隧道信息化施工监控量测及监控数据回归分析

林 超

1 概述

隧道工程在极其复杂的岩土体中建造,它是一种隐蔽性工程,围岩与支护结构相互作用的力学特性极为复杂,从而表现出复杂的变形特征,这种复杂的变形特征与诸多因素有关,如地层岩性、岩体结构、岩土体的物理力学特性、地下水状况、开挖方式、支护参数、支护时机等[1]。

寻求一种能够正确的反映隧道围岩和支护结构的力学特性与变形特征的数学模型是非常困难的,因此,在隧道施工过程中,采用监控量测技术,基于实测数据进行回归分析,从而科学合理的掌握围岩和支护结构的力学特性和变形特征,科学的指导施工。

2 坛厂隧道工程概况

遵赤公路起始遵义市终止赤水市的高速公路,是连接崇遵、贵遵高速公路南下的重要通道。

坛厂隧道位于遵赤公路白蜡坎—茅台段,为双洞单向行驶隧道。隧道单洞长约2 090 m;左线最大埋深为302.5 m,右线最大埋深为335.2 m。

隧址区地貌为溶蚀～侵蚀山地,坛厂隧道横穿南西向山体,南侧为陡崖,中间为山岭、裙峰、洼地及落水洞,北侧为坡谷。隧址区内上覆地层为第四系残坡积层,下伏三叠系灰岩、泥岩、二叠系灰岩、炭质泥岩、粉砂岩、白云岩及煤层。隧址区位于坛厂背斜南东翼,与坛厂背斜斜交。隧址区可能存在的不良地质现象为:岩堆和软土、危岩、断层、地下水、瓦斯煤层等。

3 监控量测技术方案及数据回归分析

3.1 监控量测技术方案

坛厂隧道在信息化施工过程中,主要开展常规量测项目,如:净空收敛、拱顶下沉和地表沉降三项。测点布置见图1,图2。

净空收敛和拱顶下沉是隧道围岩状态变化最直观的反映,通过变形趋势可判断围岩和初期支护稳定状态和二衬施作的合理时机[2]。净空收敛累计值(Sn)和拱顶下沉累计值(hn)按照下式计算(单位均为mm):

其中,Li为第i次量测值;Li-1为第i-1次量测值;ΔSi为第i次与第i-1次量测收敛值。

其中,hi为第i次量测值;hi-1为第i-1次量测值;Δhi为第i次与第i-1次拱顶收敛值。

3.2 非线性回归分析

对给定的一组数据(xi,yi)(i=0,1,…,n),可找一个函数y=f(x)使其能够表示两个变量yi和xi的关系,则该曲线成为回归线。实测数据散点一般都不会落在该曲线上,要使选择的函数y=f(x)与实际散点相差最小,最具有代表性,则需用最小二乘法原理来判别。

最小二乘法原理是:给定若干数据系列(xi,yi)(i=0,1,…,n),若自变量x取某一个xi时,对应的实测值为yi,回归值为y′i,使平方和取最小值时的回归线是最佳的 。

通常,一元线性回归分析时假设的函数y′=a+b×x′,使取极小值时,则有于是:

一般情况下[4],隧道净空收敛和拱顶下沉累计值多采用指数函数进行回归分析,多采用的函数y=a×e-b/x,通过如下变换公式转化为一元线性回归形式y′=a′+b′×x′,从而很方便的确定a和b。

3.3 成果分析

根据收敛型指数函数y=a×e-b/x的性质,最终收敛值yw=a和对应的时刻,只要yw=a不大于预留变形量,即可建议施作二衬。

4 实例分析

本文选择坛厂隧道左线ZK27+570断面作为研究对象(该断面采集了近50 d的净空收敛和拱顶下沉数据),重点研究该断面中上断面收敛测线数据并进行回归分析。

据经验,隧道净空收敛曲线的早期阶段并不适合采用收敛型的指数函数进行回归分析,因此,本文根据第22天以后的数据进行回归分析。

根据最小二乘法原理,对该净空收敛数据进行回归分析,并获取回归曲线,该回归曲线为u=3.893e-1.2631/t(见图3)。该曲线表明,该断面净空收敛最大累计值yw=3.893 mm(小于设计文件中要求的5 cm预留变形量),且预测该段围岩和支护结构变形已趋于稳定。事实上,后续的监控数据基本和回归曲线预测的趋势一致。

5 结语

1)监控量测工作可掌握围岩和支护结构变形状态,给施工决策提供参考意见;2)对监控数据进行合理的回归分析可有效预测围岩和支护结构变形趋势以及确定二衬施作时机;3)量测数据的科学分析、合理预测和及时反馈,可确保隧道安全施工。

[1]李春林,李天斌,陈 强,等.龙溪隧道初期支护监控量测及技术初步研究[J].地质灾害与环境保护,2007,18(4):85-90.

[2]尹光志,刘能铸,张东明,等.渝湘高速公路隧道新奥法施工监控量测[J].湖南科技大学学报(自然科学版),2006,21(4):67-69.

[3]陈建华.超前地质预报和监控量测在隧道施工中的应用[J].山西建筑,2009,35(10):335-336.

[4]孟路波.公路隧道信息化施工与计算机辅助决策系统研究[D].成都:成都理工大学硕士学位论文,2004.

[5]贵州省交通规划勘察设计研究院.遵赤公路白蜡坎至茅台段高速公路坛厂隧道施工图设计说明[Z].2008.