22.6 112 27.9 33.5 54 20.1 23.0 113 27.9 33.5 55 21.3 23.1 114 27.9 33.5 56 21.3 23.1 115 27.9 33.5 57 21.3 23.1 116 27.9 33.5 58 21.3 23.1 117 27.9 33.5 59 21.3 23.1

3.2 數(shù)據(jù)回歸分析

3.2.1 周邊位移分析

將上表周邊位移數(shù)據(jù)分別代入三種曲線函數(shù)方程中，經(jīng)過計算得出三種曲線方程：

指數(shù)函數(shù)：u＝28.28·e－0.258／t

相關(guān)系數(shù)r＝0.9821

對數(shù)函數(shù)：u＝29.44－1.7922／lg（1＋t）

相關(guān)系數(shù)r＝－0.9770

相關(guān)系數(shù)r＝0.9812

可以發(fā)現(xiàn)由指數(shù)函數(shù)得出的相關(guān)系數(shù)最接近1，其回歸精度較高，故選用該方程來代表周邊位移情況.

董弄隧道DK415＋175斷面監(jiān)控獲得的周邊收斂總累計沉降變化曲線如圖2所示.由于該段屬地表淺埋段，所以在施做下臺階和仰拱等施工階段出現(xiàn)了較大變形，如果把全部數(shù)據(jù)進行擬合得到的擬合曲線不真實，所以就采用開挖仰拱后的數(shù)據(jù)進行擬合分析.經(jīng)過計算對比，選取指數(shù)函數(shù)能較好地擬合該斷面在開挖仰拱后的實測曲線，如圖3所示.所擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.9821，擬合良好，偏差較小.擬合回歸出的指數(shù)函數(shù)為U＝28.28＊exp（－0.258／t），由該回歸函數(shù)計算知，該主斷面上最終累計下沉值將達到28.50mm，在安全范圍之內(nèi).

圖3 DK415＋175斷面周邊收斂回歸曲線圖

3.2.2 拱頂沉降分析

將上表拱頂沉降數(shù)據(jù)分別代入三種曲線函數(shù)方程中，經(jīng)過計算得出三種曲線方程：

指數(shù)函數(shù)：u＝34.02·e－0.258／t

相關(guān)系數(shù)r＝0.9585

對數(shù)函數(shù)：u＝35.88－2.8780／lg（1＋t）

相關(guān)系數(shù)r＝－0.9599

相關(guān)系數(shù)r＝0.9539

可以發(fā)現(xiàn)由指數(shù)函數(shù)得出的相關(guān)系數(shù)最接近1，其回歸精度較高，故選用該方程來代表拱頂沉降情況.

董弄隧道DK415＋175斷面監(jiān)控獲得的拱頂總累計沉降變化曲線如圖2所示.由于該段屬地表淺埋段，所以在做下臺階和仰拱等施工階段出現(xiàn)了較大變形，如果把全部數(shù)據(jù)進行擬合得到的擬合曲線不真實，所以就采用開挖仰拱后的數(shù)據(jù)進行擬合分析.經(jīng)過計算對比，選取指數(shù)函數(shù)能較好地擬合該斷面在開挖仰拱后的實測曲線，如圖4所示.所擬合得到的相關(guān)系數(shù)為0.9585，擬合良好，偏差較小.擬合回歸出的指數(shù)函數(shù)為U＝34.02＊exp（－0.258／t），由該回歸函數(shù)計算知，該主斷面上最終累計下沉值將達到34.83mm，在安全范圍之內(nèi).

圖4 DK415＋175斷面拱頂回歸分析曲線圖

4 結(jié)論及處理措施

從周邊累計位移、拱頂累計沉降數(shù)據(jù)變化曲線圖（圖2）得出結(jié)論：周邊累計位移——時間、拱頂累計沉降——時間變化穩(wěn)定曲線分為兩段，第一段在上臺階施工后已穩(wěn)定，第二段在下臺階和仰拱開挖施工時，圍巖再次出現(xiàn)較大的變形，最后逐漸趨于穩(wěn)定.根據(jù)實測數(shù)據(jù)曲線圖將采取分段數(shù)據(jù)回歸分析方法，本文主要采取第二段的數(shù)據(jù)進行回歸穩(wěn)定性分析，從而得出了比較滿意的結(jié)果.

針對上述分析結(jié)果，我們建議采取下列措施進行處理：

（1）根據(jù)施工設(shè)計圖紙要求，加強圍巖的勘探，分析圍巖性質(zhì)，采取相應的施工方法，減小對圍巖的擾動，施工時加強圍巖支護，保證施工安全.

（2）下邊墻開挖時，嚴格控制邊墻一次性開挖長度，加大監(jiān)測頻率，確保圍巖變形在控制范圍之內(nèi).

（3）仰拱開挖時，通過改善施工質(zhì)量及工序來控制，適當增加鎖腳錨桿的數(shù)量及嚴格控制其安裝質(zhì)量，仰拱開挖測量合格后立即澆筑仰拱混凝土.

（4）當圍巖位移出現(xiàn)變形——穩(wěn)定——變形時，應立即制定處理方案，加強支護手段或立即實施二襯，必要時停止開挖，監(jiān)控圍巖變形直至圍巖穩(wěn)定以確保施工安全.

［1］ 陳秋南.隧道工程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 孫 鈞，侯學淵.地下結(jié)構(gòu)［M］.北京：科學出版社，1991.

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