特長(zhǎng)隧道輔助坑道非常規(guī)變形段收斂監(jiān)測(cè)分析研究

趙亮 賈秋陽(yáng) 姜宗杉

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450008; 2.中鐵二十三局集團(tuán)第一工程有限公司，山東 日照 276800）

1 引言

鐵路運(yùn)輸網(wǎng)遍布全國(guó)，在修建鐵路需面臨開(kāi)辟隧道問(wèn)題，且多為特長(zhǎng)隧道。已有文獻(xiàn)對(duì)特長(zhǎng)隧道收斂變形的研究偏向于通車(chē)隧道，對(duì)輔助坑道研究較少，本次研究以某隧道為背景，對(duì)平導(dǎo)收斂變形展開(kāi)研究。平導(dǎo)是在特長(zhǎng)隧道施工中先行開(kāi)挖，在施工及運(yùn)營(yíng)階段可作為通風(fēng)和應(yīng)急救援等重要通道，因此分析研究輔助坑道收斂變形很有必要。

隧道收斂和下沉是力學(xué)形態(tài)監(jiān)測(cè)中最為直接的反應(yīng)，研究收斂變形是隧道施工的重點(diǎn)問(wèn)題之一?，F(xiàn)有研究多基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬建立模型[1]，常見(jiàn)預(yù)測(cè)模型有指數(shù)模型、對(duì)數(shù)模型、雙曲模型和Richards 邏輯回歸模型[2]等。上述模型參數(shù)依賴(lài)性大，普適性一般，預(yù)測(cè)精度雖能滿(mǎn)足工程需要，但精度受制約性大?；诖耍袑W(xué)者構(gòu)建了最優(yōu)加權(quán)組合模型[3]，提高了預(yù)測(cè)精度，但該組合模型在單一模型參數(shù)求取繁瑣基礎(chǔ)上受權(quán)值選擇限制，權(quán)值和參數(shù)選取不合適將影響模型預(yù)測(cè)精度。對(duì)此，研究引入GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化預(yù)測(cè)模型，無(wú)需參數(shù)求取，根據(jù)某隧道輔助坑道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)迭代尋優(yōu)，可達(dá)到較高精度預(yù)測(cè)。

2 工程概況

某隧道全長(zhǎng)14.6km，采用新奧法對(duì)向開(kāi)挖，正洞采用初支和二襯的復(fù)合式襯砌，輔助坑道采用初支和模筑襯砌。 研究段由大里程向小里程掘進(jìn)，隧道多為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，開(kāi)挖后自身穩(wěn)定性差，易發(fā)生變形。

3 監(jiān)測(cè)方法及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

隧道收斂變形監(jiān)測(cè)方法有接觸式與非接觸式，接觸式測(cè)量方法多采用布設(shè)收斂計(jì)，布設(shè)復(fù)雜，每對(duì)測(cè)點(diǎn)需安裝收斂計(jì)，影響通行且成本較高，不太適合特長(zhǎng)隧道。非接觸式測(cè)量常基于全站儀對(duì)預(yù)埋監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)所測(cè)坐標(biāo)計(jì)算。全站儀在收斂變形監(jiān)測(cè)中有是否需設(shè)站之分，進(jìn)行儀器設(shè)站無(wú)疑增加測(cè)量工作量；與此相比，全站儀無(wú)定向自由設(shè)站法將儀器整平即可測(cè)量，大大提高作業(yè)效率，也消除了設(shè)站誤差。

非接觸式測(cè)量還可利用近景攝影測(cè)量和三維激光掃描技術(shù)[4]，但近景攝影測(cè)量需布設(shè)較多編碼點(diǎn)和非編碼點(diǎn)，工作量較大，數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜。三維激光掃描技術(shù)可得到面狀測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)處理軟件可對(duì)任意斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但儀器價(jià)格較貴，數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)重，對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求高。這兩種測(cè)量方式尚未普遍用于收斂變形監(jiān)測(cè)。鑒于此，本文采用全站儀無(wú)定向自由設(shè)站法獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.1 全站儀無(wú)定向自由設(shè)站法收斂變形測(cè)量原理

將全站儀架于所測(cè)斷面前合適位置，無(wú)需儀器設(shè)站，整平后即可測(cè)量。將Leica-TS09 全站儀通過(guò)藍(lán)牙連接觀測(cè)手簿，使用隧道圍巖監(jiān)測(cè)APP 采集收斂數(shù)據(jù)并記錄，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，根據(jù)實(shí)測(cè)坐標(biāo)實(shí)時(shí)計(jì)算測(cè)點(diǎn)對(duì)凈空值，并將結(jié)果存儲(chǔ)于手簿，便于對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。收斂監(jiān)測(cè)主要獲取兩點(diǎn)間距離變化，使用該系統(tǒng)進(jìn)行隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)無(wú)需將全站儀設(shè)站，大大提高監(jiān)測(cè)效率，縮短影響隧道車(chē)輛通行時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)收斂監(jiān)測(cè)如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)收斂監(jiān)測(cè)

若測(cè)得圖1 中測(cè)點(diǎn)S1的坐標(biāo)為（X1,Y1,Z1），測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)為（X2,Y2,Z2），則該對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)本期觀測(cè)隧道凈空值S1 為：

同理可得測(cè)點(diǎn)S2和之間的凈空值S2，本期觀測(cè)凈空值減前一期測(cè)量值，可得每期收斂變形值，即：

公式（2）中，ΔS1 和ΔS2 分別為本期拱腰和拱腳測(cè)點(diǎn)對(duì)收斂值；S1本期為本期測(cè)點(diǎn)對(duì)S1和凈空值，S1前一期為前一期測(cè)點(diǎn)對(duì)S1和凈空值，S2本期為本期測(cè)點(diǎn)對(duì)S2和凈空值，S2前一期為前一期測(cè)點(diǎn)對(duì)S2和凈空值。

3.2 研究區(qū)測(cè)點(diǎn)分布情況

非常規(guī)變形段里程樁號(hào)從K73+746 至K73+651，共95m 長(zhǎng)。依規(guī)范要求按5 米間距布設(shè)19 組監(jiān)測(cè)斷面，具體里程位置參見(jiàn)5.1 節(jié)內(nèi)容。S1-S1＇測(cè)點(diǎn)設(shè)于拱腰位置，S2-S2＇測(cè)點(diǎn)設(shè)于拱腳向上0.5～1m 范圍，為保證同一里程的兩組測(cè)點(diǎn)位于同一斷面，布點(diǎn)時(shí)采用全站儀定位。按照預(yù)定位置鉆孔，將監(jiān)測(cè)標(biāo)志錨固于孔中，錨固長(zhǎng)度至少50cm。測(cè)點(diǎn)布好后采用鋼套管保護(hù)，每次觀測(cè)前檢查測(cè)點(diǎn)確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

4 隧道凈空收斂常規(guī)變形規(guī)律

隧道凈空收斂變形常規(guī)規(guī)律同沉降規(guī)律類(lèi)似，呈生長(zhǎng)曲線形式[5]，即累計(jì)收斂變形值呈S 形曲線變化，具體如圖2 所示，開(kāi)挖后圍巖累計(jì)收斂變形隨時(shí)間變化規(guī)律分為四個(gè)階段：（1）負(fù)空間效應(yīng)階段隨開(kāi)挖時(shí)間推移，累計(jì)收斂變形值逐漸增大；（2）正空間效應(yīng)階段累計(jì)收斂變形值加速變化；（3）阻尼變形階段隧道凈空累計(jì)收斂變形值逐漸減慢，收斂變形速度降低 ；（4）流變階段累計(jì)收斂變形值基本達(dá)到最大，并逐漸趨于穩(wěn)定。上述為常規(guī)情況下隧道凈空收斂和下沉的移動(dòng)變形規(guī)律，但研究段巖性復(fù)雜多變，收斂變形規(guī)律與常規(guī)規(guī)律不盡相符，下文將詳細(xì)分析。

圖2 圍巖變形全過(guò)程曲線

5 非常規(guī)變形段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

于2020 年9 月7 日至11 月18 日對(duì)研究段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)公式（2）可得單次觀測(cè)收斂變形值，將各期收斂變形值累加可得每對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)各個(gè)觀測(cè)周期對(duì)應(yīng)的累計(jì)收斂變形值，具體如圖3 和圖4 所示，圖中圖例數(shù)值亦為監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)里程位置。

圖3 ΔS1累計(jì)收斂變形

圖4 ΔS2累計(jì)收斂變形

由圖3 和圖4 可知，拱腰和拱腳處累計(jì)收斂變形規(guī)律與常規(guī)收斂變形規(guī)律不盡相符。從曲線線形看，研究段累計(jì)收斂變形呈拋物線而非S 形，未顯現(xiàn)一般規(guī)律中負(fù)空間效應(yīng)階段，一開(kāi)始就快速增加，隨時(shí)間推移逐漸進(jìn)入阻尼變形階段，最后向流變階段發(fā)展。圖中K73+664 斷面累計(jì)收斂變形值遠(yuǎn)大于其余斷面數(shù)據(jù)，末期累計(jì)收斂變形值達(dá)321.8mm，其余斷面末期累計(jì)收斂變形值最大為176.0mm。該處因收斂變形過(guò)大導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)破壞情況嚴(yán)重，拱架尤其是拱腰處嚴(yán)重變形，隧道填充面隆起較為嚴(yán)重，此段已采取加固措施以確保安全。

5.2 GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)及精度評(píng)定

根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，分析后續(xù)變形趨勢(shì)，據(jù)此采取相應(yīng)措施以減弱或消除變形過(guò)大導(dǎo)致的安全問(wèn)題?？紤]Logistic 和雙曲模型等預(yù)測(cè)模型參數(shù)難以確定，采用遺傳算法優(yōu)化的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)累計(jì)收斂變形進(jìn)行預(yù)測(cè)，該算法基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練迭代尋優(yōu)，求取最優(yōu)解進(jìn)行預(yù)測(cè)。從ΔS1 和ΔS2 累計(jì)收斂變形曲線中選取的預(yù)計(jì)實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示，從圖中可以看出，預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值吻合較好。

圖5 ΔS1（K73+644）累計(jì)收斂變形對(duì)比

圖6 ΔS2（K73+658）累計(jì)收斂變形對(duì)比

為驗(yàn)證GA-BP 模型預(yù)測(cè)精度，通過(guò)求取實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)值間的均方根誤差（RMSE）加以評(píng)判，確保預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性[6]。均方根誤差公式為：

公式中，Si是GA-BP 優(yōu)化模型預(yù)測(cè)值；是累計(jì)收斂變形實(shí)測(cè)值；N為參與測(cè)試樣本總數(shù)。

基于公式（3）求取的兩組數(shù)據(jù)RMSE值分別為±0.75mm 和±1.65mm，由此可知，GA-BP 模型能較好地預(yù)測(cè)收斂變形數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)精度滿(mǎn)足工程需要，該模型也可用于其他變化數(shù)據(jù)分析研究，對(duì)于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析有著重要意義。

6 結(jié)論

（1）研究闡述了全站儀無(wú)后視自由設(shè)站法對(duì)特長(zhǎng)隧道收斂變形監(jiān)測(cè)原理，并與收斂計(jì)、近景攝影測(cè)量和三維激光掃描對(duì)比，敘述了本文所用觀測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)與不足；

（2）分析了隧道開(kāi)挖后常規(guī)收斂變形規(guī)律，從開(kāi)始變形至趨于穩(wěn)定共經(jīng)歷四個(gè)階段：負(fù)空間效應(yīng)、正空間效應(yīng)、阻尼變形和流變階段，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究數(shù)據(jù)變化規(guī)律及反常規(guī)情形，K73+644 監(jiān)測(cè)斷面拱腰處累計(jì)收斂變形值是其他斷面最大值的1.83 倍；

（3）基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)用GA-BP 預(yù)測(cè)模型對(duì)累計(jì)收斂變形值進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，該優(yōu)化預(yù)測(cè)模型值與實(shí)測(cè)值吻合較好，選取對(duì)比的兩組數(shù)據(jù)RMSE值均小于2mm，有較好的預(yù)測(cè)精度，能夠?qū)λ淼朗諗孔冃芜M(jìn)行合理預(yù)測(cè)。