基于灰色理論的隧道圍巖變形預測

賈承輝

（河南省人民醫(yī)院，河南 鄭州 450003）

基于灰色理論的隧道圍巖變形預測

賈承輝

（河南省人民醫(yī)院，河南 鄭州 450003）

河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，采用新奧法施工。利用激光斷面儀結(jié)合高精密水準儀對ST隧道斷面圍巖變形進行多次量測，以此為基礎，探討灰色系統(tǒng)理論中GM(1,1)模型和V模型對于圍巖后期變形預測的適用性。結(jié)果表明，V模型預測是可行的，可用于指導施工實踐。

隧道圍巖；新奧法；灰色理論；變形預測

0 引言

隨著現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，隧道工程在交通運輸中的地位及重要性不斷提高。近十幾年來，我國公路隧道修筑技術，無論在設計理論還是施工方法上，都取得了質(zhì)的飛躍。以前隧道設計理論以松弛荷載理論為基礎，采用礦山法施工，現(xiàn)在巖體力學理論和新奧法[1]施工在公路隧道中得到了廣泛運用。在用新奧法施工各種隧道、洞室、巷道等開挖斷面時，圍巖監(jiān)測是其施工程序的核心之一，目前工程上常用的方法主要有應變儀、應變計及精密水準儀掛尺桿測量法等。

河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，左右路線間距24m，隧道軸線間距35.6m，左隧道長1968m，右隧道長2079m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，隧址區(qū)隧道進口、出口路段山坡上有少量坡洪積亞粘土，下伏基巖為中元古界汝陽群及熊耳群。利用激光斷面儀結(jié)合高精密水準儀對ST隧道進行一種探索性量測，通過對隧道圍巖凈空定點多次量測，處理數(shù)據(jù)，分析凈空收斂、拱頂下沉和圍巖內(nèi)部位移，以及洞內(nèi)圍巖偏壓量測情況，及時將信息反饋于施工，評價圍巖、支護結(jié)構(gòu)以及承重結(jié)構(gòu)的受力性能?；诩す鈹嗝鎯x觀測的ST隧道圍巖變形數(shù)據(jù)，引入灰色理論分析法，預測圍巖的后期變形，以進一步指導施工實踐[2]。

1 激光斷面儀圍巖監(jiān)測

1.1 激光斷面儀基本原理

激光斷面儀的基本原理是用步進馬達裝置和激光測距裝置，對選定斷面進行檢測，并在控制器中記錄每個測點與初始方向的夾角和距離，以實現(xiàn)非接觸性測量的方法。為使檢測有可比性和便于操作，以隧道設計軸線為基準，在選定里程的軸線上測出中心樁高程，調(diào)校好激光斷面儀，并測出中心樁到激光測距頭旋轉(zhuǎn)中心的高度，這時此旋轉(zhuǎn)中心即成為一極坐標的圓心，按照與隧道軸線垂直的方向進行測量[3]。

1.2 監(jiān)控量測方案

本方案采用BJSD-2型激光斷面儀結(jié)合高精密水準儀定點掛尺方法，具體如下：

（1）斷面布置

根據(jù)《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTJ042-94）[4]的要求，并結(jié)合ST隧道的具體情況，量測斷面布置如下：對V級圍巖，量測斷面間距為10米；對IV級圍巖，量測斷面間距為20米；對III級圍巖，量測斷面間距為50米。

包含內(nèi)容：①在開挖后的隧道內(nèi)，利用全站儀先找到隧道中軸線；②在隧道中軸線上定出觀測參照點，并測量出該點的實際高程及與隧道中軸線的偏差值。

（2）量測時間和頻率

變形速度小于1mm/d時，量測頻率為1次/周；變形速度大于1mm/d小于10mm/d時，量測頻率為1次/天；變形速度大于10mm/d時，量測頻率為2次/天。

盡量利用隧道開挖循環(huán)中立鋼架階段，對隧道斷面快速進行整體及局部定點掃描，監(jiān)測鋼拱架、格柵支撐、錨桿和二次襯砌的變形情況，這樣可保證在及時收集數(shù)據(jù)的同時又能減少頻繁量測給施工進度帶來的干擾。

（3）量測過程

架設BJSD-2激光斷面儀于所定參照點處，進行隧道圍巖周邊、拱頂以及鋼支撐等變形、下沉、收斂情況數(shù)據(jù)采集，且每次量測時，用精密水準儀測出參照點的高程變化值。

1.3 數(shù)據(jù)、圖形的輸出及處理

隧道激光斷面儀由控制器存儲數(shù)據(jù)，利用相應軟件，由計算計直接輸出，再傳入計算機，以進行數(shù)據(jù)處理。開挖過程中，用激光斷面儀對同一斷面的圍巖穩(wěn)定性觀測時，把多次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行比較計算出隧道的收斂位移。具體而言，就是在軟件支持下，把第一次量測所得圖形作為一個標準的基準圖，然后把后續(xù)依次測量圖與基準圖比較，觀察差值即可看到斷面上設定的不同點的收斂變形情況。比如在數(shù)據(jù)圖像比較處理時，標高坐標扣除用精密水準儀所測斷面基準點圍巖變形值，在比較圖上就可以看到周邊變形情況。如圖1所示，ST隧道某里程處開挖后第四天變形與第三天比較，可看出拱頂還有約3～4mm的變形，拱肩有1～3mm的變形。

圖2是ST隧道IV級圍巖zk11+540.989里程處開挖后第二天拱頂變形情況，可看出此時拱頂有5mm的沉降變形。

圖1 ST隧道某里程處第四天變形與第三天比較圖

圖2 ST隧道zk11+540.989里程處第二天拱頂變形圖

2 ST隧道圍巖變形預測

2.1 灰色理論原理

部分信息已知，部分信息未知的系統(tǒng)，稱為灰色系統(tǒng)?；疑治鋈Q即為灰色系統(tǒng)理論分析，是由中國華中科技大學鄧聚龍教授于1982年在國際經(jīng)濟學會議上提出的，該理論主要是針對系統(tǒng)模型的不明確性，信息的不完整性，進行關于系統(tǒng)的關聯(lián)分析、模型建構(gòu)、預測及決策的方法來探討及了解系統(tǒng)[5]?；疑治龅膬?yōu)點在于：①不需要大量樣本；②樣本不需要有規(guī)律性分布；③計算工作量小；④定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果不會不一致；⑤可用于近期、短期和中長期預測；⑥灰色預測精準度高。

圍巖穩(wěn)定性預測研究是當前隧道地質(zhì)工作中的一項重要任務，而隧道變形的定量預測是其關鍵之所在。這種定量預測由于資料的匱乏性而難度較大，實踐性及探索性較強。20世紀80年代末以來，灰色系統(tǒng)理論開始引入地質(zhì)領域，灰色GM(1,1)預測模型以其數(shù)量要求少，計算方便簡單及預測精度高等優(yōu)點被認為是解決圍巖變形預測到的一種有效途徑，已在一些實際工程預測中得到具體應用，并初見成效。

一切隨機量都可看作是一定范圍內(nèi)變化的灰色量，對灰色量的處理不是找概率分布及求統(tǒng)計規(guī)律，而是通過數(shù)據(jù)生成來尋求數(shù)據(jù)間的規(guī)律，根據(jù)對生成數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)預測目的。常用的數(shù)據(jù)生成方式有累加生成，累減生成及映射生成等幾種?；疑獹M(1,1)模型是常用的單變量一次累加生成預測模型，下面將采取一種較為快捷的方法，進一步探究該模型在ST隧道監(jiān)控中的應用。

2.2 灰色分析預測

對ST隧道斷面的量測數(shù)據(jù)如圖3所示，拱頂處的變形值為3.5mm，可左右內(nèi)插提取。這樣，通過對同一斷面進行多次觀測，提取所需數(shù)值列為表1，并分別采用GM(1,1)模型和V模型進行灰色分析預測。

圖3 斷面儀量測數(shù)據(jù)直觀圖

圖4 灰色分析預測值與實測值比較圖

表1 ST隧道斷面實測值及GM(1，1)模型和V模型預測值

2.3 預測值與實測值的比較

如圖4所示，從實測值來看，240h時隧道的實際拱頂下沉量為37.5mm，而GM(1，1)模型預測的拱頂最大下沉量為33.8mm，二者基本符合。圍巖變形必經(jīng)要收斂于某一值，V模型預測拱頂最終收斂性較好，更能符合一般規(guī)律，而GM(1，1)模型預測值后期收斂不明顯。從預測值與實測值的對比分析可以得出，采用V模型預測圍巖變形是可行的，其預測結(jié)果在指導施工實踐時有重要的參考作用。

3 結(jié)論

以激光斷面儀對ST隧道圍巖變形的大量觀測數(shù)據(jù)為基礎，采用灰色系統(tǒng)理論中的GM(1,1)模型和V模型分別對圍巖的后期變形進行預測，比較發(fā)現(xiàn)V模型預測是可行的，其預測結(jié)果對指導施工實踐有著重要的參考作用。

［1］林勇.對公路隧道新奧法施工監(jiān)控技術的展望[J].公路交通技術,2004(8):84-87,109.

［2］賈承輝.基于斷面儀及雷達對隧道施工監(jiān)測方法的研究[D].鄭州:鄭州大學,2008.

［3］北京光電技術研究所斷面儀使用手冊[Z].2005.

［4］重慶公路科學研究所.JTJ042-94公路隧道施工技術規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,1995

［5］鄧聚龍.灰色系統(tǒng)論文集[M].武漢:華中理工大學出版社,1989.

楊玉潔］