監(jiān)控量測在鐵路隧道中的應(yīng)用研究

高海東 楊志鵬

（甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741020）

采用新奧法修建的隧道，其最大特點(diǎn)是把監(jiān)控量測引入到隧道施工中，將其作為一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)予以實(shí)施，就是通過觀察、量測等得到的資料對已開挖的區(qū)間和掌子面未開挖的前方的圍巖狀況進(jìn)行預(yù)測，并將結(jié)果反饋到施工過程中[1]。雖然我國早已引入監(jiān)控量測技術(shù)及方法，由于工程人員對經(jīng)驗(yàn)法的依賴，重視程度不夠，造成施工中實(shí)施的力度不夠，不能充分發(fā)揮應(yīng)有的指導(dǎo)作用，量測數(shù)據(jù)的分析處理方法不完善及如何應(yīng)用也是重要的原因之一[2]。

1 工程概況及施工方法

寶蘭客專某隧道先后下穿藉河河谷區(qū)及兩岸黃土覆蓋的低山區(qū)，該隧道洞身及淺埋段地層主要為第四系全新沖洪積黏質(zhì)黃土、粉質(zhì)黏土等，所處區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動較為活躍，表現(xiàn)為藉河兩岸山坡侵蝕強(qiáng)烈，高差達(dá)100～300m，第三系地層整體抬升并微向北傾。隧道水文地質(zhì)條件復(fù)雜，通過區(qū)域地層巖性變化較大，涌水量較大，此外大部分位于城區(qū)地下，具有下穿河流、城市建筑物、通過液化氣站及液化氣管道等多種高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，所以該隧道被業(yè)內(nèi)專家譽(yù)為“大斷面城市地鐵”[3]。

該隧道在施工中采用三臺階七步開挖法。這種方法在較軟地層開挖過程中施工空間相對較大，可以多作業(yè)面平行施工，盡量縮短臺階長度，確保初期支護(hù)盡快閉合成環(huán)，襯砌及時(shí)跟進(jìn)，及早形成支護(hù)體系。

2 隧道監(jiān)控量測方案

本隧道施工中，根據(jù)施工組織計(jì)劃，監(jiān)控量測選用的測試項(xiàng)目為必測項(xiàng)目，如表1所示。

3 隧道監(jiān)控量測信息應(yīng)用

3.1 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的初步處理

首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行校核和整理。將同一量測點(diǎn)的數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)分析對比，相互印證，以便于確認(rèn)量測數(shù)據(jù)是否可靠，如有異常需增加量測次數(shù)。根據(jù)量測頻率，每次量測后及時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，包括量測數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算、誤差處理等，完成監(jiān)控量測外業(yè)記錄表。

表1 監(jiān)控量測項(xiàng)目表

3.2 根據(jù)量測數(shù)據(jù)繪制時(shí)態(tài)曲線

根據(jù)隧道監(jiān)控量測所得數(shù)據(jù)繪制位移s ，位移速度v與時(shí)間 t的關(guān)系曲線圖，通過s-t，v-t曲線的形態(tài)可以較直觀看出隧道圍巖位移變化的情況，并可對圍巖是否趨于穩(wěn)定或是否有異常狀況進(jìn)行初步判斷[4]。推算出圍巖最終位移，并掌握位移變化的規(guī)律，以某斷面為例。

3.3 采用曲線回歸分析法處理數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)范要求，可采用曲線回歸分析法對量測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析，得到描述s、t兩個(gè)變量間關(guān)系的回歸曲線函數(shù)，來表征量測數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律，并通過公式推算出將來s變量在不同t值情況下的大小及變化速率，最終確定s的極限值。根據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)范》（Q/CR9218-2015）要求，隧道施工時(shí)，能代表隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布規(guī)律的曲線主要有指數(shù)、對數(shù)和雙曲線3種模型。實(shí)際選用相關(guān)系數(shù)最高的指數(shù)函數(shù)作為代表函數(shù)。

式中：s 為累計(jì)位移值 （mm），t為初讀數(shù)后的時(shí)間（d），A、B為函數(shù)常數(shù)。

因指數(shù)函數(shù)回歸模型不是線性回歸，需采用變量換元法。通過對（1）式的兩邊分別取對數(shù)，則公式轉(zhuǎn)換成：

圖1 位移-時(shí)間（s-t）曲線

圖2 位移速度-時(shí)間（v-t）曲線

設(shè)ln s為y，設(shè)（1/t）為x，設(shè)ln A為C，則上述函數(shù)變成線性模型：

根據(jù)換元法，計(jì)算周邊位移數(shù)據(jù)，繪制得到線性回歸曲線，如圖3所示。

圖3 線性回歸曲線圖

由圖3得出線性回歸方程式：y=-0.3918x+4.0055，相關(guān)系數(shù)R2為0.9981，由相關(guān)系數(shù)可知，回歸相關(guān)性強(qiáng)，精度較高。

根據(jù)線性回歸方程，可計(jì)算得出：B=0.3918，由lnA=C=54.90。

將A、B值帶入公式（1）中，得出指數(shù)曲線模型為：由公式（4），結(jié)合位移-時(shí)間曲線對比線性回歸曲線，對比情況見圖4。

4 量測結(jié)果的分析與應(yīng)用

4.1 拱頂下沉最大位移值分析

在第2天時(shí)，實(shí)際測點(diǎn)的位移值45.3mm（理論分析最大值的80%），即可進(jìn)行隧道二次襯砌的施工。通過實(shí)測可以看到隧道拱頂下沉量測接近于50mm時(shí)趨于穩(wěn)定，可降低量測頻率；通過曲線回歸分析，我們可以看到回歸曲線最終的位移值是54.90mm。通過圖4我們可以看到在時(shí)間為3d時(shí)，拱頂下沉量測值已趨于穩(wěn)定，說明設(shè)計(jì)的施工參數(shù)合理，施工安全。

圖4 拱頂下沉曲線量測與回歸分析曲線圖

4.2 施工建議

在施工中，設(shè)計(jì)圖紙未直接標(biāo)注出支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)留變形量的大小，針對大斷面鐵路隧道存在較多的不安全因素，施工單位為了保證工程質(zhì)量，選用的預(yù)留變形為15～25mm，與實(shí)際量測和理論分析的結(jié)果差距較大（實(shí)際與理論最終位移為54.90mm[5]）。如實(shí)際變形小，預(yù)留變形量大，為保證隧道凈空的需要，易造成隧道實(shí)際開挖量增大，外運(yùn)土方量增加，隧道二次襯砌厚度變大，工程成本不斷上升，對施工單位影響較大。因此，選擇一個(gè)合理的預(yù)留變形量對控制隧道工程成本至關(guān)重要。

5 結(jié)語

隧道從開挖到初期支護(hù)的穩(wěn)定，變形量的大小直接影響工程的質(zhì)量和安全，應(yīng)根據(jù)要求，選擇有經(jīng)驗(yàn)并負(fù)責(zé)的測量小組負(fù)責(zé)監(jiān)控量測工作，加強(qiáng)隧道內(nèi)量測布點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集的規(guī)范性。數(shù)據(jù)采集后應(yīng)及時(shí)整理、分析，通過繪制時(shí)態(tài)曲線、回歸分析，甚至數(shù)值模擬等方式形成結(jié)論，及時(shí)反饋給工程技術(shù)人員，從而真正體現(xiàn)出隧道的“動態(tài)施工”，保證隧道的安全。