隧道监控量测的数据处理及分析

摘要：监控量测对于保证隧道安全施工有着十分重要的作用，本文以具体实例为基础分析了在隧道监控量测之中如何处理其相关数据。

关键词：隧道；监控量测；数据处理；分析

中图分类号：U45文献标识码： A

引言

隧道监控量测是指在隧道施工过程中采用各种量测仪器对围岩和支护、衬砌受力状态进行的监测工作。TZ214―2005《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》明确要求隧道施工应制定监控量测计划，并纳入施工工序中，实施信息化施工。传统的监测方法是在隧道的变形区域布设监测点，用收敛仪、高精度铟钢尺、电子水准仪进行逐点和断面的量测。这种监测方法存在以下缺点:由于测量的点位有限，不能反映整个隧道的变形趋势;监测方法老旧、效率低下、测量时间长，不便进行隧道结构的荷载分析，无法实施有针对性的控制变形措施;隧道的光线微弱、监测场地狭窄、环境复杂，导致监测受到多种干扰，监测的可靠性不高。

2、监控量测的目的

监控量测是隧道施工中不可缺少的一部分，它通过对隧道的初期支护进行监测，及时掌握围岩的动态信息，为隧道的施工提供准确的数据，不仅可以预报险情，确保安全，而且还可以为二次衬砌的衬砌时间提供依据。同时对修正和确定初期支护的参数，具有一定的指导作用。由此可见，监控量测在隧道施工中占有极其重要的地位。地质和支护状况观察:目视观察的方法，对围岩和支护进行观察。监测位置的设置，洞外地表沉降观测点布设原则，观测仪器的选择及操作步骤，量测数据的整理，周边位移，量测断面的设置，洞内测点布设原则，周边位移的观测，量测数据的处理及应用，拱顶下沉，量测断面，同周边位移一致。洞内测点布设原则:同周边位移一致。拱顶下沉量测。量测数据处理及应用。锚杆抗拔力。试验断面位置的选择。试验设备，锚杆测力计及拉拔仪。数据处理。

3、工程实例

某隧道设计为单洞双线隧道，起止里程DK138+605－DK139+276，全长671m，位于四川某省某市境内，工程沿线总体上呈丘陵低山地貌，沿线地势起伏较大。龙泉山、华莹山呈北东25°～30°延绵于盆地中，沿线大面积分布侏罗系、白垩系紫红色泥砂岩。该隧道围岩等级为Ⅴ级，拱顶下沉及水平净空监测断面间隔为5m，全程采用台阶开挖法。

根据相关规范要求，量测项目分为必测项目和选测项目。一般而言，隧道施工必测项目为:①必须进行洞内外观察:洞外观察包括地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定、地表水渗透的观察。洞内观察为施工中对隧洞掌子面开挖后进行工程地质与水文地质观察，描述围岩的岩性、结构面产状、力学属性、节理裂隙形态及充填物、含水情况以及支护裂隙观察或描述，并绘制地质素描图;检查喷射混凝土有无裂损及发展，锚杆有无松动，拱架支护状态观察等。②进行水平收敛位移量测。③进行拱顶下沉位移量测。④必要时进行底板鼓起量测。⑤洞口浅埋洞段和土洞段，应进行地表下沉监测。

4、隧道监控量测之中数据处理以及分析

4.1、监测项目及实施

4.1.1、地质条件及支护状况观察

该隧道开挖采用台阶开挖法，随着掌子面每次爆破后和围岩初次喷护后，通过视觉观察，描述和记录围岩的地质情况，内容包括岩层产状、裂隙、地下水情况，判断围岩类别是否与设计相符，测量地下水流量，观察支护效果。

4.1.2、拱顶下沉监测

拱顶下沉是反映隧道顶部围岩沿竖直方向的位移。隧道拱顶下沉监测能直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性，通过拱顶下沉监测，为隧道支护结构稳定性分析提供依据;通过计算拱顶下沉位移速率和预测最终位移值，为二次衬砌浇筑选择最佳时机;为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。该隧道拱顶下沉采用TCA2003徕卡测量机器人与棱镜和反射片配合，结合相对水准基点测得拱顶点的下沉值。TCA2003徕卡测量机器人是智能型全站仪，在内部安装了伺服马达，通过内置的自动目标识别装置ATＲ发射出的激光束经棱镜或反射片反射后由CCD相机接收，实现自动寻找和自动精确照准目标，消除了人为操作仪器带来的误差，性能稳定且可靠。其测角的精度(一测回方向标准偏差)为±0.5″，测距精度为±(1mm+1ppm)，本次拱顶下沉采用四测回连续自动观测，完全能够满足设计规范的要求0.5～1.0mm。图1为拱顶下沉监测示意图。

图1拱顶下沉监测示意图

该隧道的围岩等级为Ⅴ级，拱顶下沉监测断面间隔为5m。按5m的间隔分别布设拱顶下沉监测点，将其焊接到上拱工字钢上并粘贴反射片，靠近掘进面的监测断面必须根据工程作业的进度实时跟进。已经完成二衬断面的工作区域，在通视的前提下(两个相对水准基点距离100m为宜)，逐步交叉布设相对水准基点。对于已完成二次喷护的区域，变形趋于稳定且变化量微乎其微，由此带来的形变可以忽略不计，可视为稳定。通过相对水准基点，运用TCA2003莱卡测量机器人同时对多个隧道断面进行监测，提高监测效率。拱顶下沉监测的观测周期前15d每天测1次，15～30d每两天测1次，30d以后每7d测1次。

4.2、水平净空监测

水平净空监测是反映隧道拱腰、拱脚沿水平方向的位移。能直观反映隧道围岩与支护结构的稳定性，通过收敛量测，为隧道支护结构稳定性分析提供依据;通过计算收敛位移速率和预测最终位移值，为二次衬砌浇筑选择最佳时机;为隧道施工工艺、支护衬砌参数优化提供参考。图2为隧道断面布点示意图。

图2隧道断面布点示意图

水平净空监测主要观测一对拱腰点、一对拱脚点的收敛值。拱腰点和拱脚点为带钩钢筋条，长度约60～80cm，均焊接在拱形工字钢上，并用锚固剂固定。由于隧道采用台阶开挖法，拱腰点的布设是和拱顶监测点同时进行的，拱脚点的布设与下台阶开挖进度一致且与拱腰点和拱顶点保持在同一断面内。水平净空监测采用JSS30A收敛仪量测，精度可达0.1mm。水平净空监测周期同拱顶下沉监测。(4)地表沉降观测。隧道地表沉降观测宜选在隧道洞口、浅埋地段。地表沉降观测点布设在隧道轴线及其两侧，间距2～5m，每个断面7～9个桩，如图2所示。测点埋设水泥桩，根据水准基点联测各个测点的沉降值。地表沉降监测采用徕卡DNA03(带铟钢尺)仪器，完全满足设计规范二等水准的要求。

4.3、量测数据处理

量测数据处理是量测工作的重点，现场量测所取得的原始数据，不可避免的会具有一定的离散性，其中包含着测量误差。因此，应对所测数据进行一定的数学处理。数学处理的目的是:将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性;探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化的规律，判定围岩和初期支护系统稳定状态。根据量测数据及时绘制水平收敛位移时态曲线和拱顶下沉位移时态曲线。当位移时态曲线的曲率趋于平缓时，应对数据进行回规分析，推算最终位移值，确定位移变化规律。3.1绘制收敛变形观测位移时态散点曲线先把围岩收敛记录表中数据进行处理。由于收敛计的钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测的环境温度不尽相同，即要对观测值进行温度修正，以消除变温引起的误差。

式中:L为量测的真实值;L’为量测的实测3次读数的平均值;ΔL为修正值;α为钢尺的膨胀系数;T1为第一次量测的环境温度;Ti为第i次量测的环境温度;S为钢尺测长度。

得到钢尺的真实值L后，U=Li－L1，U即为收敛位移值，现在得到两个有用的数据，收敛位移值U和时间T，把U和T输入到excel表格里，每个位移值U对应一个时间T。用鼠标选中U和T，在excel工具栏进入“插入”菜单，选中“图表”，会出现“图表类型”对话框，在“标准类型”中，选“XY散点图”，再点击“完成”，即可以生成收敛变形观测位移时态散点曲线。

4、结语

通过以上方法可以做出相关等监控量测数据的分析和处理，操作简单，分析准确，只需利用Excel办公软件即可较快、较好的完成监控量测数据的分析处理，使隧道的监控量测更加的常规化，简单化。因此，利用该方法进行隧道监控量测分析，是值得推广和发展的。

参考文献

[1]杨绍战.隧道施工监控量测数据分析处理软件的开发及应用[D].长安大学,2009.

[2]杨绍战,陈建勋,赵超志,左庆忠.隧道监控量测数据分析处理系统的研发与应用[J].公路隧道,2011,01:55-58.

[3]孙昊.公路隧道施工监控量测及分析研究[D].石家庄铁道大学,2013.

[4]杨绍战,陈建勋,赵超志,左庆忠.隧道监控量测数据分析处理系统的研发与应用[A].中国科学技术协会、重庆市人民政府.自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集（3）[C].中国科学技术协会、重庆市人民政府:,2009:8.