基于監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析的隧道圍巖穩(wěn)定性分析

忽國奇

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運城南高速公路分公司，山西 運城 044000）

0 引言

隧道開挖和支護(hù)過程中，會對圍巖產(chǎn)生擾動導(dǎo)致圍巖變形。采用監(jiān)控量測的方法調(diào)查隧道圍巖的變形情況，并采取措施加強(qiáng)支護(hù)，保證隧道圍巖的穩(wěn)定。隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法有數(shù)值模擬方法、力學(xué)解析方法，分別通過計算機(jī)建模和力學(xué)方法分析圍巖的變形趨勢，進(jìn)而通過支護(hù)手段提高穩(wěn)定性[1]。這兩種方法都是通過理論計算分析預(yù)測隧道圍巖的變形情況，與現(xiàn)場變形情況進(jìn)行對比分析確定隧道圍巖的穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，最常用的方法是采用監(jiān)控量測的方法收集隧道圍巖的變形數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，確定圍巖的變形趨勢[2]。基于運寶高速中條山隧道圍巖穩(wěn)定性分析實踐，收集監(jiān)控量測必測項目監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，作為隧道圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)參數(shù)合理性的判斷依據(jù)。

1 隧道圍巖變形破壞機(jī)理分析

隧道開挖前，巖體之間處于一個天然的應(yīng)力平衡狀態(tài)。隧道開挖后，在臨空面位置圍巖失去了部分支撐作用，破壞了原有的天然平衡。隧道開挖后，開挖斷面圍巖質(zhì)點的徑向應(yīng)力減小，導(dǎo)致隧道圍巖向洞內(nèi)擠壓移動。圍巖內(nèi)部的回彈應(yīng)力向隧道臨空面移動，切向應(yīng)力升高，開挖后隧道內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，這3種應(yīng)力都對隧道圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅[3]。當(dāng)圍巖內(nèi)部應(yīng)力綜合作用超過了圍巖強(qiáng)度時，就會造成圍巖變形和破壞，導(dǎo)致圍巖變形失穩(wěn)。

最初，圍巖變形破壞發(fā)生在臨空面位置，然后逐步向隧道內(nèi)部發(fā)展，圍巖內(nèi)部不穩(wěn)定塊體和應(yīng)力集中部位是最先出現(xiàn)變形破壞的部位。當(dāng)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，且與開挖臨空面切向方向形成了不利組合，在局部形成不穩(wěn)定塊體。當(dāng)圍巖自穩(wěn)能力較差時，不穩(wěn)定塊體在圍巖內(nèi)部應(yīng)力的綜合作用下容易產(chǎn)生塌方。應(yīng)力集中部位主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中，通常出現(xiàn)在隧道拱頂及其兩側(cè)壁位置[4]。且隧道圍巖為軟巖時，變形量較硬巖變形量大。

2 依托項目概況

中條山隧道位于運寶高速公路，隧道左洞起訖樁號為ZK5+676.108—ZK15+347.050，長9 670.942 m；隧道右洞起訖樁號為YK5+679—YK15+350，長9 671 m。隧道底部設(shè)計高程為985.46～1 021.48 m，隧道設(shè)計縱坡為2%。隧道最大埋深為681 m，最小埋深僅為18 m。隧道內(nèi)部地質(zhì)情況復(fù)雜，經(jīng)設(shè)計勘測確定圍巖等級主要為Ⅲ級、Ⅳ級，局部地段圍巖穩(wěn)定性較差，為Ⅴ級圍巖。隧道Ⅳ級圍巖地段主要為亞黏土、碎石土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，局部滴水，裂隙紋理發(fā)育，巖層產(chǎn)狀110°∠40°。隧道Ⅲ級圍巖地段主要為灰?guī)r，巖層厚度大，硬度高，局部較破碎，溶蝕較嚴(yán)重，滲漏水主要為裂隙水，巖層產(chǎn)狀110°∠60°。

3 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

3.1 監(jiān)測斷面選取

中條山隧道圍巖等級主要為Ⅲ級和Ⅳ級，圍巖自穩(wěn)能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性相對較好，施工中監(jiān)控量測項目主要為必測項目。分別選?、蠹壓廷艏墖鷰r區(qū)域拱頂下沉和周邊位移兩個項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分析隧道圍巖的穩(wěn)定性。在Ⅲ級圍巖區(qū)域選取K6+450監(jiān)測斷面，該斷面位于Ⅲ級和Ⅳ級圍巖的分界位置。Ⅳ級圍巖區(qū)域選取K7+210監(jiān)測斷面，該斷面上部存在軟弱夾層，有可能產(chǎn)生變形失穩(wěn)?？赏ㄟ^監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該斷面隧道圍巖的穩(wěn)定性，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)行動態(tài)施工管理。

3.2 Ⅲ級圍巖區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

按照監(jiān)測頻率，對K6+450斷面開展周邊位移和拱頂下沉量測，收集23 d連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析，監(jiān)測結(jié)果詳見表1。分別繪制拱頂下沉、周邊位移各函數(shù)回歸曲線如圖1和圖2所示。

表1 K6+450斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖1 K6+450斷面周邊位移監(jiān)測值不同函數(shù)回歸曲線

圖2 K6+450斷面拱頂下沉監(jiān)測值不同函數(shù)回歸曲線

分析隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，變形量與時間之間并不是簡單的線形關(guān)系，而是某種曲線關(guān)系。通過繪制散點圖，剔除個別異常數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分布規(guī)律選取指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和雙曲函數(shù)對現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。借助Origin軟件建立數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合相關(guān)系數(shù)R等進(jìn)行回歸曲線擬合，確定最合理的回歸函數(shù)方程[5]。本項目拱頂下沉和周邊位移回歸函數(shù)方程如下。

3.2.1 拱頂下沉回歸函數(shù)

3.2.2 周邊位移回歸函數(shù)

分析以上回歸函數(shù)，計算求得相關(guān)系數(shù)R2，其中兩個對數(shù)函數(shù)u=0.19+7.64lg（1+t）與 u=0.08+5.43lg（1+t）計算值為0.961和0.976，對應(yīng)指數(shù)函數(shù)和雙曲函數(shù)相關(guān)系數(shù)計算值分別為8.849、0.892、0.835、0.921，對比分析可知對數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)值最接近于1。因此，選擇對數(shù)函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。

從圖1和圖2曲線變化情況可知，在隧道拱部初期支護(hù)完成初期，拱頂下沉和周邊位移觀測值呈線性變化，且變化幅度較大，說明隧道圍巖內(nèi)部應(yīng)力處于調(diào)整期，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，監(jiān)測頻率控制在2次/d或1次/d。監(jiān)測12 d拱頂下沉累積沉降量達(dá)到9.045 mm，之后進(jìn)行邊墻開挖施工，隧道開挖產(chǎn)生的擾動造成變形量增大，但增加值不大。邊墻施工完成后監(jiān)測變形量明顯降低，最大的日沉降量為0.147 mm，且逐步趨于穩(wěn)定，拱頂下沉量和周邊位移變形量最終觀測值分別為7.413 mm和9.626 mm。由于K6+450斷面位于Ⅲ級和Ⅳ級圍巖交界處，雖然監(jiān)測值已基本趨于穩(wěn)定，還需要進(jìn)行持續(xù)觀測。

3.3 Ⅳ級圍巖區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析

表2 K7+210斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

K7+210監(jiān)測斷面圍巖主要為灰?guī)r，巖石硬度高，裂隙紋理發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性相對較好。對監(jiān)測點進(jìn)行連續(xù)觀測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2所示。收集監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，繪制拱頂下沉、周邊位移隨時間的變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 K7+210斷面拱頂下沉監(jiān)測值隨時間變化曲線

圖4 K7+210斷面周邊位移監(jiān)測值隨時間變化曲線

按照同樣的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，確定K7+210斷面拱頂下沉與周邊位移回歸函數(shù)為對數(shù)函數(shù)，表達(dá)式分別為u=0.25+5.76lg（1+t）和u=0.26+8.17lg（1+t）。

對圖3和圖4進(jìn)行分析，隧道圍巖開挖支護(hù)后10 d內(nèi)，拱頂下沉量和周邊位移變形值較大，變化速率較大，大于l mm/d，說明圍巖并不穩(wěn)定。在初期支護(hù)的基礎(chǔ)上，對該斷面周邊增設(shè)了一次錨桿支護(hù)，加強(qiáng)了支護(hù)。同時加強(qiáng)監(jiān)控量測，加大監(jiān)測頻率，得到1個月內(nèi)的拱頂下沉和周邊位移累積位移量分別為9.131 mm和12.651 mm。1個月以后進(jìn)行邊墻開挖支護(hù)施作，施工期間變形量有增大的趨勢。后期監(jiān)測變形速度逐步下降，7 d內(nèi)拱頂下沉量為0.038 mm，周邊位移變形量為0.24 mm，說明圍巖變形已趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文選取K6+450斷面和K7+210斷面兩個有代表性的監(jiān)測斷面作為研究對象，通過對拱頂下沉和周邊位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分析隧道開挖、初期支護(hù)與邊墻支護(hù)對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，得出以下結(jié)論：

a）通過回歸分析，確定采用對數(shù)函數(shù)的相關(guān)系數(shù)更接近1，且變形曲線走向更接近對數(shù)函數(shù)曲線的走向，因此采用對數(shù)函數(shù)作為分析函數(shù)。

b）K6+450斷面回歸分析結(jié)果表明，雖然在監(jiān)測初期拱頂下沉量和周邊位移值較大，變形速度較快，但在邊墻施工后變形逐步趨于穩(wěn)定，說明隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可以保證隧道圍巖的穩(wěn)定性。

c）K7+210斷面由于圍巖內(nèi)部存在軟弱結(jié)構(gòu)層，監(jiān)測過程中拱頂下沉和周邊位移變形和變形速度均較大，采取錨桿支護(hù)對該斷面周邊區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)后監(jiān)測數(shù)據(jù)逐步趨于穩(wěn)定，說明修正后的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證隧道圍巖穩(wěn)定。