隧道監控量測方案設計

肖堯,劉士洋

(重慶交通大學土木建筑學院,重慶400074)

隧道監控量測方案設計

肖堯,劉士洋

(重慶交通大學土木建筑學院,重慶400074)

新奧法經過幾十年的發展,已被廣泛應用于世界各國隧道工程的施工,其要素分別為噴混凝土、錨桿和監控量測.作為新奧法三要素之一,監控量測在隧道施工中發揮著重要作用.結合某隧道監控量測工程,從監控量測方案設計出發,系統論述了隧道監控量測的目的、方案制定原則、監測項目的選擇、監測間距和頻率、數據分析處理和信息反饋.在此基礎上重點分析了隧道監測項目的選擇和數據分析中現有預測方法.

監控量測;隧道監測;監測項目;預測方法

1934年L.V拉布采維茨首次將噴漿方法用于地下結構工程,經過近30年理論與實踐的結合,最終于1963年正式將其所提出的施工方法命名為新奧地利隧道施工法,簡稱新奧法.伴隨著新奧法逐漸應用于隧道施工,該施工法三要素被總結為噴混凝土、錨桿和監控量測.

隧道處于地下,周邊圍巖非均質、各向異性的特性以及施工過程中各種人為因素的共同影響,使施工前的科學研究分析無法準確吻合實際施工后的狀態.因此,必須借助相關儀器設備,通過隧道監控量測及時分析監測結果,實時指導隧道的設計、施工[1].由此可見,監控量測作為新奧法其中一要素,對隧道的設計與施工具有重要的指導作用,同時也對施工安全具有重要的保障作用.其方案的設計不僅關系著監控量測工作的效率,也影響著監控數據的準確性,因此有必要對隧道監控量測方案設計進行研究,從而更好的指導隧道設計和施工,保障施工過程的安全.

1 工程概況及制案原則

某隧道跨度9 m,高度7 m,全長182 m,其中III級圍巖135m,IV級圍巖47m,最大埋深56m,洞口兩端為淺埋.隧區屬丘陵地貌,海拔426m,穿越突出山脊.隧址內上覆第四系坡殘積層粉質粘土,下覆基巖為侏羅系中統下沙溪廟組泥巖夾砂巖,巖層層理清晰.測區內地表水不發育,地下水有松散巖土類孔隙潛水、碎屑巖類裂隙水.

1.1 監控量測的目的

監控量測方案的設計首先應明確其目的,這樣才能有針對性的設計方案.概括而言,監控量測的目的即指導隧道設計、施工,保障施工安全.具體而言包括施工安全、優化施工順序和科學研究三方面.該隧道監控量測目的為:監控量測隧道圍巖的變形,通過監控量測數據的分析,指導、優化隧道的施工方案并判別二次襯砌的施作時機.另外積累監測資料,為其他工程提供借鑒[2].

1.2方案制定原則

隧道工程所處地質條件和周邊環境的不同決定了隧道監測重點的不同,對于重點監控部位需進行精細的監測.另外隧道工程涉及面廣,若每項都進行監測,不僅增加了監測人力、物力,還影響隧道的正常施工,造成整個工程造價的增加.總之,隧道監控量測方案制定原則可概括為"難點重點突出、普測精測結合、必測選測搭配"[3].基于該隧道埋深較淺,監控量測方案制定中應重點突出地表下沉的監測.

2 監控量測項目

監控量測項目分為必測項目和選測項目.

2.1 必測項目

必測項目是在復合式襯砌和噴錨襯砌隧道施工中必須進行量測的項目,包括洞內、外觀察,周邊位移、拱頂下沉和地表下沉,其中地表下沉僅限隧道洞口段和淺埋段(隧道埋深≤2倍隧道開挖寬度條件下)為必測項目[4].

洞內、外觀察:設計人員根據地質勘察資料進行隧道設計,而地質勘察過程中只能通過調繪、物探、坑探、槽探、鉆探等方法和手段對隧道所穿過的地質情況初步了解[5],其具體情況不一定與勘察地質報告相吻合.因此,必須在隧道開挖后通過洞內、外的觀察,判別真實地質情況與地質報告所述是否吻合,是否需對先前相關設計進行優化、修改.

周邊位移和拱頂下沉:該量測是為監控隧道圍巖的變形,防止其過度變形甚至失穩,釀成安全事故.同時也能根據變形的大小對施工方法的合理性、支護效果等進行評價,有利于隧道的設計、施工[1].

地表下沉:隧道洞口段圍巖大多較為破碎,隧道開挖對其擾動大.另外當隧道開挖經過隧道埋深≤2倍隧道開挖寬度淺埋段時,隧道開挖影響范圍將波及地表面建筑物,因此有必要通過對地表下沉的量測防止地表出現有害下沉甚至冒頂,危及地表建筑物[1].

2.2 選測項目

選測項目應根據隧道地質情況、埋深、支護措施、周邊鄰近物等因素綜合選擇[4],包括鋼架內力及外力、支護襯砌內應力、圍巖體內位移(洞內設點)、圍巖壓力等11項.筆者僅對鋼架內力及外力和圍巖壓力兩項做粗略介紹.

鋼架內力及外力:鋼架由于其強度高、剛度大被用于地質較差地段支護.往往支護參數設計要么太小,支撐不住周邊圍巖,要么太大,造成浪費.為合理確定鋼架支護參數,可進行鋼架內力及外力的量測,同時也為以后設計提供參考.

圍巖壓力:通過對圍巖壓力的量測,可以對圍巖狀況進行相關評價,判斷施工作業的正確性以及是否需要加強支護等[6].

從該隧道監控量測工程的目的出發,結合方案的制定原則,依據《公路隧道施工技術規范》(JTG F60-2009)和《鐵路隧道監控量測技術規程》(TB10121-2007),綜合抉擇,該隧道監控量測項目包括:洞內外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、錨桿內力和圍巖壓力量測.

3 數據分析處理

結合該隧道工程特點,依據有關技術規程,該隧道監控量測工程監測間距和頻率如表1所示.

表1 監測間距、頻率表

結合隧道工程特點,通過對必測項目和選測項目的量測將產生大量數據.由于偶然誤差等因素,數據具有一定的離散性和波動性[7],因此需對其進行分析處理.分析處理過程,首先,應將具有明顯錯誤的數據去掉,若該數據重要或錯誤數據太多導致無法進行分析,則需考慮補測;然后,對數據進行填表制圖、誤差處理等計算;最后,分析整理后的數據,分析的目的主要是抓住相關參數與時間之間的變化規律,從而對所測項目相關參數等進行預測,判斷設計、施工的合理性,提防潛在危險,并對其預警.目前的預測方法主要有動態方程法、時間序列法、灰色模型法和神經網絡預測法四種[8].

3.1 動態方程法

動態方程法也稱為回歸分析法,是目前最主要采用的數據分析處理法.它從自變量和因變量一組數據出發,尋找一種函數模型,盡量將所測數據囊括其中并減小誤差.該方法常用函數模型有對數函數、指數函數和雙曲線函數三種模型.隨著計算機的快速發展,有理函數模型等復雜模型也得到應用.包太等人采用上述4種模型對某隧道量測數據預測效果進行對比得出有理函數模型預測效果最佳[9].

3.2 時間序列法

該法運用統計學原理,探求量測數據隨時間的變化規律,根據其歷史演變規律來預測其未來演變規律和趨勢.相比其他預測方法而言,該法顯得更加簡單、準確[8].

3.3 灰色模型法

灰色系統理論在1982年由我國鄧聚龍教授提出.它能在數據信息不充分的條件下,建立用于系統未來行為預測的數學模型.隨著在隧道監控量測實際運用中的不斷優化改進,該預測方法在實際工程應用中已獲得較高精度[7].

3.4 神經網絡預測法

20世紀80年代,神經網絡理論得到了長足的進步.它借鑒了人體信息傳輸系統學,具有在復雜條件下較好的建模能力和良好的數據擬合能力.李元松等人在溪洛渡電站4#公路隧道監測中,通過對比動態方程法、灰色模型法和有限單元法預測結果發現:神經網絡預測法預測效果最佳[10].王國欣等人在重慶紅旗河溝地下車站監測中采用神經網絡預測法得到較好的效果[11].

考慮到數據分析處理的復雜程度,該隧道監控量測工程采用目前廣泛使用的動態方程法,利用origin軟件對監測所得數據進行回歸分析.

4 結語

根據動態方程法對量測數據的分析結果,并參考有關規范值,該隧道監控量測工程對隧道施工進行了實時分析和階段分析,對工程安全性進行了評價,指導了隧道二襯施作時機的選擇以及優化了施工方案.

隧道監控量測應結合工程實際等因素,綜合抉擇監測項目,確保監測項目能夠用于指導隧道設計、施工,減少對正常施工的影響.在監測數據分析方面建議采用多種方法綜合對比分析,有利于提高預測的準確性.

[1]甘騰飛.雙線鐵路隧道信息化施工技術研究[D].成都:西南交通大學,2012.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10121-2007鐵路隧道監控量測技術規程[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[3]萬利.高速公路隧道施工監測技術研究[D].西安:長安大學,2006.

[4]中華人民共和國交通部.JTG F60-2009公路隧道施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[5]王成.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

[6]姜洪濤.高速公路隧道施工監測與信息反饋[D].成都:西南交通大學,2005.

[7]鄒盛國,章克凌,彭少培,等.灰色系統在隧道監控量測中的應用[J].人民長江,2012,43(S1):62-64.

[8]江濤.山區軟巖大跨度隧道變形神經網絡預測及其工程應用[D].上海:同濟大學,2007.

[9]包太,言志信,劉新榮.有理函數在隧道監測數據回歸分析中的應用[J].地下空間與工程學報,2009,5(5):1029-1032.

[10]李元松,李新平,張成良.基于BP網絡的隧道圍巖位移預測方法[J].巖石力學與工程學報,2006,25(S1):2969-2973.

[11]王國欣,馬榮全,肖龍鴿.特大斷面超淺埋隧道監測數據預測分析[EB/OL].(2013-5-30)[2014-2-25].http://cpfd.cnki.com. cn/Article/CPFDTOTAL-SGJS201305001040.htm Scheme design formonitoringmeasurementof tunnel.

On the scheme design for monitoringmeasurement of tunnel

XIAO Yao,LIU Shi-yang
(School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

After decades of development,New Austrian Method has been widely applied in tunneling engineering in the world.It has three elements,shotcrete,bolt and monitoring measurement.Monitoring measurement as one of the three elements,it can be seen as the importance of monitoring measurement in tunnel construction.This paper takesmonitoring measurement system as a starting point,discusses the purpose of monitoring measurement,the principle of scheme,monitoring measurement projects selection,monitoring interval and frequency,data analyzing and processing,and information feedback.On this basis,it emphatically analyzesmonitoring measurement projects selection and the existing prediction methods of data analyzing and processing,and expects to provide some references.

monitoringmeasurement;tunnelmonitoring;monitoring project;predictionmethod

U459

:A

:1007-5348(2014)06-0047-04

(責任編輯:李婉)

2014-03-20

重慶市教育委員會科學技術研究項目(KJ120402).

肖堯(1990-),男,重慶梁平人,重慶交通大學碩士研究生,主要從事隧道及地下工程設計理論方面的研究.