隧道監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)處理及分析

胡先進(jìn)，王　爭，任梓綺

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽　550001)

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隧道監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)處理及分析

胡先進(jìn)，王爭，任梓綺

(貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽550001)

摘要：針對隧道施工監(jiān)控量測，結(jié)合實(shí)例，在簡單介紹監(jiān)控量測目的與方法的基礎(chǔ)上，深入分析了量測、數(shù)據(jù)處理與分析的主要內(nèi)容，旨在為類似工程提供可靠的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：隧道施工；監(jiān)控量測；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)分析

1監(jiān)控量測的常用方法

本隧道風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)相對較高，隧道斷面凈空、跨度大，使得監(jiān)控量測的頻率變大，加之施工現(xiàn)場條件較為惡劣，所以實(shí)施監(jiān)控量測作業(yè)的難度很大。以往的監(jiān)控量測方法為：使用鋼尺、水準(zhǔn)儀以及收斂計(jì)等設(shè)備儀器進(jìn)行量測，這樣的方法不僅操作復(fù)雜，而且還會造成施工干擾，量測的結(jié)果會受到人為因素的影響，總體監(jiān)控量測質(zhì)量較為低下。在長度較大的隧道中，這種傳統(tǒng)的做法顯然已經(jīng)無法滿足實(shí)際需求。因此，深入分析在復(fù)雜施工條件下，充分利用全站儀三角高程與對邊測量，在要求的準(zhǔn)確度范圍中對圍巖的變形實(shí)施非接觸量測，并通過回歸分析等對量測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，是具有很高現(xiàn)實(shí)意義的。與傳統(tǒng)基于人工量測的方法相比，這種全新的量測方法不僅效率突出，且可以保持相對較高的測量精度(低于10-1mm)，滿足當(dāng)前隧道量測的技術(shù)要求。除此之外，合理使用數(shù)據(jù)自動記錄功能，可以把量測數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)當(dāng)中，使用回歸分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，生成線性圖像，進(jìn)而更加直觀的表達(dá)量測結(jié)果。

2測點(diǎn)布置與頻率

2.1測點(diǎn)布置

嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，為更加準(zhǔn)確的獲得圍巖開挖初始階段的變形動態(tài)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行測點(diǎn)布置，所有測點(diǎn)需布置在開挖工作面2 m的區(qū)域中，同時(shí)確保實(shí)施爆破1 d內(nèi)、下次爆破前測取初讀數(shù)。測點(diǎn)布置與代表性隧道斷面選擇是開展量測工作的首要任務(wù)，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，結(jié)合隧道地質(zhì)情況，施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照5～10 m的間距標(biāo)準(zhǔn)選擇代表性隧道斷面，在拱頂軸線及左右各埋設(shè)一個(gè)測點(diǎn)，即埋設(shè)三個(gè)拱頂下沉測點(diǎn)，在隧道底板上方約1 m的范圍中進(jìn)行周邊收斂測點(diǎn)埋設(shè)。本隧道的測點(diǎn)布置情況如圖1所示。

2.2量測頻率

具體的量測頻率需要根據(jù)工程的實(shí)際情況確定，主要參考對象為位移速度。本隧道工程的量測頻率如表1所示。

表1　隧道監(jiān)控量測頻率

2.3量測數(shù)據(jù)采集

隧道拱頂沉降量測采取“全站儀三角高程中間法”進(jìn)行，量測開始之前，首先應(yīng)確定量測儀器是否進(jìn)入“兩差”狀態(tài)。量測過程中要求“三固定”，也就是量測工作人員固定、量測儀器設(shè)備固定以及基準(zhǔn)點(diǎn)固定。隧道中的凈空收斂值需使用“全站儀對邊測量程序”進(jìn)行，可對各個(gè)測線的實(shí)際斜距進(jìn)行直接測量，進(jìn)而間接得出凈空收斂值，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理工作做好準(zhǔn)備。

3隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理與分析

3.1隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理

(1)上傳并整理量測結(jié)果，根據(jù)公式算出相對位置量。

(2)繪制時(shí)間與收斂值的關(guān)系散點(diǎn)圖。

(3)對回歸曲線進(jìn)行分析，找到收斂值的極限點(diǎn)，進(jìn)而明確隧道圍巖是否處在穩(wěn)定的狀態(tài)。目前大多使用指數(shù)、雙曲線與對數(shù)對線性進(jìn)行回歸分析和計(jì)算，這三種函數(shù)都可以轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線性方程，以其中的指數(shù)函數(shù)向線性方程轉(zhuǎn)換為例

u=Ae(-B/t)

(1)

公式(1)兩邊一同取對數(shù)可得

(2)

y=a-bx

(3)

公式(2)中，A，B均代表回歸常數(shù)；u代表位移量，mm；t代表初讀數(shù)后經(jīng)歷的時(shí)間，d。

對數(shù)與雙曲線函數(shù)通過轉(zhuǎn)換，可得到以下直線方程

(4)

(5)

3.2隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

(1)穩(wěn)定性判斷

對收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制時(shí)間與位移的關(guān)系曲線。穩(wěn)定性判斷的主要依據(jù)為。

①時(shí)態(tài)曲線的位移變化速率表現(xiàn)出明顯的減小趨勢，圖像中的曲線逐漸平緩，說明圍巖基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行施工。

②時(shí)態(tài)曲線的位移速率保持不變，曲線出現(xiàn)直線上升，說明圍巖變形情況嚴(yán)重，處于失穩(wěn)的狀態(tài)，不能進(jìn)行施工。

③時(shí)態(tài)曲線的位移變化速率表現(xiàn)出明顯的增大趨勢，圖像中的曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，說明圍巖處在失穩(wěn)的狀態(tài)。

④當(dāng)日實(shí)際位移變化速率超出1 mm/d時(shí)，說明圍巖正處在變形急劇變化的階段。

⑤當(dāng)日實(shí)際位移變化速率保持在0.2～1.0 mm/d時(shí)，說明圍巖正處在變形緩慢變化的階段。

⑥當(dāng)日實(shí)際位移變化速率低于0.2 mm/d時(shí)，說明圍巖已達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)回歸分析

以本隧道的拱頂沉降數(shù)據(jù)為例，將某斷面測量的數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行計(jì)算，在按照直線方程的基礎(chǔ)上開始回歸分析工作，進(jìn)而即可得出回歸常數(shù)與有關(guān)系數(shù)，如表2所示。

表2　隧道拱頂沉降回歸分析

由表2可以明顯看出，雙曲線函數(shù)所對應(yīng)的系數(shù)相比最大，分析的準(zhǔn)確度也最高，所以可將此方程作為主要分析依據(jù)。結(jié)合回歸分析結(jié)果，該斷面拱頂?shù)淖罱K沉降量為260.16 mm，目前累計(jì)沉降為213.26 mm，約占最終沉降量的82%。由此可知，施工中選取的支護(hù)參數(shù)較為合理，隧道圍巖已經(jīng)趨于基本穩(wěn)定。

4結(jié)束語

隧道監(jiān)控量測能及時(shí)了解到圍巖與初期支護(hù)在施工過程中的變形狀況與穩(wěn)定情況，進(jìn)而可以為支護(hù)參數(shù)調(diào)整、確保施工安全與確定合理的襯砌施作時(shí)機(jī)等提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。對隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以預(yù)測最終沉降值和各階段的變化速率，對掌握圍巖變形或支護(hù)系統(tǒng)的受力隨時(shí)間變化規(guī)律有著十分重要的意義。因此，隧道施工過程中，必須對監(jiān)控量測給予足夠的重視，根據(jù)隧道的實(shí)際情況與監(jiān)測需求，規(guī)范布置測點(diǎn)，優(yōu)化數(shù)據(jù)采集，采用“全站儀三角高程中間法”等新型的監(jiān)控量測方法，有序開展數(shù)據(jù)分析等工作，從而為隧道施工安全奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]密士文,龔書林. 隧道監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)處理及分析[J]. 中國西部科技,2010,(1):32-33,50.

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[3]李秀芳,柯玉軍,徐長峰,等. 公路隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的回歸分析及其運(yùn)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2013,(1):178-182.

Data processing and analysis of tunnel monitoring measuration

HU Xian-jin, WANG Zheng, REN Zi-qi

(Guizhou Province Traffic Science Research Institute Co., Ltd., Guiyang Guizhou 550001, China)

Abstract:In view of the tunnel construction monitoring, combined with actual examples, this paper introduces purpose and method of monitoring measuration, on the basis of in-depth analysis of the measurement, data processing and analysis, aims to provide a reliable theoretical basis for similar projects.

Keywords:tunnel; monitoring; data processing

收稿日期：2015-12-22

作者簡介：胡先進(jìn)(1983-)，貴州思南人，工程師，研究方向：隧道檢測、監(jiān)控、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

中圖分類號：U442

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)04-0119-02