软弱围岩隧道收敛变形特性研究

摘要：本文对某软弱围岩隧道V级软弱大变形段五个断面的监测数据分别进行回归分析，结果表明：用指数型式的回归函数得出的拟合结果最好，相关系数、回归精度均满足设计规范要求，以此回归方程推求的最佳支护时机和最终稳定变形量与实际结果相符，可以为工程设计和施工提供有益的参考。

关键字：软弱围岩；监控量测；回归分析

中图分类号：[U25] 文献标识码：A

引言：

新奥法的特点是将超前地质预报和隧道监控量测贯穿于整个隧道施工中，最大限度的保留围岩的自稳能力，并充分利用监测得到的数据，建立更加合理的支撑体系[1-2]。

监控量测是新奥法施工的核心技术之一，量测数据的分析处理能够从侧面反映围岩压力对隧道断面及整个隧道的影响，从而了解隧道在施工过程中围岩压力的变化[3-4]，为必要时及时调整支护参数提供有力依据。

监控量测变量之间是一种趋式性的关系[5-6]，为了让监测结果更好的指导隧道施工必须对监测数据进行一定的数学处理，例如概率统计、回归分析，并找出概率分布规律、时间—位移之间的函数关系，进而获得符合实际情况的函数关系曲线，找出围岩变形随时间变化的规律，并推算出变形的最终值。

本文监测数据来自某软岩隧道，该隧道地质条件非常复杂，按时代由新到老分别包括了第四系、二叠系、石炭系、泥盆系等不同时代的地层，隧道洞身穿越的主要是板岩及炭质板岩区，占全隧的46.53%。选取该隧道V级软弱围岩段进行监控量测，该区段为板岩、砂岩夹炭质板岩，节理较发育。

1围岩变形监控量测

1.1监控量测的目的及内容：

监控量测结果可以判断隧道开挖后围岩是否稳定，可以规范隧道工程设计与施工；也可以为二衬施工提供合理的时机。此外，量测数据经过数学处理后，可以对围岩的稳定趋势加以预测，预测结果可以作为施工方判断施工安全与隧道稳定的可靠依据。

本文主要对拱顶下沉、隧道净空收敛进行量测。

1.2量测点布置：

量测断面测点布置的形式如图1所示。

图1隧道监测点布置

Fig 1Layout of tunnel monitoring spots

1.3监控量测频次

围岩位移监测频率如表1。

表1监测项目的监测频率

Table 1Monitoring frequency of the monitoring project

时段 1～15d 16～30d 30～90d >90天

次数 1～2次/d 1次/2d 1～2次/周 1～3次/月

2量测数据回归分析

在工程实践中，变量之间多数不是线性关系，而是曲线关系。对曲线进行回归分析一般采用一元非线性回归——先选择能代表变量之间内在联系的函数，再求出此函数中的未知数。即先把非线性函数变换成线性函数，再按线性函数求未知数的方法求出未知参数，从而得到曲线的回归方程。此方程有没有实际意义，还必须结合相关系数来判别。r的绝对值越接近于1，说明变量之间的线性关系越好；r的绝对值接近于0，说明变量之间没有线性关系。此外，还应结合回归精度s进行判断，。

下面选用指数函数、双曲线函数和对数函数作为回归函数进行分析[7]。

(1)指数函数表达式为引入辅助变量，可化为式中，按线性回归计算方法求得，最终求得回归系数，利用该指数表达式可以预估隧道围岩最终变形量的大小，即当。

(2)双曲线函数表达式为又，令,得,当可预估隧道最终位移量，,。

(3)对数函数表达式为，引入辅助变量则，按线性回归计算公式求得。

3监控量测实测数据处理及回归分析应用

3.1实测数据分析

根据超前地质预报和现场施工实际情况在隧道所处V级软弱围岩段布设五个监测断面，里程为GDK307+250、GDK307+255、GDK307+260、GDK307+265、GDK307+270，选取典型断面GDK307+260进行分析。

图2GDK307+260断面监控量测实测曲线

Fig 2Measured curve of monitoring and measuring of the section of GDK307+260

从图2可以看出，各测线的实测数据虽然有个别点偏离正常值范围，但整体较符合“显著变形——缓慢变形——基本稳定”的变形规律。出现偏离点的原因可能是所测断面由于施工机械作业、施工工序被扰动而产生较大变形。

取精度高的指数函数作为围岩量测数据的回归函数，根据回归函数对围岩的变形速率和最终变形做出预测。经计算后得知，此断面量测数据的回归函数，说明围岩变形速率减小，围岩趋于稳定。

此断面三条测线的最终量测变形速率均小于0.05 mm/d，此断面已经可以进行二次衬砌。

3.2回归分析

本文选用隧道软弱大变形段典型断面GDK307+260实测数据进行回归分析。选用、及三种函数对量测数据进行回归，并选用精度最高的为其回归方程。

表2GDK307+260断面实测数据回归分析结果

Table2Results of regression analysis of measured data of the section of GDK307+260

测线 对应回归曲线 回归函数公式 相关系数 回归精度(mm) 预测最终变形量(mm) 最终量测总变形量(mm)

拱顶下沉 指数 0.99 8.85 250 237

双曲线 0.93 26.6 333.3

对数 0.91 23.4 /

A-A基线 指数 0.99 13.8 332.4 321

双曲线 0.89 73.5 666.7

对数 0.93 28.0 /

B-B基线 指数 0.99 12.9 252.6 229

双曲线 0.88 115.5 1000

对数 0.74 31.1 /

根据回归分析结果将GDK307+260断面拱顶下沉、A-A水平收敛、B-B水平收敛数据分别绘制成图3～5，并进行分析。

图3GDK307+260断面拱顶下沉回归分析结果

Fig 3Results of regression analysis of vault settlement of the section of GDK307+260

由图3分析可得：指数函数的相关性达99％，用指数函数预报该测线收敛有99％的散点误差在8.85 mm之内，已满足隧道施工规范的精度要求。隧道开挖14 d后，收敛量占总收敛量的87.6％，满足规范施工二衬的要求，可以施做二衬。

图4GDK307+260断面A-A水平收敛回归分析结果

Fig 4Results of regression analysis of A-A level convergence of the section of GDK307+260

由图4分析可得：指数函数的相关性达99％，用指数函数预报该测线收敛有99％的散点误差在13.8 mm之内，已满足隧道施工规范精度要求。隧道开挖14 d后，收敛量占总收敛量的82％，满足规范施工二衬的要求，可以施做二衬。

图5GDK307+260断面B-B水平收敛回归分析结果

Fig 5Results of regression analysis of B-B level convergence of the section of GDK307+260

由图5分析可得：指数函数的相关性达99％，用指数函数预报该测线收敛有99％的散点误差在12.9 mm之内，已满足隧道施工规范精度要求。隧道开挖14 d后，收敛量占总收敛量的86％，满足规范施工二衬的要求，可以施做二衬。

由图3～5可知，断面GDK307+260拱顶下沉、水平收敛曲线回归分析结果与实测值完全吻合，开挖支护措施、二衬施作时间符合隧道施工规范要求，说明初期支护设计参数是合理的，不需要进行修正。

4结论：

(1)所选断面的实测数据虽然有个别点偏离正常值范围，但整体较符合“显著变形——缓慢变形——基本稳定”的变形规律，开挖后14 d围岩变形已满足规范要求，所以此断面已经可以进行二次衬砌，衬砌后的隧道结构是安全的。

(2)通过对断面GDK307+260的3条测线数据进行回归分析，其相关性都已达到90%以上，回归精度满足施工要求，收敛速率和收敛总量都处在合理范围，说明初期支护设计参数是合理的，不需要进行修正。

(3)实践证明，用回归分析等处理隧道施工中的量测数据，可以得出准确结论，这对于提高工程质量，保证施工安全，等具有十分重要的意义。

REFERENCE

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