基于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的隧道失穩(wěn)分析

趙 衛(wèi)，韋 猛，劉 俊，舒振杰

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

基于監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的隧道失穩(wěn)分析

趙 衛(wèi)，韋 猛，劉 俊，舒振杰

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059)

利用監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色理論建立隧道洞身位移變形系統(tǒng)。采用尖點(diǎn)突變分析方法，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中初支結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，建立隧道塌方預(yù)測(cè)模型。通過(guò)杜家山隧道發(fā)生的塌方事故與預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，得出塌方預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況相吻合;說(shuō)明建立的隧道塌方預(yù)測(cè)模型是有效的，可以用來(lái)指導(dǎo)該類隧道的施工。

隧道塌方;監(jiān)控量測(cè);灰色理論;尖點(diǎn)突變

0 引言

隨著新一輪“西部大開(kāi)發(fā)”的實(shí)施，諸多穿越西部山區(qū)斷裂破碎帶的長(zhǎng)大隧道項(xiàng)目已在擬建或在建中。由于地質(zhì)條件的不確定性等自然、人為因素的影響，使得地下工程在建設(shè)過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。山嶺隧道建設(shè)過(guò)程中，塌方是最為常見(jiàn)的工程災(zāi)害，約占隧道內(nèi)重大地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)概率的90%以上［1］。

有關(guān)隧道塌方預(yù)測(cè)的分析，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已展開(kāi)了多方面的研究。王迎超等(2010)［1］結(jié)合灰色理論和協(xié)同學(xué)理論，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)隧道洞口松散圍巖進(jìn)行了塌方預(yù)測(cè)研究;劉春(2008)［2］結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)拱頂下沉實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用突變理論，建立了隧道開(kāi)挖圍巖失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型;石杰紅(2009)［3］采用熵突變準(zhǔn)則選取分析了圍巖穩(wěn)定性，并與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相比較;使突變理論在隧道塌方機(jī)制分析方面得到了較好應(yīng)用，取得了許多可喜的研究成果。本文利用灰色理論對(duì)隧道洞身施工過(guò)程中的圍巖進(jìn)行塌方預(yù)測(cè)研究，分析發(fā)生塌方的成因及可能性。

1 灰色理論

灰色系統(tǒng)理論是我國(guó)的著名學(xué)者鄧聚龍教授1982年創(chuàng)立的一門(mén)新興學(xué)科［4］?；疑到y(tǒng)理論是一種研究少數(shù)據(jù)、貧信息、不確定性問(wèn)題的新方法。是研究系統(tǒng)分析、建模、預(yù)測(cè)、決策和控制的理論。

灰色預(yù)測(cè)就是利用灰色過(guò)程中所顯示現(xiàn)象既是隨機(jī)的、雜亂無(wú)章的，也是有序的、有界的這一潛在規(guī)律，建立灰色模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。灰色預(yù)測(cè)通常是指對(duì)在一定方位內(nèi)變化的、與時(shí)間有關(guān)的灰色過(guò)程的預(yù)測(cè)。最常用的是灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法和灰色局勢(shì)決策方法。隧道工程影響因素較多，其周?chē)h(huán)境、工程地質(zhì)條件和施工條件等是模糊的、不確定的，所獲得的信息也是有限的，具有灰色系統(tǒng)的特點(diǎn)，非常適合灰色理論的應(yīng)用條件。因此隧道中的塌方問(wèn)題是一個(gè)灰色系統(tǒng)，可以利用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析法展開(kāi)研究。

2 塌方灰色預(yù)測(cè)模型建立

2.1 灰色生成

灰色系統(tǒng)中將原始數(shù)據(jù)列{x(0)}中的數(shù)據(jù)按照某種要求進(jìn)行處理，則稱為生成［5］。在隧道洞身位移量測(cè)數(shù)據(jù)中，往往是非規(guī)律性的(即時(shí)間間隔不同)，因此利用這些數(shù)據(jù)建模時(shí)，要先對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律化處理。設(shè)原始數(shù)據(jù)序列為x(0)(i)，i=1，2，3，m，…，n。其中n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。數(shù)據(jù)序列為等時(shí)間間隔取樣，做一次累加生成數(shù)列記為:

2.2 模型的建立

(1)累加數(shù)列，設(shè)隧道洞身位移變形的數(shù)列為{xi

(0)}，對(duì)其做一次對(duì)應(yīng)的累加數(shù)列{xi(1)}。其中:

(2)建立差分微分方程GM(1，1)預(yù)測(cè)模型，建立微分方程為:

(3)灰色模型的精度檢驗(yàn)。在選定模型之后，要經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)才能判定其是否合理，只有經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的模型才可以用作預(yù)測(cè)，指導(dǎo)后續(xù)施工［5］?；疑Ｐ偷木葯z驗(yàn)一般有3種方法:殘差大小檢驗(yàn)法、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)法和后驗(yàn)差檢驗(yàn)法。

(4)隧道圍巖發(fā)生塌方的失穩(wěn)模型。突變理論是法國(guó)數(shù)學(xué)家Thom于1972年創(chuàng)立的，它以拓?fù)鋵W(xué)、奇點(diǎn)理論和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等數(shù)學(xué)工具為基礎(chǔ)，用來(lái)研究不連續(xù)現(xiàn)象，特別適用于描述用力或動(dòng)力的漸變導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)突變的現(xiàn)象［8］。由于地下工程的復(fù)雜性，可以用突變理論研究隧道塌方問(wèn)題。根據(jù)尖變模型理論，將系統(tǒng)的還原解形式通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式轉(zhuǎn)換為具有尖點(diǎn)突變形式的方程表示:即為模型系統(tǒng)的模擬方程。其判別式:Δ=4v3+27w2。由尖點(diǎn)突變理論的分叉集(如圖1)得知，當(dāng)Δ=0時(shí)，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)Δ＜0時(shí)，系統(tǒng)也有可能失穩(wěn)。判斷不穩(wěn)定點(diǎn)的方法是:d2Ψ/dx =6x2+v＜0。

圖1 尖變曲面和分叉集

由上得知，隧道失穩(wěn)而生成塌方有2種情況: (1)Δ=0;(2)Δ＜0且6x2+v＜0。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概述

杜家山隧道位于廣元市青川縣境內(nèi)，右洞全長(zhǎng)1886 m，最大埋深220 m。

隧址區(qū)地處四川盆地西北緣龍門(mén)山脈北端，為中等切割的構(gòu)造剝蝕型低山窄谷地貌。主要為第四系粉質(zhì)粘土、碎石土及黃坪組強(qiáng)風(fēng)化絹云千枚巖、砂質(zhì)千枚巖、Fd1和Fd2龍門(mén)山斷裂帶組成。土體結(jié)構(gòu)松散，厚度較大。絹云千枚巖劈理發(fā)育，劈理面傾角陡，層間結(jié)合差，裂隙發(fā)育;受區(qū)域構(gòu)造影響，該段巖體多呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu);巖石質(zhì)軟，遇水軟化及層間脫落。

3.2 預(yù)測(cè)模型分析

首先，根據(jù)K15+544施工段監(jiān)控量測(cè)得到的位移數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)，建立原始數(shù)據(jù)序列。

表1 K15+544段監(jiān)控量測(cè)位移數(shù)據(jù)

然后根據(jù)數(shù)據(jù)建立模型，由X(0)(i)=X(i)，i= 1，2，3，…，10生成累積序列X(1)(i)，i=1，2，…，9。

最后得出預(yù)測(cè)模型:

3.3 精度檢驗(yàn)

采用關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)的方法對(duì)預(yù)測(cè)模型的精度檢驗(yàn):

計(jì)算得:

r=(1/10)(1+0.85+0.76+0.97+0.68+ 0.89+0.8+0.86+0.95+1)=0.876＞0.6，滿足精度要求，所以關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)通過(guò)。

3.4 尖點(diǎn)突變分析

將公式(7)的還原解展開(kāi)成泰勒級(jí)數(shù)的形式，并對(duì)其進(jìn)行Tschirnhaus變換，即令t=T－Z，即可化為尖點(diǎn)突變模型勢(shì)函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)形式［8］并判斷其判別式。根據(jù)其判別式Δ=4v3+27w2的符號(hào)即可判斷隧道圍巖是否處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

求得:v=－0.9，w=0.038;Δ=－2.88＜0。

則證明此處圍巖是不穩(wěn)定的。分析原因知:杜家山隧道處于強(qiáng)震區(qū)斷裂破碎帶的中心斷裂——龍門(mén)山斷裂帶。

而且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察知:K15+544段位于Fd2斷裂破碎帶，破碎帶物質(zhì)組成為構(gòu)造片巖、絹云千枚巖、斷層角礫，局部夾斷層泥，巖體呈碎裂狀及散體狀結(jié)構(gòu)。本階段隧道于2011年5月10日開(kāi)始施工，在開(kāi)挖過(guò)程中左側(cè)圍巖巖體松散、破碎，掌子面明顯滲水，拱腰局部呈線狀水和股狀水，圍巖整體穩(wěn)定性極差。開(kāi)挖完成準(zhǔn)備初噴時(shí)左側(cè)拱腰不斷掉塊，最后形成一個(gè)深約4.5 m，長(zhǎng)寬各1.5 m左右的塌腔，塌腔內(nèi)不斷地掉塊，且有一股較大的水流順著塌腔流出，伴隨有淤泥狀的洞渣。2011年5月17日在施工下道坑過(guò)程中，在拱腳位置突然出現(xiàn)涌水(瞬時(shí)涌水量約12 m3h)并有松散洞渣與水一起涌出，同時(shí)初支表面出現(xiàn)裂縫，左側(cè)拱腰鋼架發(fā)生突變，且初支變形侵蝕二襯界限，已威脅施工安全。

因此上文中提出的利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立的預(yù)測(cè)模型與實(shí)際情況相符，可以用來(lái)判斷施工過(guò)程中復(fù)雜地形的圍巖穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)西部許多地區(qū)處于強(qiáng)震區(qū)斷裂帶上，隨著大規(guī)模山嶺隧道的建設(shè)，進(jìn)一步深入開(kāi)展震區(qū)斷裂帶圍巖穩(wěn)定性的研究，對(duì)確保隧道工程施工安全與穩(wěn)定具有十分重要的意義。通過(guò)預(yù)測(cè)模型的分析預(yù)測(cè)，提高了施工的安全性。

利用新奧法施工技術(shù)中的必不可少的重要環(huán)節(jié)——監(jiān)控量測(cè)，本文建立的灰色尖點(diǎn)突變預(yù)測(cè)模型，是可靠的、實(shí)際的，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］王迎超.山嶺隧道塌方機(jī)制及防災(zāi)方法［D］.浙江杭州:浙江大學(xué)，2010.

［2］劉春.深埋隧道圍巖突變失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，(3).

［3］石杰紅，等.數(shù)值模擬與熵突變綜合分析邊坡下地下工程圍巖穩(wěn)定性［J］.金屬礦山，2009，(3).

［4］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)基本方法［M］.湖北武漢:華中工業(yè)大學(xué)出版社，1992.

［5］沈海超，程遠(yuǎn)方，王京印，等.基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬斷層對(duì)地應(yīng)力的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S2):3985－3990.

Analysis on Tunnel Instability Based on Monitoring Measured Data

ZHAO Wei，WEI Meng，LIU Jun，SHU Zhen-jie (Environment and Civil Engineering Institute，Chengdu University of Technology，Chengdu Sichuan 610059，China)

Based on the monitoring measured data and combined with grey theory，tunnel hole body displacement deformation system was established.The analysis was made on the stability of temporary supporting structure for excavation with cusp catastrophe method to build prediction model of tunnel collapse.The practical case of collapsing accident in Dujiashan tunnel showed the same result with that of prediction.

tunnel collapse;monitoring measure;grey theory;cusp catastrophe

U451+.2

A

1672－7428(2012)03－0082－03

2011－08－19

趙衛(wèi)(1987－)，男(漢族)，山東泰安人，成都理工大學(xué)碩士研究生，防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程專業(yè)，研究方向?yàn)樗淼拦こ?、巖土工程及地質(zhì)工程，四川省成都市成華區(qū)二仙橋東三路一號(hào)，zw_cdut@126.com。