某隧道塌方前后的監(jiān)控量測及數(shù)據(jù)分析

丁 雄，王超林，余 熠，王興宏

(1.湖南科技大學 土木工程學院， 湖南 湘潭市 411201; 2. 中南大學湘雅醫(yī)院, 湖南 長沙 410008)

0 引 言

隨著我國城市地鐵建設的大量興起，新奧法在隧道施工中應用越為廣泛。監(jiān)控量測是新奧法施工的關(guān)鍵一環(huán)[1]，科學合理的監(jiān)控量測可以幫助判斷圍巖的穩(wěn)定性，及時了解圍巖變形情況，給地鐵施工安全提供良好的保障[2]。在國內(nèi)，徐萬鵬對隧道位移的監(jiān)控量測的新方法進行了一系列可行性探索[3]；趙玉光結(jié)合某高速公路隧道施工監(jiān)測，對地下工程的開挖和支護安全預測、地質(zhì)災害超前預報等工作進行了分析研究[4]；葉飛對公路隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行回歸分析，并給出了適合現(xiàn)場及時反饋運用的數(shù)據(jù)分析處理方法[5]；陳秋南對某高速公路隧道發(fā)生的坍塌事故，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測對加固處治后的圍巖變形進行研究[6￣7]。監(jiān)控量測的應用為隧道安全施工提供保障的同時也為廣大研究者分析圍巖變形規(guī)律提供了直接有效的工具。

重慶北碚地鐵站開挖過程中曾出現(xiàn)塌方事故，隧道塌方前后進行了監(jiān)測量測，監(jiān)測項目包括：拱頂沉降、周邊收斂位移、地表沉降和鋼拱架應力等?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析塌方前后隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的受力和變形規(guī)律，根據(jù)4種回歸函數(shù)和回歸系數(shù)對量測數(shù)據(jù)進行對比分析和評價，得出了多項式函數(shù)更適合于淺埋大斷面隧道拱頂沉降預測的結(jié)論。

1 工程概況

重慶軌道交通六號線二期北碚站位于北碚區(qū)政府對面、北碚嘉陵風情街下。車站內(nèi)部采用單拱雙層島式，主體采用曲墻+仰拱的五心圓馬蹄形斷面，頂部覆土21.4 m，最大開挖斷面寬23.16 m，高18.34 m，隧道起訖樁號為DK55+955.302～DK56+134.302，總長179 m。車站兩端為復合式TBM區(qū)間，主體采用掘進通過，在車站大里程端設置復合式TBM接受導洞。車站屬于特大斷面暗挖隧道，IV級圍巖，采用雙側(cè)壁導坑法施工。

自車站施工進入主體結(jié)構(gòu)以來，由于施工時支護不及時，沒按照設計要求的雙側(cè)壁導坑法及縱向施工步序進行施工，未留設核心土等原因發(fā)生坍塌事故，車站左線DK55+985～DK55+962段側(cè)壁導坑發(fā)生冒頂，長度約23 m。

2 監(jiān)控量測方案

根據(jù)《鐵路隧道施工技術(shù)規(guī)范》和北碚站隧道施工圖設計的要求，并考慮北碚站實際的地質(zhì)情況，制定了北碚站的監(jiān)控量測方案。主要監(jiān)測內(nèi)容有:掌子面及支護現(xiàn)場觀察、地表沉降觀測、周邊建筑物沉降觀測、拱頂沉降觀測、洞內(nèi)圍巖收斂變形觀測、鋼支撐內(nèi)力測試等。

3 隧道塌方前監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 左、右導洞開挖之后

里程段DK55+962～DK55+985左右導洞施工完成初期支護后即開始對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監(jiān)控量測，圖1和圖2分別是斷面ZDK55+980、YDK55+980位移收斂變化曲線和拱頂沉降變化曲線圖。由圖1、圖2可知，隧道圍巖的凈空收斂和拱頂都經(jīng)過三個階段：急劇變形期→緩和變形期→基本穩(wěn)定期。洞內(nèi)DK55+980左、右線的內(nèi)空收斂值分別為3.73 mm和3.49 mm，收斂速率從0.51 mm/d遞減為0.06 mm/d；拱頂沉降值分別為-7.12 mm和-5.29 mm，沉降速率由-0.80 mm/d遞減為-0.13 mm/d；YDK55+980變形量比ZDK55+980較小，且更早趨于穩(wěn)定；監(jiān)測數(shù)據(jù)在一個月內(nèi)變形趨于穩(wěn)定，日變化量和累計變化值都在設計允許范圍內(nèi)。

圖1 DK55+980位移收斂變化曲線

圖2 DK55+980拱頂沉降變化曲線

3.2 核心土開挖之后

核心土開挖之后即對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監(jiān)測，圖3和圖4分別是斷面ZDK55+980、YDK55+980位移收斂變化曲線圖和拱頂沉降變化曲線圖。

DK55+962～DK55+985核心土去除后，車站斷面收斂及沉降變化增大，拱頂變形數(shù)據(jù)發(fā)生突變，當天拱頂沉降最大值達到-4.56 mm；內(nèi)空收斂日變化量也逐漸增加，但相較而言沒有拱頂沉降的變化速率大；地表測點C-76累計沉降量達到-31.78 mm，超過設計允許變形值?？梢姡コ诵耐翆λ淼拦绊敵两导暗乇硐鲁劣绊戄^大，而對內(nèi)空收斂值的影響相對較小。

圖3 核心土開挖后里程DK55+980的位移收斂曲線

圖4 核心土開挖后里程DK55+980的拱頂沉降曲線

3.3 塌方處治后

塌方段DK55+962～DK55+985塌方處治后即開始對圍巖水平收斂及拱頂沉降進行監(jiān)控量測。塌方處治完成后，雖然車站斷面收斂及沉降日變化量較大，達到±0.4 mm/d，ZDK55+980拱頂沉降速率甚至達到-0.95 mm/d，但隨著進度向前發(fā)展，各項指標逐漸趨于穩(wěn)定；當二次布點監(jiān)測時，ZDK55+980沉降速率明顯小于-0.2 mm/d，最終累計沉降值只有-3.24 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)日變化量和累計變化值都在設計允許范圍內(nèi)；這說明后期核心柱加固對圍巖穩(wěn)定性起了很大作用，后期圍巖變化基本已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 監(jiān)控量測對隧道處治評價

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

由于監(jiān)測數(shù)據(jù)具有離散性和不規(guī)則性，要正確進行數(shù)據(jù)分析，必須應用數(shù)學方法對量測所得的原始數(shù)據(jù)進行回歸分析，找出隧道圍巖變形隨時間變化的規(guī)律。以塌方斷面ZDK55+980為例，對整個過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析。

根據(jù)拱頂沉降曲線圖數(shù)據(jù)特點分析可知，拱頂沉降值隨時間的推移，由遞增→平緩→突變→再遞增→逐漸穩(wěn)定；沉降速率變化過程為：日變化量較大→平緩→突增→逐漸減小→趨于穩(wěn)定。由曲線的變化特點，對不同回歸函數(shù)進行計算，確定相關(guān)系數(shù)R值，然后比較預測的最終沉降值。

4.1.1 對數(shù)函數(shù)計算

回歸函數(shù)表達式為：

u=aln(1+t)

(1)

式中:a—回歸參數(shù)；

u—拱頂沉降值,mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關(guān)系數(shù)：

4.1.2 指數(shù)函數(shù)計算

回歸函數(shù)表達式為：

u=ae-b/t

(2)

式中:a、b—回歸參數(shù)；

u—拱頂沉降值，mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關(guān)系數(shù)：

4.1.3 雙曲線函數(shù)計算

回歸函數(shù)表達式為：

(3)

式中:a、b—回歸參數(shù)；

u—拱頂沉降值,mm；

t—測點的觀測時間,d。

相關(guān)系數(shù)：

4.1.4 多項式函數(shù)計算

多項式回歸函數(shù)是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)離散點結(jié)合計算機軟件自動生成的回歸趨勢線，回歸曲線與實測曲線如圖5所示。雙曲線函數(shù)表達式為：

u=-4E-11t6-6t5-0.9504t4+51756t3-2E+9t2+3E+13t-2E+17

(4)

階數(shù)n=6，相關(guān)系數(shù)R=0.9904。

圖5 回歸曲線與實測曲線

由上述回歸曲線函數(shù)及相關(guān)系數(shù)可知，4個回歸模型中，相關(guān)系數(shù)R的排列順序為：雙曲線<指數(shù)<對數(shù)<多項式<1，可見多項式函數(shù)的回歸精度最高，用來預測該斷面拱頂最終沉降量最精確。

4.2 最終沉降值及速率的預測

對觀測時間t=88 d時，最終拱頂沉降及變化速率進行預測，結(jié)果見表1。

表1 觀測時間t=88d時實測值和預測值對比

由表1可以看出，4種回歸模型預測時間t=88d的最終沉降值與實測值均相差不大，相較之下，多項式函數(shù)所得的預測值更加接近實際值，t=88 d后圍巖變形速率基本趨于穩(wěn)定；同時也說明了本工程采取的處治措施起到了預想的效果。

5 結(jié) 論

(1) 隧道塌方前左右導洞開挖，留設核心土，監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)異常。核心土開挖到隧道發(fā)生塌方階段，隧道拱頂沉降發(fā)生了突變現(xiàn)象，日沉降量超過設計允許變形值，說明采用雙側(cè)壁導坑法施工時，核心土的留設對隧道圍巖穩(wěn)定性至關(guān)重要。

(2) 拱頂沉降值隨時間的推移，由遞增→平緩→突變→再遞增→逐漸穩(wěn)定，沉降速率變化過程為：日變化量較大→平緩→突增→逐漸減小→趨于穩(wěn)定。

(3) 4種回歸模型預測的最終沉降值與實測值均相差不大，對于淺埋大斷面地鐵隧道拱頂沉降觀測，多項式函數(shù)所得預測值更加接近實際。

參考文獻：

[1]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京:人民交通出版社2003.

[2]陳秋南.隧道工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：146￣208.

[3]徐萬鵬.隧道位移監(jiān)測新方法的可行性探索[J].鐵道工程學報,2000,6(2):65￣68.

[4]趙玉光.地下工程開挖與支護安全監(jiān)控量測及地質(zhì)災害動態(tài)預測與防治[J].中國地質(zhì)災害與防治學報,2001,12(3):36￣40.

[5]葉 飛,丁文其.公路隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測及信息反饋[J].長安大學學報(自然科學版),2007(9):79￣83.

[6]陳秋南，趙明華，周國華，等.復雜層狀巖層隧道塌方原因分析與加固后信息化施工技術(shù)[J].巖土力學，2009，30(3)：650￣653.

[7]陳秋南，張永興，劉新榮，等.隧道塌方段加固后的施工監(jiān)測與仿真分析[J].巖石力學與工程學報，2006，25(1)：158￣161.

[8]李曉紅.隧道新奧法及其兩側(cè)技術(shù)[M]北京:科學出版社,2001.

[9]于洪澤.隧道施工中塌方監(jiān)測技術(shù)[J].公路,2002,25(9):157￣160.

[10]JTGD70-2004公路隧道設計規(guī)范[S].

[11]李二兵,王 鏑,王 源,等.城市復雜條件下淺埋大跨雙連拱隧道施工變形監(jiān)測與控制[J].巖石力學與工程學報,2007,26(4):833￣839.

[12]陽生軍，劉寶琛.城市隧道施工引起的地表移動及變形[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[13]王勝濤,梁小勇,周亦濤.隧道監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)回歸分析探討[J].隧道建設,2009,29(6):629￣632.