关于隧道监控量测数据的相关思考

摘要：现场监控量测，是在隧道施工过程中通过对隧道围岩(确切说应是一次支护后围岩)的动态监测，掌握围岩动态和支护结构的工作状态；利用量测结果，经分析后，调整设计支护参数或调整施工方法，以期达到稳定的目的；通过量测结果预测事故或险情，及时采取应急措施，防患于未然；积累资料为后续设计提供科学依据；确保隧道的稳定，达到隧道施工过程安全、可靠、节省投资的目的。文章以某隧道为例，通过对拱顶下沉和周边位移量测数据的处理、回归建模，评价和预测隧道的稳定性。

关键词：监控量测；拱顶沉降；水平收敛；回归分析

中图分类号：P642.26文献标识码： A 文章编号：

1、现场监控量测内容及断面布置

我国现行公路隧道施工规范将现场监控量测项目从总体上划分为两类：必测项目和选测项目。考虑到经济性和实用性，笔者认为，在围岩较好的情况下可以只测量拱顶下沉及周边位移；在围岩较差的地段布设选测项目，如地表下沉（隧道浅埋段）、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力，主要为进一步了解围岩内部松弛、位移、受力、围岩与衬砌间的相互作用、以及衬砌的内力及位移情况。周边位移观测每个断面根据开挖方法布设1～2条水平测线，一般全断面开挖布设1条水平测线，台阶法开挖时上下台阶各设1条水平测线，特殊情况下可在上台阶加布两条测线。拱顶沉降每个断面根据开挖跨度布设1～3个测点，拱顶沉降及周边位移观测点应布于同一断面上。根据围岩情况设置量测断面，现场监测断面间距及频率如表1和表2所示：

表2量测频率

2、监测方法

2.1周边水平位移量测

喷锚支护施作后，用电钻凿直径40mm、深80～200mm孔，先用水泥砂浆灌满后再插入测点固定杆，尽量使同一线两测点的固定方向在同一直线上，等砂浆凝固后，即可进行量测工作。笔者认为固定杆外漏挂钩部分必须尽可能小，而且最好贴近隧道初期支护面，因为实际工作中，测点最初距掌子面较近，在下次爆破及出渣过程中极易破坏。

一般采用各种收敛计（如SWJ-IV）量测。为保证测量准确性，在测量之前要让收敛计的温度和隧道温度达到基本一致，一般需要把收敛计放在测点旁边静置5min。

2.2拱顶下沉量测

测点埋设方法跟周边位移一致。测点的大小要适中，如过小，测量时不易找到；如过大，爆破时易被打坏。支护结构施工时要注意保护测点，一旦发现测点被掩埋，要尽快重新设置，以保证观测数据的连续性。采用精密水准仪、挂钩式钢尺、铟瓦尺配合测量拱顶下沉，精度可达0.1mm。

量测点的初读数一般应在开挖12h内或下次爆破前，喷锚支护施作3h内即埋设测点，并进行第一次量测数据采集。每次测试前检查仪表设备是否完好，如发现故障应及时修理或更换；确认测点是否松动或人为损坏，只有测点状态良好时方可进行量测工作。按各项量测操作规程安装好仪器仪表，并按相应仪器使用方法读取数据。

3、数据处理

根据测量数据绘制位移与时间的关系曲线，可以较直观地看出围岩位移变化的情况，并初步判断围岩是否趋于稳定或出现异常情况。在隧道施工中量测得到的数据中存在环境影响、人为因素等偶然误差，使数据具有一定的离散性，故所绘制的变形随时间变化的散点图会出现上下波动，规律不明显，难以进行分析判断。所以应根据现场量测数据进行回归分析，以便探寻变形发展规律，指导施工和安全生产。目前主要采用指数、对数和双曲线三种曲线函数进行线性回归计算。三种函数均可转换为线性方程进行回归分析，以指数函数为例：

——式1

两边同时取对数：

——式2

令y=lnu，αlnA，，则方程式2可转化为直线方程：y=a-bx——（式3）

其中：A、B为回归常数，u为位移值（mm）；t为初读数后的时间。

对数、双曲线函数分别可转化为如下形式的直线方程：

——（式4）

——（式5）

直线方程的线性回归分析可采用Excel的数据分析工具进行，以指数函数为例，首先在Excel工作表中计算出线性化方程式3中的y和x，点击Excel菜单中的“工具”—“数据分析”，选择“回归”，输入数据后即可得到回归分析结果。

对曲线函数进行回归分析后，求曲线方程的相关系数r，取r最趋近于1的曲线方程代表所分析测点数据的变化情况，一般情况下所选择曲线函数的相关系数r的绝对值应大于0.9。

4、数据分析及应用

4.1稳定性判别

将量测数据进行处理和分析，绘制时间一位移曲线。隧道稳定性的判别依据主要有以下几点：①时态曲线位移速率逐渐变小，即0，时态曲线出现反弯点，表明围岩已处于失稳状态。④当日位移速率大于1mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段。⑤当日位移速率在0.2～1mm/d时，表明围岩处于缓慢变形阶段。⑥当日位移速率小于0.2mm/d

下表为某公路隧道V级围岩上台阶台挖时，一个断面的拱顶下沉及周边位移部分量测数据。

表3某断面现场量测数据

图1拱顶下沉（周边位移）—时间曲线

根据以上数据绘制位移-时间曲线，如图1所示。

从图1可以得出：从量测开始的第7天至第13天位移-时间曲线出现“反弯点”，即>0，隧道处于不稳定状态。隧道内该断面附近衬砌出现多条裂缝，初期支护喷砼大量掉块。施工单位根据监控量测结果，迅速采取了处理措施。经处理后，隧道又逐步趋于稳定，在后面的量测中，位移速率逐渐减小。

4.2回归分析

以拱顶下沉数据为例，将表3中的拱顶下沉数据分别带入式2、式4、式5，按直线方程进行回归分析，可得到回归常数及相关系数（见表4）。

表4拱顶下沉数据回归分析结果

从表4可看出双曲线函数的相关系数最大，回归精度最高，可选择此方程代表拱顶下沉情况。根据回归方程确定该断面拱顶下沉的最终位移值为260.16mm，目前累计沉降值为213.26mm，占预计总沉降值的82%。由此可判断支护参数选取较为合理，围岩已基本稳定。

结语：

通过现场监控量测，可以及时掌握围岩和初期支护在施工中的变形情况及稳定程度，为评价和修改初期支护参数、保证隧道施工安全及二次衬砌施作时间提供信息依据。监控量测数据的分析方法对于其他土建项目的变形监测，也有积极的参考意义。

参考文献：

[1] 刘晓军.隧道围岩监控量测浅谈[J].科学之友,2007,(3):41～42.

[2] 惠明阔.隧道监控量测数据分析与应用[J].安徽建筑,2008,(2):73～75.

[3] JTJ042-94.公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社.