回归分析方法在公路隧道监控量测中运用的探讨

摘要：新奥法是现代公路隧道设计施工的基础理论，监控量测作为新奥法理论核心之一，也到广泛的认可，但现场运用效果还须进一步提升。本文针对现在国内监控量测分析存在的问题，依据江西境内赣崇高速感坑隧道监测数据，着重从开挖支护不同时期分析隧道拱顶围岩竖向位移变化情况，并利用Origin软件得到其回归函数。指出开挖预留变形量与显现位移的对应关系，为放线开挖施工提供指导依据。

关键词：公路隧道 监控量测 回归分析 拱顶下沉 位移

中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：

1 前言

目前国内外山岭隧道设计施工基础理论为新奥法，新奥法主要内容可以概括为一个核心三个基本点，一个核心即为利用围岩的自承内力使围岩和支护结构达到平衡状态；三个基本点分别为：一是运用监控量测手段时刻关注围岩变化情况；二是适时支护，在最合理时间内进行支护；三是光面爆破，减少出现应力集中情况[1][2]。可见监控量测在山岭隧道施工中占有重要的地位，虽然国内外大量学者技术人员对监控量测进行了大量的研究分析，但目前国内隧道施工中监控量测实际使用效果并不是很理想，问题根源主要有以下几个方面：一是监控量测并未得到现场施工单位应有的重视，即使实施了监控量测，也未发挥监控量测应有的作用；二是实施监控量测的技术人员功底较薄，其对监控量测的理解只停留在判断围岩是否安全的阶段；三是监控量测现场环境较差，数据采集往往误差较大，影响技术人员分析。本文主要是结合笔者多年的隧道施工经验，针对目前监控量测存在问题提出了自己的见解并给出具体分析实例。

2 监控量测简介

我国《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技术规范》（JTG/F60—2009）[3][4]对公路隧道监控量测目的、测点布设、精度要求、数据处理和数据分析给出了较为详细的论述，并推荐了三种回归分析函数。现将必测项目周边收敛、拱顶下沉和地表下沉采用的仪器及目的做一简要说明：

表1 必测项目及其监测方式

上述表格给出了必测项目几种常见的监测手段及其优缺点，其中精度主要依据实际监测中误差结果得到。

3 回归分析在处理数据中的运用

王建宇在文献[5]中从全位移角度阐述了回归分析在监控量测中的运用，但这与实际监控量测有所出入，本文主要从隧道设计的预留变形量及建筑限界角度重新剖析回归分析在监控量测中的运用。下图给出了回归分析拟合曲线示意图：

图1 围岩位移与时间关系示意图

规范推荐了对数函数、指数函数和双曲线函数三种回归模式，其原理一致，即得到的函数，从而可分析开始采集数据前的位移变化情况，同时依据的数值判断围岩及支护结构的稳定性。

图1，横轴为时间轴，纵轴为位移累计变化轴，其中时间=0表示围岩开挖开始时间节点（放炮结束时间），= 为开挖结束时间节点，也是支护开始时间节点，= 为支护结束后某时刻，即开始测点布设和数据初始采集时间节点。故围岩=+++，其中：表示围岩受隧道开挖引起的所有位移，表示可量测得到的位移，表示=至=时间内围岩的位移，表示=0至=内围岩开挖期间的位移，表示围岩开挖对引起前方围岩的位移，通过经验系数可求得。

因此，=++与隧道设计的预留变形量进行比较，从而可知预留变形量是否满足设计要求；=+初期支护完成后初期支护累计变形量，此值更直观反映隧道支护结构的位移值。

4工程实例分析

4.1 工程概况

感坑隧道位于厦门至成都国家高速公路赣州至崇义（赣湘界）段新建工程A3标，为单向2车道连拱隧道，感坑隧道位于上犹县黄埠镇小感坑村附近，隧道穿越小感坑村一小山包。隧道起止桩号为K467+203~K467+480，全长为277m。本隧道均为半径R=1318m的左偏圆线上，罗线纵坡为上下分别为2.096％和-1.3％的双面坡，隧道初期支护结构符合隧道设计规范[3]要求。

4.2 数据采集

断面布置按《公路隧道施工技术规范》[4]规定，在隧道Ⅳ级围岩每20m布设一个拱顶沉降断面，若遇到变形较大时加密断面。下表给出左洞埋深110m 的ZK467+340断面初期支护拱顶沉降监测数据情况，监测数据显示在持续监测一周后日变化量小于0.2mm/day。表2给出不同时间ZK467+340断面拱顶下沉中间测点G1累计变化情况：

表2 拱顶下沉实测值与时间关系

其中隧道开挖至出渣完成共耗时7个小时，支护时间5个小时，支护完成后18个小时开始布设测点进行数据初次采集。

4.3 回归分析

时间=30小时，时间=12小时。利用指数函数，其中表示可量测的部分的收敛值，表示数据变形发展的趋势。

利用Origin软件对表2数据进行回归分析得到G1点的沉降累计变化量和时间函数关系如下：

，上述拟合函数的方差=0.8654，相关系数平方=0.99416，故拟合函数与实际测值有较好的拟合关系。

故：=49.2mm，==7.2mm，==9.5mm，开挖后围岩拱顶部位竖向位移=++=65.9mm。

同时参考利用文献[5]可知=（++），取=0.314，得=30.2mm。

=+++=96.1mm。

上述分析可知，从监测得到数据进行回归拟合得到开挖面在爆破至开始初期支护期间围岩拱部位移达到7.2mm，开始支护到开始采集数据期间围岩（初期支护结构）拱顶部位位移达到9.5mm，开始采集数据之后可测得围岩（初期支护结构）拱顶部位位移达到49.2mm，由于前面掌子面开挖导致的先行位移达到30.2mm。围岩由于隧道施工在竖向位移变化可达到96.1mm，围岩变形大小是围岩安全稳定性重要分析依据，围岩全位移的大小直接反映了围岩安全状态。

5结论及建议

依据隧道实际施工中不同阶段时间内围岩位移变化的不同含义，确定了四个时间段位移值的求得方法，分析围岩位移变化和时间的函数关系，得出了主要以下主要结论。

围岩由于受到之前围岩的开挖引起的先期位移占围岩总的位移变化较大的比重，分析感坑隧道ZK467+340断面数据可知，先期位移达到30.2mm，此位移也是判断围岩稳定性重要依据；

分析感坑隧道ZK467+340断面数据可知，从爆破结束至开始采集数据期间，围岩拱顶部位位移变形量占可测位移变化量34%，故对于判断隧道预留变形量必须使用回归分析方可得到参照依据；

开始初期支护至开始采集数据期间围岩（初期支护）拱顶部分位移变形占可测部分数据19%，故初期支护时间虽然较短，但此期间围岩变形相对较大；

从回归分析过程可知，初始数据采集时间越早，回归分析引起的误差越小。

参考文献：

[1] 朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术[M].北京：科学出版社，2007.

[2] 王建宇.隧道工程监测和信息化设计原理[M].北京：中国铁道出版社，1990；

[3] 重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004；

[4] 中交第一公路工程局有限公司.公路隧道施工技术规范[M].北京：人民交通出版社，2009；

[5] 王建宇.对隧道工程中监控量测问题的讨论[J].现代隧道技术，2008增刊：7-14;