隧道高地應(yīng)力區(qū)施工標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究

摘 要：隧道高地應(yīng)力區(qū)的施工風(fēng)險(xiǎn)較高，但在該區(qū)域的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)尚未有明確的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要探索隧道高地應(yīng)力區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)。本文依托池祁高速公路某特長隧道工程，基于該隧道高地應(yīng)力區(qū)和非高地應(yīng)力區(qū)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析兩處的拱頂沉降、周邊收斂的變化規(guī)律；采用回歸分析對(duì)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出隧道高地應(yīng)力區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)及其數(shù)據(jù)處理方法。研究結(jié)果表明：隧道高地應(yīng)力區(qū)監(jiān)測(cè)量測(cè)結(jié)果與非高地應(yīng)力區(qū)具有明顯差異，應(yīng)該根據(jù)隧道地應(yīng)力分布情況加強(qiáng)高地應(yīng)力區(qū)的監(jiān)控量測(cè)；二次多項(xiàng)式對(duì)隧道拱頂沉降和周邊收斂變化具有較好的擬合效果。

關(guān)鍵詞：特長隧道，高地應(yīng)力，監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)化，回歸分析

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.12.030

0 引 言

隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，尤其是在深埋段的高應(yīng)力區(qū)，隧道開挖過程中易產(chǎn)生巖爆或大變形[1]。隧道監(jiān)控量測(cè)是指導(dǎo)隧道安全施工，了解隧道與圍巖變形協(xié)調(diào)情況的重要手段。為了更精確地掌握隧道施工圍巖的動(dòng)態(tài)變化，判定其穩(wěn)定性，在隧道施工過程進(jìn)行科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)研究具有重要的意義[2]。

監(jiān)控量測(cè)是隧道新奧法施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，國內(nèi)外專家和工程技術(shù)人員針對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)、監(jiān)測(cè)技術(shù)、監(jiān)測(cè)儀器和數(shù)據(jù)處理方法開展了大量的研究。近年來，隨著監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新型監(jiān)測(cè)技術(shù)、隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均得到了完善。其中，甘淇勻[3]總結(jié)分析了國內(nèi)外隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出監(jiān)控量測(cè)技術(shù)應(yīng)該更加系統(tǒng)化、整體化和智能化。于維剛[4]認(rèn)為現(xiàn)行規(guī)范對(duì)部分測(cè)試項(xiàng)目的預(yù)警閥值未明確規(guī)定，從概率統(tǒng)計(jì)角度對(duì)已有監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出了監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值。秦海超[5]以鶴大高速某隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)為例，從監(jiān)測(cè)方案、監(jiān)控量測(cè)管理、數(shù)據(jù)處理等方面提出了隧道監(jiān)控量測(cè)的關(guān)鍵要點(diǎn)。同時(shí)，我國針對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)也出臺(tái)了相應(yīng)了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，例如，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范以及地方出臺(tái)的公路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程等[6-7]。但是，隧道的地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)有隧道施工針對(duì)高地應(yīng)力區(qū)施工的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)仍未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理方法。因此，本文依托池祁高速某特長隧道，總結(jié)分析了隧道高地應(yīng)力區(qū)的監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，對(duì)比分析了高地應(yīng)力區(qū)與非高地應(yīng)力區(qū)的變形規(guī)律，然后采用回歸分析提出了監(jiān)測(cè)量測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)模型，所得方法和結(jié)論可為隧道高地應(yīng)力區(qū)災(zāi)害防控及圍巖變形預(yù)測(cè)提供參考。

1 隧道高地應(yīng)力區(qū)監(jiān)控量測(cè)

1.1 工程概況

德州至上饒高速公路池州至祁門段某特長隧道長4326 m，為分離式隧道，左右隧洞凈距約20 m。隧址地勢(shì)總體特征為南高、北低，地形起伏較大，地面標(biāo)高在19～1075 m。隧道埋深最大區(qū)域穿越中風(fēng)化變質(zhì)砂巖，巖體完整，最大埋深約為740 m，位于高應(yīng)力區(qū)，存在巖爆或大變形風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究選取該隧道為研究對(duì)象，對(duì)隧道高地應(yīng)力區(qū)和非高地應(yīng)力區(qū)開展監(jiān)控量測(cè)，分析高地應(yīng)力區(qū)與普通區(qū)域的差異性。

1.2 監(jiān)控量測(cè)方案

隧道深埋段主要采用兩臺(tái)階法施工，根據(jù)JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)采用臺(tái)階法測(cè)點(diǎn)布置，設(shè)置上、下臺(tái)階周邊收斂測(cè)點(diǎn)和拱頂沉降測(cè)點(diǎn)。其中，上下臺(tái)階周邊收斂測(cè)線分別為A-A和B-B，拱頂沉降測(cè)線位C-C，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

1.3 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

隧道施工監(jiān)控量測(cè)的目的是為了判斷隧道圍巖變形是否趨向穩(wěn)定，通過對(duì)原始監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的處理，繪制出監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)程曲線，可以了解隧道時(shí)空狀態(tài)，從而判斷圍巖的變形趨勢(shì)。

選取隧道左洞監(jiān)控量測(cè)結(jié)果為研究對(duì)象，左洞樁號(hào)區(qū)間為Z K 6 9 + 4 9 1～Z K 7 1+ 3 6 0，其中ZK69+491～ZK70+355區(qū)域?yàn)楦叩貞?yīng)力區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制時(shí)間曲線圖。左洞各測(cè)點(diǎn)的累積變化監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可知，隧道高地應(yīng)力區(qū)ZK69+491～ ZK70+355的圍巖累積變形均大于非高應(yīng)力區(qū)，而且當(dāng)圍巖累積變形值出現(xiàn)大規(guī)模的攀升和持續(xù)出現(xiàn)在高位時(shí)，表明隧道開挖已經(jīng)從非高地應(yīng)力區(qū)向高地應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)變，施工中應(yīng)注意巖爆和大變形災(zāi)害的發(fā)生。

為了對(duì)比分析兩處的變化差異，選取高應(yīng)力區(qū)段斷面ZK70+352和非高應(yīng)力區(qū)段ZK71+122各個(gè)位置累積變形隨監(jiān)測(cè)次數(shù)的曲線進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4中，位于高應(yīng)力地區(qū)的ZK70+352與非高應(yīng)力區(qū)ZK71+122的測(cè)點(diǎn)變形規(guī)律存在明顯差異。由于高地應(yīng)力的存在，導(dǎo)致隧道開挖后高地應(yīng)力區(qū)的圍巖拱頂沉降速率和穩(wěn)定后的累積變形值明顯大于非高應(yīng)力區(qū)，甚至達(dá)到了兩倍之多。上、下臺(tái)階的周邊收斂變化情況與拱頂沉降存在不同，上臺(tái)階與拱頂沉降變化基本一致，表現(xiàn)為高地應(yīng)力區(qū)的周邊收斂變化大于普通區(qū)域，而下臺(tái)階的兩處測(cè)點(diǎn)變化基本相同。這是由于高地應(yīng)力區(qū)在隧道開挖后地應(yīng)力對(duì)隧道圍巖的作用進(jìn)行了重分布，本文研究的隧道主要受到自重應(yīng)力的影響，因此拱頂沉降的變形表現(xiàn)得更為明顯。

2 數(shù)據(jù)處理

在隧道監(jiān)控量測(cè)中，各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值是隨著時(shí)間增加而累積的，檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)以累計(jì)變形量隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線呈現(xiàn)。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)由于檢測(cè)誤差影響，往往具有一定的離散型。如果直接使用離散的數(shù)據(jù)，將不能清晰地發(fā)現(xiàn)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目數(shù)值的變化規(guī)律。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理一般使用與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致、數(shù)值大小相近的函數(shù)去擬合相應(yīng)的時(shí)程曲線。回歸曲線能夠正確反映實(shí)際情況，具有一定的函數(shù)規(guī)律，便于描述與計(jì)算。

為了對(duì)隧道拱頂下沉、周邊收斂進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，本文基于隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，采用回歸分析方法，對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，獲得與真實(shí)值偏差較小的擬合函數(shù)，為判斷變形量變化趨勢(shì)提供依據(jù)。

以高地應(yīng)力區(qū)Z K70 +352處的隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。本文回歸方程選取常見的二次多項(xiàng)式、指數(shù)函數(shù)，擬合過程是采用最小二乘法不斷逼近實(shí)測(cè)曲線的一個(gè)反復(fù)試算過程。擬合方程與擬合優(yōu)度R 2值如表1所示。

根據(jù)表1中的擬合結(jié)果，二次多項(xiàng)式的R 2值均為0.99以上，而指數(shù)函數(shù)擬合的R 2值在0.83左右。表明采用二次多項(xiàng)式的擬合度和相關(guān)性更高，在高地應(yīng)力區(qū)的拱頂沉降和周邊收斂變化趨勢(shì)滿足二次多項(xiàng)式變化規(guī)律。因此，依托隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)值采用二次多項(xiàng)式回歸分析，能夠更好地反演回歸方程的預(yù)測(cè)結(jié)果，本次回歸分析所得的回歸方程對(duì)隧道掌子面圍巖情況預(yù)測(cè)具有一定的參考性。

3 結(jié) 語

本文基于池祁高速公路某隧道工程，對(duì)比分析了高地應(yīng)力區(qū)和非高地應(yīng)力區(qū)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，建立了監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析模型，主要得出以下結(jié)論：

（1）在高地應(yīng)力的影響下，隧道開挖后的高地應(yīng)力區(qū)比非高地應(yīng)力區(qū)變形速率和累積變形更顯著，隧道施工應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力分布情況加強(qiáng)高地應(yīng)力區(qū)的監(jiān)控量測(cè)。

（2）二次多項(xiàng)式對(duì)高地應(yīng)力區(qū)的隧道拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)具有較好的擬合效果，可采用二次多項(xiàng)式擬合函數(shù)對(duì)高地應(yīng)力區(qū)的圍巖變形趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷。

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作者簡介

陳探，本科，工程師，研究方向?yàn)楣饭こ淌┕づc設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）