基于施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值回歸的山嶺隧道圍巖穩(wěn)定性分析

田慶， 李官群

(1.保靖縣農(nóng)村交通建設(shè)技術(shù)咨詢服務(wù)站， 湖南 保靖 416000；2.保靖縣交通運(yùn)輸局， 湖南 保靖 416000)

山嶺隧道最常見(jiàn)的施工方法是新奧法，其主要思想是充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，開(kāi)挖后進(jìn)行打錨桿和噴射砼，使其有機(jī)結(jié)合形成初期支護(hù)約束圍巖變形，同時(shí)在相應(yīng)位置布置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，為安全施工提供依據(jù)。文獻(xiàn)[1]通過(guò)線性回歸分析了圍巖的變化情況，得出前7 d為圍巖變形增長(zhǎng)速度較快的階段，圍巖整個(gè)變形周期為20多 d。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的線性回歸分析，得到采用三次多項(xiàng)式對(duì)周邊圍巖與時(shí)間的關(guān)系、拱頂下沉與時(shí)間的關(guān)系有著較好的擬合性。文獻(xiàn)[3-5]對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行研究，積累了大量數(shù)據(jù)處理方法，可為不同地質(zhì)情況提供圍巖穩(wěn)定性分析方法。該文以湖南G209、S318保靖龍溪至遷陵公路上屋場(chǎng)坪隧道為工程背景，對(duì)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值回歸分析，分析圍巖變形規(guī)律。

1 工程概況

屋場(chǎng)坪隧道起訖里程為K10+655—K11+473，全長(zhǎng)818 m，設(shè)計(jì)標(biāo)高為297.15～273.43 m。全線位于直線段，路拱橫坡為1.5%，縱斷面(進(jìn)口至出口方向)均為-2.9%下坡。隧道區(qū)屬于侵蝕剝蝕丘陵地貌，隧道穿越一個(gè)丘陵體，該丘陵體地面標(biāo)高為296.23～494.21 m，相對(duì)高差197.98 m。隧道最大埋深約208.66 m。

2 監(jiān)控量測(cè)方法

根據(jù)JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，隧道施工中的必測(cè)項(xiàng)目有洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉和地表下沉。洞內(nèi)觀察主要是在掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，結(jié)合工程地質(zhì)資料對(duì)掌子面前方和開(kāi)挖面初期支護(hù)周圍的掌子面巖性、巖體結(jié)構(gòu)、有無(wú)不良地質(zhì)構(gòu)造及地下水發(fā)育等進(jìn)行觀察，確保施工安全性。地表下沉主要是在進(jìn)、出口段進(jìn)行加強(qiáng)量測(cè)的項(xiàng)目，該隧道的觀察點(diǎn)設(shè)置在K10+990，距離進(jìn)口有335 m，地表沉降影響特別小，故對(duì)地表下沉不進(jìn)行詳細(xì)分析，主要分析周邊位移、拱頂下沉情況，監(jiān)測(cè)斷面布置見(jiàn)表1。

表1 周邊位移、拱頂下沉監(jiān)測(cè)斷面布置間距 m

2.1 周邊圍巖收斂監(jiān)測(cè)

預(yù)埋掛鉤，噴完砼后，采用JSS30A型數(shù)顯式收斂計(jì)測(cè)量周邊圍巖位移。為消除鋼尺松緊程度所帶來(lái)的測(cè)量讀數(shù)誤差，在其豎向指標(biāo)指到第3條格時(shí)開(kāi)始讀數(shù)，每次讀數(shù)進(jìn)行3次，分別為第3條格微左、中、微右，取3次讀數(shù)的平均值作為測(cè)量結(jié)果。按下式對(duì)周邊位移測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，得到實(shí)際水平收斂值：

u=ui+αL(tw-t0)

(1)

式中：u為實(shí)際收斂值；ui為收斂計(jì)讀數(shù)平均值；α為收斂計(jì)系統(tǒng)溫度線脹系數(shù)；L為基線長(zhǎng)；tw、t0分別為收斂計(jì)觀測(cè)時(shí)、標(biāo)定時(shí)環(huán)境溫度。

2.2 拱頂下沉監(jiān)測(cè)

采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行拱頂下沉監(jiān)測(cè)。在洞內(nèi)找一個(gè)永久點(diǎn)并確定其坐標(biāo)，把5 m長(zhǎng)塔尺掛到預(yù)埋的掛鉤上進(jìn)行測(cè)量。按下式計(jì)算拱頂標(biāo)高：

h=Oz+h1+(H-h2)

(2)

式中：h為實(shí)測(cè)拱頂標(biāo)高；Oz為后視點(diǎn)z坐標(biāo)；h1為后視點(diǎn)讀數(shù)；H為塔尺總長(zhǎng)度；h2為前視點(diǎn)讀數(shù)。

3 施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及回歸分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

主要對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖K10+990斷面所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 K10+990斷面周邊位移和拱頂沉降測(cè)量結(jié)果

3.2 數(shù)值回歸分析

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析可預(yù)測(cè)周邊位移、拱頂下沉最終值和各階段圍巖變形變化速率，為二次襯砌施作提供合理時(shí)機(jī)。借助MATLAB軟件進(jìn)行回歸分析。目前數(shù)據(jù)擬合處理的主要函數(shù)有指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)，其表達(dá)式見(jiàn)式(3)～(5)。

u=a?e-b/t

(3)

u=a+b/ln(t+1)

(4)

u=t/(a+b?t)

(5)

式中：u為位移值(mm)；a、b為回歸常數(shù)；t為初讀數(shù)后的時(shí)間(d)。

采用3種函數(shù)進(jìn)行回歸分析，取相關(guān)系數(shù)最接近于1的曲線方程作為回歸分析擬合函數(shù)，回歸分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 3種函數(shù)回歸分析結(jié)果

由表3可知：指數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高，其擬合程度最高，表明采用指數(shù)函數(shù)可更好地?cái)M合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，達(dá)到滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果。指數(shù)函數(shù)回歸曲線見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 水平收斂-時(shí)間回歸曲線

圖2 拱頂沉降-時(shí)間回歸曲線

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)JTG F60-2009《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，圍巖變形達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，其收斂量應(yīng)達(dá)到最大值的80%～90%。當(dāng)圍巖趨于穩(wěn)定時(shí)，便可施作二次襯砌。對(duì)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸方程求極限，得到監(jiān)測(cè)斷面的最終位移值，其中水平收斂為：

拱頂沉降為：

30 d的拱頂沉降收斂度為14.99/17.963 3=83.4%，水平位移收斂度為3.16/3.646 1=86.6%，每天的增量都低于0.1 mm/d，表明監(jiān)測(cè)斷面支護(hù)合理，圍巖變形已趨于穩(wěn)定，可施作二次襯砌。

4 結(jié)語(yǔ)

以屋場(chǎng)坪隧道為工程背景，采用最小二乘法原理對(duì)施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出指數(shù)函數(shù)擬合度最高。通過(guò)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行最終沉降量計(jì)算，判斷該隧道30 d時(shí)圍巖變形已超過(guò)80%，趨于穩(wěn)定，可施作二次襯砌。

施工監(jiān)控量測(cè)作為新奧法施工的重要法寶之一，其數(shù)據(jù)處理非常重要?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)難免因?yàn)楦鞣N原因存在數(shù)據(jù)離散和誤差，需對(duì)其進(jìn)行回歸處理，通過(guò)回歸分析準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道支護(hù)安全狀況，確保施工安全。