隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化技術(shù)及應(yīng)用研究

武勝林，鄧洪亮，陳凱江，黃東輝，付思遠(yuǎn)，朱明巖

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

一、引 言

在隧道工程中，由于圍巖具非均質(zhì)、不連續(xù)等特性，同時(shí)受施工方法、地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，使巖體變形具有明顯的突變性、時(shí)空性及非線性，因此隧道施工過程中的應(yīng)力和應(yīng)變很難用確切的數(shù)學(xué)模型和固定的理論公式來描述計(jì)算。但大量的研究與實(shí)踐表明，巖體的變形在初始狀態(tài)直至失穩(wěn)前的臨界狀態(tài)，人們可以對它的變形過程獲得定量化的信息，并且這種變形是有一定規(guī)律可循的，可以通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果預(yù)測巖體的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性。隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化管理技術(shù)就是探索應(yīng)用現(xiàn)代化的信息處理技術(shù)對海量的隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、有效地計(jì)算，并完成對數(shù)據(jù)的分析、存儲、查詢、預(yù)警預(yù)報(bào)和報(bào)表生成等任務(wù)，使得監(jiān)控量測工作能夠切實(shí)有效地指導(dǎo)隧道的信息化施工。對監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確分析和處理是在保證準(zhǔn)確性的前提下，快速準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合管理。

監(jiān)控量測作為隧道“新奧法”施工的三要素之一，在隧道的建設(shè)施工過程中具有重要的意義。然而在實(shí)際施工過程中，監(jiān)控量測在多數(shù)情況下還停留在紙面上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其應(yīng)有的效果，在指導(dǎo)施工、保證施工安全方面的作用十分有限。因此，研究隧道工程施工監(jiān)控量測及其監(jiān)測數(shù)據(jù)的逆向應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義和研究價(jià)值［1-5］。

二、隧道監(jiān)控量測新技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法也在不斷更新。當(dāng)前應(yīng)用于監(jiān)控量測的主要儀器包括:水準(zhǔn)儀、全站儀、鋼掛尺、收斂計(jì)和適應(yīng)于不同材料的壓力盒、應(yīng)變應(yīng)力計(jì)等。但使用水準(zhǔn)儀、鋼掛尺、收斂計(jì)等常規(guī)儀器進(jìn)行觀測時(shí)，受隧道的施工影響較大，易對隧道造成施工阻礙，且數(shù)據(jù)存儲、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應(yīng)用不便。目前在大多數(shù)的隧道施工監(jiān)控量測中技術(shù)人員都采用全站儀進(jìn)行測量，其具有精度高、施測方便、數(shù)據(jù)傳輸方便等優(yōu)點(diǎn)，并且可以直接與計(jì)算機(jī)連接，在友好的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動傳輸、處理、分析，全站儀的應(yīng)用使得隧道監(jiān)控量測工作邁上了一個(gè)新臺階。鄧洪亮等結(jié)合滬昆客專貴州段隧道監(jiān)控量測的實(shí)際工作，在國內(nèi)率先應(yīng)用了3D激光掃描儀進(jìn)行監(jiān)控量測工作，在監(jiān)控量測儀器的更新使用上作出了新的探索并取得了明顯效果［4-7］。

三、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息化分析技術(shù)

滬昆客專貴州段背陰坡隧道進(jìn)口里程DK950+038，出口里程DK951+466，隧道全長1428 m，為Ⅲ級風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道位于云貴高原侵蝕低山丘陵區(qū)，最大埋深137 m，穿越北西向展布的脊?fàn)钌搅海瑑啥藶闇瞎取５孛娓叱?711～1872 m，相對高差約155 m，自然坡度 30°～45°，局部陡峻，植被發(fā)育。本文以背陰坡隧道監(jiān)控量測的實(shí)測數(shù)據(jù)為例，根據(jù)監(jiān)控量測中位移—時(shí)間的效應(yīng)曲線，分別選擇指數(shù)函數(shù)（U=Ae-B/t）、對數(shù)函數(shù)（U=Alnt+B）、雙曲線函數(shù)（U=t/（A+Bt））進(jìn)行回歸分析，并選擇最合理的回歸函數(shù)。

背陰坡隧道DK950+980斷面圍巖等級為Ⅲ級，共布置A、B、C3個(gè)測點(diǎn)，其中，A表示拱頂沉降點(diǎn)，BC表示拱腰處凈空收斂，數(shù)據(jù)采用全站儀非接觸測量取得。拱頂沉降數(shù)據(jù)和凈空收斂數(shù)據(jù)見表1、表 2。

表1 背陰坡隧道DK950+980斷面拱頂沉降表

表2 背陰坡隧道DK950+980斷凈空收斂表

根據(jù)隧道拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別采用指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到了對應(yīng)的回歸函數(shù)和相關(guān)系數(shù)，背陰坡隧道DK950+980斷面回歸分析結(jié)果見表3。

根據(jù)表3可知，不論拱頂沉降還是凈空收斂使用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析，其回歸相關(guān)系數(shù)均高于其他兩種函數(shù)。根據(jù)圖1、圖2可以看出，對數(shù)回歸曲線能較好地對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其他兩種函數(shù)擬合效果較差，隧道內(nèi)的沉降和凈空變形規(guī)律服從對數(shù)變化規(guī)律。

表3 回歸分析結(jié)果表

圖1 DK950+980斷面拱頂沉降與回歸曲線對比

圖2 DK950+980斷面凈空收斂與回歸曲線對比

四、信息化技術(shù)分析與工程應(yīng)用

根據(jù)拱頂沉降對數(shù)函數(shù)回歸曲線U=4.618lnt+4.024可知，由于對數(shù)函數(shù)本身不收斂，無法通過函數(shù)計(jì)算預(yù)測其最終的沉降變形量，根據(jù)大量的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用對數(shù)函數(shù)預(yù)測60 d后的沉降量幾乎全部大于實(shí)際的沉降量，且實(shí)測變形速率已經(jīng)趨于零。因此，當(dāng)一周內(nèi)變形速率小于0.15 mm/d時(shí)，將預(yù)測60 d后的沉降量作為隧道位移變形的最終沉降量是完全可行的。

根據(jù)上述公式可知當(dāng)監(jiān)測時(shí)間達(dá)到37 d時(shí)，其沉降變形速率已經(jīng)連續(xù)一周小于0.15 mm/d，此時(shí)的總沉降量為20.699 mm，預(yù)測60 d后的總沉降量為25.102 mm，此預(yù)測總沉降量小于相應(yīng)的位移控制基準(zhǔn)。

同理，根據(jù)BC凈空收斂回歸方程U=4.307lnt+3.438可知，當(dāng)凈空變形監(jiān)測達(dá)到29 d時(shí)，凈空位移變形速率已經(jīng)持續(xù)一周小于0.20 mm/d，此時(shí)總變形量為 20.087 mm，預(yù)測 60 d后的總變形量為22.818 mm。

《鐵路隧道施工規(guī)范》（TB 10204—2002）中規(guī)定，在一般情況下二次襯砌應(yīng)在圍巖和初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施做。變形基本穩(wěn)定應(yīng)該符合隧道周邊位移速度有明顯減緩趨勢。拱腳水平相對凈空變化速度小于0.20 mm/d，拱頂相對下沉速度小于0.15 mm/d。可知當(dāng)該斷面開挖后監(jiān)測達(dá)到37 d時(shí)隧道圍巖和支護(hù)機(jī)構(gòu)變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可以施做二次襯砌。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測的實(shí)際觀測，在背陰坡隧道DK950+980斷面開挖后，到第37 d位移變形穩(wěn)定時(shí)，DK950+980斷面到隧道掌子面的距離為93 m。在此，將此時(shí)的距離可以稱作施做二次襯砌的安全步距。

應(yīng)用相同原理就可以得到其他斷面的二襯施做時(shí)間及安全步距，具體見表4。

表4 二襯施做時(shí)間與距離表

根據(jù)表4分析可知，在背陰坡隧道Ⅲ級圍巖段開挖后35 d左右，如果沒有特殊情況，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，可以施做二襯。根據(jù)現(xiàn)場的施工設(shè)備、人員技術(shù)，按照現(xiàn)有的施工進(jìn)度，背陰坡隧道的每天開挖進(jìn)尺在2.5 m左右。由此可得背陰坡隧道Ⅲ級圍巖段在正常施工的情況下，二次襯砌施做的安全步距為90 m。根據(jù)二襯的施做時(shí)間及安全步距兩項(xiàng)指標(biāo)，可以簡單有效地確定二次襯砌施做的合適時(shí)機(jī)。

五、結(jié)束語

隧道施工監(jiān)控量測方案要根據(jù)隧道的工程特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隧道施工監(jiān)控量測方案應(yīng)包括監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、測線布置、測量頻率、數(shù)據(jù)處理、生成報(bào)表等內(nèi)容。只有選擇正確的監(jiān)測方法和采用合理的數(shù)據(jù)處理技術(shù)才能正確地分析圍巖的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，正確地指導(dǎo)隧道施工，先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和先進(jìn)合理的數(shù)據(jù)處理方法是保證隧道信息化施工的重要保障。

監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，是隧道監(jiān)控量測工作的重點(diǎn)內(nèi)容，也最耗費(fèi)人力物力。對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)分析可知，在數(shù)據(jù)采集過程中由于受到外部環(huán)境和測量人員本身因素的影響，其數(shù)據(jù)往往與真實(shí)結(jié)果存在一定的誤差，這種誤差雖然不能夠徹底消除，但可以應(yīng)用有效的數(shù)學(xué)方法將其降低到一個(gè)可以控制的范圍內(nèi)。其中，回歸分析是一種行之有效的數(shù)學(xué)方法，也是相關(guān)規(guī)范規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法。然而由于我國幅員遼闊，各地之間的水文地質(zhì)、地形地貌之間存在很大差異，隧道所處的應(yīng)力狀態(tài)也千差萬別，相應(yīng)的隧道位移變形規(guī)律也不可能用一種回歸函數(shù)進(jìn)行分析。因此，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測數(shù)據(jù)選擇適合本地區(qū)的回歸函數(shù)具有十分重要的意義。

隧道工程所在地的應(yīng)力條件對決定隧道的施工參數(shù)、支護(hù)參數(shù)等具有重要作用。而在施工之前有限的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間條件下，僅僅通過有限的鉆孔來確定隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)，并據(jù)此確定施工和支護(hù)參數(shù)，其結(jié)果很可能與實(shí)際的圍巖變形有很大的差別，據(jù)此所確定的施工方案很可能會造成工程事故。而應(yīng)用在隧道工程監(jiān)控量測中，相對比較準(zhǔn)確、容易量測的位移變化量進(jìn)行位移反分析，計(jì)算隧道圍巖的力學(xué)參數(shù)，并據(jù)此分析隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，以確定施工參數(shù)和支護(hù)參數(shù)，可確保施工和支護(hù)的長期穩(wěn)定。

隧道在施工過程中進(jìn)行監(jiān)控量測，具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)場量測，將迅速準(zhǔn)確地獲取第一手實(shí)際量測數(shù)據(jù)資料，在對這些數(shù)據(jù)資料處理分析和對現(xiàn)場施工觀測測試分析的基礎(chǔ)上，將及時(shí)迅速地向業(yè)主方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方和施工方提供資料分析結(jié)果，直接服務(wù)于隧道的施工，及時(shí)掌握施工過程中出現(xiàn)的各種情況，對可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行防范，防止事故的發(fā)生。但目前由于隧道工程的不確定性和地質(zhì)條件、工程環(huán)境條件的復(fù)雜性，無論在國內(nèi)和國外隧道施工信息化的程度都不高，對隧道及地下空間的開發(fā)和安全施工帶來了很大的困難，建議開發(fā)系列的信息化分析軟件和管理軟件，保證工程施工的安全和高效。

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