隧道洞库施工监测方案的优化设计分析

摘要: 由于隧洞的地质条件复杂、设计施工中困难多、偶然因素多，因此要做好动态监测和反馈，本文以李文平提出的优化布置测线网的思路为依据，优化设计了某大型隧道工程的施工动态监测方案进行了优化设计，以供参考。

关键词：隧道洞库；施工监测；优化设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

由于隧洞的地质条件复杂、设计施工中困难多、偶然因素多，因此要做好动态监测和反馈，关键是优化监测方案，提高监测的精度，降低监测成本，这已成为动态监测及反馈分析中的突出问题。国内外对此进行了广泛的研究和实践。特别是20世纪70年代以来，出现了由现场量测获得的位移量，通过反演分析确定设计计算所需的地质参数的反分析法，而利用现场量测的位移值反推围岩特性参数和初始地应力准确度与现场量测数据的精度和可靠性有关。这种误差的传递主要取决于测线网的布置。因此，在反分析法的工程实际中，建立合理有效的量测系统，是使反演计算结果误差较小的重要环节。同时，近年在逐步获得发展的地下洞室监测技术及信息化设计技术中，对量测的正确性、可靠性提出了更高的要求，因此，迫切需要对量测方案(包括测线和测线网的布置)进行优化设计的研究。但是，目前地下工程施工监测方案的优化理论研究尚不充分，测点、测线布置主要依据经验，因此受到主观因素的影响，往往导致量测值偏小、误差偏大等不良后果，从而对信息化设计的正确性和可靠性带来不利影响。虽然从理论上讲，测点的增多将会提高反分析的计算精度。但在实际工程中，测点过多无论是实践上还是经济上都是不现实的。因此，如何利用合理的测点和量测数据来获得较好的反分析结果，就成为反分析工程应用问题中重要的一环。这一问题的关键是测线网的合理布置。张中生针对地下结构荷载反算中测线凭经验布置的盲目性，提出了独立测线网的概念，并借助奇异值分解并结合解估计分辨率和解估计方差提出了用于地下结构荷载反算最优测线网的方法，为地下结构荷载反算正确布置测线提出了一种新的思路。

本文以李文平提出的优化布置测线网的思路为依据，优化设计了某大型隧道工程的施工动态监测方案进行了优化设计。对现场测量结果的分析表明，优化后的监测方案，不仅提高了测量精度，而且节约了监测成本。

1、三角形测线网优化布置的基本原理

由于目前有多种三角形测线网应用于工程中，为此须进行优化处理。李文平借助奇异值分解并结合解估计分辨率和解估计方差的分析方法，针对独立测线网的布置方案，导出用范数的最小值作最优测线网准则的计算公式：

(1)

其中，为解估计的分辨矩阵；为单位矩阵；

公式（1）为地下结构有关参数的反算和测线网的正确布置提供了依据。所谓独立测线网是指排除刚移后能唯一确定各测点位移值的一组测线。也就是说，用一组独立测线网布置的测线来量测测点间的相对位移，可唯一确定各测点的位移。应该指出，式(1)的推导过程只与测线网网线的布置有关，而与测量的物理量无关，因此不仅可用于位移测量，而且也可用于轴力、岩压力等其他力学量的测量。

2、测线网优化布置的设计

假设存在N个测点，可以连接条测线，测点间相对位移必须选择独立测线进行读取。一组独立测线网拥有独立测线的最下限为少2N-3条，由于从条测线中选取2N-3条独立测线可以组成很多组独立测线网，所以很难找出所有的独立测线网。现根据工程中常用的三角形测线网布置，设计了3种具有代表性的典型独立测线网来进行计算，由此得出测线网的优化方案。方案1为放射形测线网，所有测点以1、13号测点连线作为基线，如图1(a)所示。方案2为传递三角形测线网，以1、13号测点连线作为基线传递三角形构成独立测线网，如图1(b)所示。方案3为组合网，以1、13、7号测点连线作为基线。其中，5～9测点以1、13号测点连线为基线；2～4测点以13、7号测点连线为基线；10～12测点以1号、7号测点连线为基线，如图1(c)所示。

(a) (b)

(c)

图1 测线网方案图：(a)为方案1；(b)为方案2；(c)为方案3

由于采用测线网优化原则可以使测线网优化的方案在获得工程有关的实测数据之前就能被提出，因此本文以矿山用分立式金属支架的荷载反算为例来导出测量用的测线网优化原则。矿用支架形状为直墙半圆拱，主要参数为，惯性矩，截面积。支架离散为14个直线单元，共13个测点，15个节点。假设除单元13、14不受力外，其余均受法向荷载。通过一系列的计算，包括计算了最大单位方差，最后按式(1)求出最优测线网准则函数的值，值最小的测线网布置即为最优测线网。表1给出了前述3种方案的准则函数值和最大单位方差。

表l 3种方案的准则函数值和最大单位方差

由表1可见，由于方案3(组合网)具有最小的值，可知组合网为最优测线网，而且方案3也具有最小的最大单位方差，这说明了正确合理地布置测线，反分析的计算结果也好。

3、优化监测方案实测数据的分析

在某大型隧道工程中应用了该优化监测方案对围岩一支护进行动态监测，为使测量结果达到最佳，监测内容包括量测位移、变形、轴力等多种力学量。该隧道、洞库工程具有规模巨大、地质条件复杂、施工作业面多、施工难度大等特点，这些特点要求监测工作要突出重点、合理布局、方案科学、动态及时地提供施工中围岩支护系统的位移、应力变化信息，保证施工的安全和进程，为设计、调整支护参数提供依据。

以下分析采用该方案的测量结果，由于该工程工期较长，具有较多的测量项目和测点，导致测量数据较大，本文仅分析比较某些时段的部分重要典型的监测结果的标准差和相对误差。具体采用的数据是：②1、2号两个断面的高边墙水平收敛位移；②拱部3断面上的5个测点的锚杆轴力；③5个测点的围岩压力。

3．1高边墙水平位移

表2显示了1、2号断面在围岩位移稳定后的总位移值。1、2号断面的总位移值的标准差、平均值以及相对误差如表3所示。从表2可见，在围岩位移稳定后，两断面量测数据的相对误差只有0.009(0.9％)和0.027(2.7％)，这说明了在测量方案优化后，高边墙水平位移收敛值测量结果的相对精确度是非常高的。

表21、2号断面的总位移值 mm

表31、2号断面的

3．2锚杆轴力

以拱部3断面为例，分析其中5个测点的锚杆轴力，表4为具体的锚杆轴力测量值及精确度。由表3可见，某地下工程中用电测锚杆测量的锚杆轴力，其最低相对误差达0.033(3.3％)，最高相对误差也只有0.135(13.5％)，平均量测的相对误差仅为0.068(6.8％)，可见具有相当高的相对精确度。

表4 锚杆轴力测量值kN

3．3围岩压力

采用压力盒对围岩压力进行测量，现以断面5处为例，分析其中5个测点稳定后的测量数据。由表5可见，围岩压力测量具有较高的相对精确度，其最低相对误差达0.004(0.4％)，最高相对误差也只有0.057(5.7％)，平均量测的相对误差达O.018(1.8％)，围岩压力具有这样的量测精确度在大型隧洞的施工监测中是非常理想的，也反映出监测方案优化的优越性和必要性。

表5 围岩压力测量值 Mpa

结束语

通过分析施工动态监测数据的精确度得知在条件（测点、测量设备和人员）相同情况下，本文提出的动态监测优化设计方案可以更加合理的布置分布监测的测点和测线，提高的测量结果的精度，而且使坏点和无效数据明显减少。因此，方案的优化设计是必要而且有效的，并产生了一定的经济效益。同时，由于提高了量测数据的精确度，从而提高了反分析结果的精确度，使反推得到的基本力学参数更加精确和合理，为洞库围岩和支护结构的数值计算奠定良好的基础。应该指出，本文所给出的动态监测的优化方案具有通用性，也适用于其他隧洞工程施工的动态监测。

参考文献

李文平. 地下结构荷载反算中的测线网优化布置[J]. 岩石力学与工程学报, 2000(02).

张志刚, 佴磊. 隧道信息化设计与施工方法研究[J]. 岩土工程技术, 2003(02).