1、浅谈监控测量技术在三道岭隧道中的应用摘要：随着我国铁路建设高峰的来临,各条铁路的设计都向着高速度, 高载重量的趋势发展,这就要求铁路路线尽可能的取直线，避免遇到高山环绕,就要选择修建隧道。在隧道的设计中以新奥法最为成熟,也最为普遍,监控量测是新奥法的一部分,本文就铁路隧道的监控量测进行了系统的论述, 对于相关的铁路隧道的监控量测设计及应用具有一定的指导意义。依据新奥法基本原理中岩体开挖的时间效应, 利用数学方法对量测所得的周边收敛和拱顶下沉数据进行了回归分析, 以预测围岩的变形趋势,为设计和施工提供理论参考 关键词：铁路隧道 监控量测 回归分析 新奥法 (New Austrian Tunnel
2、ing Method，简称 NATM)是隧道建设中最普遍的方法，其核心是以维护和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和喷射混凝土联合在一起作为主要的支护，以便控制围岩的变形和松，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和隧道围岩为三位一体的承载结构，共同支承山体压力。根据 NATM 原理，监控量测是 NATM 的重要组成部分之一。现场监控量测，是在隧道施工过程中通过对隧道围岩(确切说应是初期支护后围岩)的动态监测，掌握围岩动态和支护结构的工作状态；利用量测结果，经分析后，调整设计支护参数或调整施工方法，以期达到稳定的目的；通过量测结果预测事故或险情，及时采取应急措施，防患于未然；积累
3、资料为后续设计提供科学依据；确保隧道的稳定，达到隧道施工过程安全、可靠、节省投资的目的。 1.工程概况 三道岭隧道位于珲春市英安镇境内，是一条设计时速为 250km/h 的双线铁路隧道。隧道起迄里程为 GDK356 + 320GDK358 + 485 ,全长 2165 m; 隧道内纵坡设计为 -8.0-11 -7.9的单面坡 ,左右线间距为 4.6 m ,穿越级围岩，级围岩。隧道洞身大部分为第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）粉质粘土,华力西晚期（4）花岗闪长岩及（4）花岗岩。本线路地地震动峰值加速度为 0.05g(地震基本烈度为 6 级） 。 2.隧道监测目的 隧道监测主要目的: 1)确保
4、安全，2)指导施工，3)修正设计，4)积累资料。当前隧道施工的最大特点就是把量测、观察技术和方法引进到施工中 ,并作为施工中一个重要而不可缺少的环节予以实施 ,其目的之一就是要根据观察、量测等得到的资料对已开挖的区间和掌子面前方的围岩状况进行预测 ,并反映到施工中去 ,从而指导施工。这一方法称为信息反馈法。因此 ,在复杂多变的隧道施工条件下 ,如何根据现场实测数据进行准确的信息反馈与可靠的预测预报是隧道监控量测试验的主要内容之一。迄今为止 ,信息反馈与预测预报通过两种途径即力学计算法和经验法来实现。 3. 监控量测的方法 、测点布设及外业数据采集 3.1 监控量测的方法 3.1.1 通过肉眼、
5、地质罗盘和锤击检查、 观察地质和支护状况,描述和记录开挖后围岩的岩性、结构面产状、 裂隙和地下水情况, 绘出地质素描图,核对围岩类别,必要时进行拍照记录;密切关注初期支护后围岩的发展情况, 观察有无裂缝、 渗水等, 并做好相应记录。 3.1.2 周边位移采用量测精度较高的水平基线量测方式,仪器选用高精度 SWJ- IV 隧道收敛计。该仪器的技术指标均经过收敛计专用基线场的静、 动态检测,具有很高的可靠性。初期支护施作完毕,用电锤在隧道同一断面的水平方向的洞壁两侧各打 7 8 cm 圆孔,将膨胀挂钩用钢钉锤击入孔内, 直至最终牢固稳定。必要时可在孔内加入锚固剂,增强固定效果。周边位移量测是最简单
6、、 直观反映围岩变形情况的量测手段, 必须严格按要求操作,及时获得并整理数据,对测点应加强保护,避免破坏。 3.1.3 拱顶下沉采用水准超平的方法, 仪器选用高精度的水准仪和钢卷尺。测点埋设方法与周边位移类似。同样,测点要牢固可靠、 易于识别、 不易破坏、 注意保护。当发现测点破坏时应及时更换挂钩,保持数据的连贯性。 3. 1.4 地表沉降采用高精度的全站仪进行观测。在选定的测点位置挖长、宽、高均为 20 cm 的坑, 然后放入地表测点预埋件。测点一般采用 (TB10121-2007)4 .3.1 条和 4.3.3 条规定，为了准确反映隧道围岩变化情况，需要在隧道开挖初次衬砌完成后的 24 小
7、时内 ，立即对隧道布点,各类量测点应安设在距离开挖面 2m 的范围内，并应保证24h 内或下一次开挖之前测读初次读数 ，测点的布设以及代表性断面的选取,是监控量测的首要工作根据规定,在施工过程中,按照 5-10m 的标准选定断面,以及拱顶、 拱肩、 施工底板上 1m 等典型位置布置测中将间隔距离定为:级:5m，级:10m，采用 5 点别设置于拱顶、拱腰两侧。3.2.2 监测频率 每次开挖进行地质及支护状态观察, 围岩基本稳定、无明显变化时可每天观察 1 次; 洞内收敛及下沉点在 15 d 内每天量测 1 2 次, 16 30 d 内 1 2 d 量测 1 次, 1 月后 3 7 d 量测 1
8、次,特殊地段视具体情况加密监测频率。 4.量测数据的处理与应用 由于量测时偶然误差的存在, 获得的试验数据有一定的偏差。从变形- 时间散点图上来看, 数据呈现不规则的上下波动,实际中很难加以利用。为了使监测数据更加有效地指导施工和设计, 有必要运用回归分析法对数据进行处理分析, 减小误差影响,摸清围岩支护变形规律,判断围岩的稳定性和支护的可靠性,最终达到实际应用的目的。 4. 1 数据处理 4 .1. 1 建立试验数据表 将每次现场采集的试验数据按要求整理到已规范化的试验表格内, 一般可以建立收敛- 时间、下沉- 时间、 收敛 - 距开挖面距离、 下沉- 距开挖面距离等表格类型。 4. 1.
9、2 制作散点图 将上述数据描绘在直角坐标轴上, 并用直线或光滑的曲线加以连接,遇到突变点或奇异点时,应查找原因,作出合理解释。散点图能直观地反映围岩及支护的变形情况, 给量测人员以重要提示。 4. 1. 3 确定回归方程 根据试验曲线与标准函数曲线图接近程度, 确定函数形式。常用的回归曲线大都为一元非线性方程,有如下几种: ( 1) 双曲函数,表达式为: ( 2) 指数函数,表达式为： ( 3) 对数函数,表达式为: 式中: u 为位移值( mm) ; a、b 为回归系数; t 为量测时距初次读数的时间( d)。 下面选取三道岭隧道出口 GDK358+ 238 周边水平位移收敛数据(如表 1
10、所示)进行处理和分析。 表 1 三道岭隧道出口 GDK358+ 238 周边水平位移收敛实测数据 先以双曲函数为回归函数进行分析,步骤如下: ( 1) 函数变换。令 y=,则有。 ( 2) 用一元线性回归分析法求回归系数 A,B。 n=16,y= 0.278 , =0.211 =1.351 =0.871 =1.084 b=1.246 a=y-bx=0.278-1.2460.211=0.015 由此得出双曲函数回归方程: 0.015+ ( 3) 计算线性相关系数 r=0.999 (4)回归方程线性检验。 从变量 X 和 Y 的观测值建立回归方程的过程中,并不要求两个变量之间具有线性关系。不过当它
11、们不具备线性关系时,求得的回归直线便不能反映它们的实际关系,也就没有实用价值,因而回归直线无效。因此,在求得回归方程后,必须判断 X 和 Y 是否存在线性关系。对 X 和 Y 之间回归直线方程的有效性 ,用相关系数检验。 r=0.999 再进行指数函数计算 其中, a , b 为回归常数; t 为初读数后的时间,d; u 为位移值,mm。 将指数函数:换元如下: 1)将该函数做以下变形: 则有： 求回归常数 a 和 b ,得指数函数方程式。 采用线性回归计算表进行计算。 对上述 x ,y 两组数据进行回归计算 ,过程如下: n=16,=-0.211 ,=1.600 =1.585-16=0.87
12、3 =49.092-16=8.132 =-2.932+160.2111.600=2.470 b=2.829 a=8.977 =0.927 =8.977 对 x 和 y 之间回归直线方程的有效性 ,用相关系数检验。 r=0.927 最后进行对数函数计算 其中, a , b 为回归常数 ; t 为初读数后的时间 ,d; u 为位移值,mm。 将非线性回归方程化为线性回归方程。 令 y=u,x=, y=a+bx, 2)求回归常数 a 和 b ,得指数函数方程式。 采用线性回归计算表进行计算。 对上述 X , Y 两组数据进行回归计算 ,过程如下: n=16, =-1.268, =6.006 =6.0
13、32 =143.117 =-97.381+161.2686.006=24.469 b=4.075 a=6.006+4.0571.268=11.150 r=0.833 得 u=a-=11.150- 对 x 和 y 之间回归直线方程的有效性 ,用相关系数检验。 r=0.833 以上三种回归方程，双曲线函数相关系数 r 的绝对值靠近 1，回归精度较高。故选用该回归方程来预测最终收敛情况。 5. 求变形稳定时间 t/d 及相应的变形量 u/mm. 将指数函数 u=a等式两边对时间上求导得： du/dt=ab/ 即：v=8.9772.829/ 令速度 v=0.2mm/d(此时可认为变形基本稳定） ，代入
14、上式即可得T=30d,将 T=30d 代入公式 u=a 即可得 u=8.169mm 收敛率公式：u/umax100 而最大位移为 8.977，所以当 T=30d 时，收敛率为 91，位移速度为 0.001mm/dv0.2mm/d 至此，全断面开挖 30d 后，该段可以进行二衬。 6. 结语 鉴于隧道工程的特殊性、 复杂性和隧道围岩的不确定性,对隧道围岩及护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、 安全必不可少的手段。在保证数据真实性和连贯性的前提下, 要根据不同的围岩级别、 埋深、 开挖方法、 支护方式等条件,合理选用量测内容, 控制好断面位置和测点布设。对于开挖方法、 地质条件相同的同类围岩,可选用相同回归函数进行预测分析。在围岩破碎和地下水发育的潜在危险区域,可以适当加强观测频率,及时反映围岩变化情况,保证施工安全,预防隧道坍塌。 参考文献 1 JTJ042-94.公路隧道施工技术规范S.北京:人民交通出版社. 2 刘晓军.隧道围岩监控量测浅谈J.科学之友,2007,(3):4142. 3 惠明阔 .隧道监控量测数据分析与应用 J.安徽建筑,2008,(2):7375. 4 JTJ042-94.公路隧道施工技术规范S.北京:人民交通出版社
