某隧道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段變形規(guī)律分析

杜子真

(華東交通大學(xué) 江西 南昌 330000)

一、圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《福建省普通公路施工標(biāo)準(zhǔn)化指南》中關(guān)于量測數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用并結(jié)合隧道實(shí)際情況，主要從隧道施工允許位移值和位移速率兩個(gè)方面建立施工變形管控基準(zhǔn)。

根據(jù)圍巖允許位移值進(jìn)行施工管理，見表1、2所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，通過相應(yīng)的變形管理等級(jí)對(duì)當(dāng)前施工進(jìn)行管控，使其達(dá)到安全施工的要求。

表1 變形管理等級(jí)

注：U0為實(shí)測變形值；Un為允許變形值。

表2 隧道周邊允許相對(duì)位移值(%)

二、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)處理及分析

本文主要是研究隧道圍巖的變形情況，其最直觀的體現(xiàn)就是拱頂測點(diǎn)下沉與水平收斂測線的位移量變化，通過對(duì)花都I號(hào)隧道的拱頂下沉和水平收斂的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以獲得圍巖隨隧道開挖后的變化規(guī)律，從而判斷和評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

(一)數(shù)據(jù)處理方法

由于隧道現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，在實(shí)際測量過程中，還是會(huì)受到一定程度的干擾。諸如測點(diǎn)或測線沒有布置在同一個(gè)斷面、洞內(nèi)環(huán)境較差導(dǎo)致測量人員無法精確地對(duì)準(zhǔn)反光片標(biāo)志的中心等原因，這些不可避免的誤差會(huì)使測量的原始數(shù)據(jù)具有一定的離散性。根據(jù)原始數(shù)據(jù)繪制的位移量隨時(shí)間變化曲線出現(xiàn)不規(guī)則的上下波動(dòng)，進(jìn)而無法得到真實(shí)的圍巖變化規(guī)律。想要準(zhǔn)確、全面地預(yù)測圍巖的最終變形值，就必須對(duì)這些誤差進(jìn)行修正。因此，需要借助統(tǒng)計(jì)學(xué)和概率論原理的數(shù)學(xué)方法對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出能夠準(zhǔn)確描述圍巖變化規(guī)律的數(shù)學(xué)公式。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，回歸分析可以量化監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)因素之間的聯(lián)系，是一種常用的、有效的數(shù)據(jù)處理方法。在隧道工程中，常用指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)及雙曲線函數(shù)三種回歸函數(shù)來對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

采用Origin軟件來對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的位移量隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合，獲得各擬合曲線方程的各項(xiàng)系數(shù)、相關(guān)系數(shù)以及殘差平方和。上述三種函數(shù)均是非線性函數(shù)模型，需綜合考慮相關(guān)系數(shù)和殘差平方和(相關(guān)系數(shù)越接近1代表擬合效果越好；殘差平方和越小代表擬合效果越好)來確定回歸效果的好壞，從而確定最優(yōu)回歸函數(shù)。

(二)Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段變形規(guī)律分析

選取埋深為132m的斷面YK2+740的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)拱頂下沉進(jìn)行回歸處理分析。

表3 斷面YK2+740拱頂下沉的回歸分析

由表3可知，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)可以很好地描述它的拱頂下沉變形規(guī)律，而對(duì)數(shù)函數(shù)的擬合效果不佳。根據(jù)相關(guān)系數(shù)和殘差平方和的對(duì)比，指數(shù)函數(shù)為最優(yōu)回歸函數(shù)，其方程為U=30.88983(1-e-0.13872t)，預(yù)測最終沉降值為30.89mm。根據(jù)上節(jié)提出的圍巖變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，埋深50～300m的Ⅳ級(jí)圍巖隧道所允許的相對(duì)位移為0.40%～1.20%，此地段隧道開挖高度約11.53m，拱頂相對(duì)位移為30.89/11530×100%=0.268%<0.40%，符合規(guī)范要求，表明可正常施工。圍巖的急劇變形階段一直持續(xù)到監(jiān)測的第12天，隨后變形速率逐漸減小。由沉降速率公式v=4.28504e-0.13872t，可推斷出監(jiān)測第28天后，沉降速率小于0.1mm/d，認(rèn)為拱頂下沉已基本穩(wěn)定。

斷面YK2+740測線二的水平收斂回歸分析結(jié)果見表4所示，發(fā)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的擬合曲線最貼近現(xiàn)場。

表4 斷面YK2+740水平收斂的回歸分析

根據(jù)最優(yōu)回歸方程為U=27.648(1-e-0.13107t)，預(yù)測最終水平收斂位移值為27.65mm。根據(jù)上節(jié)提出的圍巖變形的控制標(biāo)準(zhǔn)，埋深50～300m的Ⅳ級(jí)圍巖隧道所允許的相對(duì)位移為0.40%～1.20%，此地段隧道開挖寬度約16.89m，拱頂相對(duì)位移為27.65/16890×100%=0.164%<0.40%，符合規(guī)范要求，表明可正常施工。求導(dǎo)得水平收斂速率公式為v=3.62382e-0.13107t，結(jié)合水平收斂速率曲線，推斷監(jiān)測第23天后，收斂速率小于0.2mm/d，可認(rèn)為水平收斂已基本穩(wěn)定。