常吉某红砂岩隧道监测与回归分析.doc

红砂岩隧道监控量测及信息反馈研究杨玉胜(长沙理工大学公路工程学院湖南长沙410076)摘 要 以雀儿溪隧道为例，用实测的拱顶下沉、水平收敛、锚杆轴力、初期支护围岩压力、地表沉降和拱顶下沉的监控数据为依托，进行实测数据与施工工序的关系、围岩压力与位移的关系、位移的纵向分布规律的回归分析，并及时将处理信息反馈给施工，对开挖后的结构稳定性作出分析判断并采取相应措施。实践证明监测效果可靠，为保证该隧道的顺利贯通提供了可靠的技术保证。关键词 红砂岩新奥法 围岩稳定性监控量测 回归分析1 监测的价值和意义隧道施工现场监控量测是新奥法的重要组成部分，它不仅可以指导隧道安全施工，也是认识和理解隧道围岩动态的基本途径，为判断隧道施工过程中围岩的稳定及支护结构安全提供科学依据，确保隧道施工安全。用现场量测资料来指导洞室的开挖和支护的施工是一种行之有效的方法。对隧道支护结构进行设计计算时，首先要根据结构物的具体情况选取力学模式，其次要确定计算参数。为了提高计算的正确性，除对所选取的力学模式做到尽量合理外，还应利用现场量测的反馈信息，求解计算参数，使计算参数尽量合理可靠 卜 。本文利用监测资料和处理得到的数据结果，并运用优化反演方法得到与实际情况较为相符的围岩参数，从而提高计算结果的可靠性和实用性。2 工程实例概况雀儿溪隧道是一座分离式隧道，隧道穿越山体最大标高约为265 m，进洞口标高为123.0 m，出洞口标高约为143.0 m，最大埋深为130.0 m，进、出洞口位置为半山腰。属低山、丘陵地区。场区植被发育，表层第四系地层残存孔隙潜水。基岩内主要为基岩裂隙水，钻进时溶洞亦漏浆严重，溶洞内可能有地下水，隧道进出洞口处的山沟大多数为旱沟，仅在雨季有一定的迳流水，地下水主要靠大气降水补给。该次分析选取的典型断面YK193+730，位于其右线进口地段。断面所处围岩级别为III级，岩性主要为钙泥质砂岩与钙质砂岩互层，中厚层状，层间结合较差。3 量测数据分析通过拱顶累计下沉值和变形速率确定围岩是否稳定可以及时地反映施工情况，能够很好地指导施工安全合理地进行，同时也要通过围岩的变形等级管理确定支护是否合理，是否还需要加强支护。(1)拱顶下沉量测。在雀儿溪隧道II类围岩中选取了8个量测断面，其中YK193+730断面的拱顶累计沉降量和拱顶下沉速率随时间的变化曲线见图1。从图1来看，拱顶变形在初期速率很大，累积变形一直处于爬升的阶段，在开挖后大致20 d内沉降较快，沉降位移达到总位移的80左右，此后沉降逐渐趋于平稳，围岩变形处于平缓发展阶段，大概在一个月之后沉降基本稳定。通过监测数据还可以看出，在隧道掘进过程中，围岩变形主要取决于开挖面的推进及时间的推移。从实测资料可知，在开挖及初期支护阶段，空间因素较时间因素更为重要 卜。 。l6、l 12嘲l娉8k02一l3 3一l 3一l7 42 4一l8 5-4 5-20测试时间d图1 拱顶累计下沉量时程曲线图 (2)周边收敛位移量测。选取8个量测断面进行II类围岩周边收敛量测，其中YK193+730断面周边收敛与时间关系曲线，见图2。从图2可看出，该断面量测中周边位移变化与拱顶下沉变化相似，在经过大约25天后，周边收敛值变得比较稳定，收敛位移变化值较小。该断面围岩在30天后已经基本稳定。45口4oi 35： 151o050测试时间d图2 周边收敛累计位移量时程曲线图(3)地表沉降量测。在雀儿溪隧道吉首端进洞的同时便进行了进口段围岩地表沉降的量测，共布设了5个断面，每个断面布设了10个测点，其中6号点在隧道中线上。在隧道的掘进过程中地表有几次大的沉降，通过连续的量测并结合地表观测，确定了隧道的掘进是安全的。同一断面各测点地表沉降随时间而发展的曲线见图3。从图3中可以看出在经过30天后，地表沉降值基本稳定，此时地表沉降值在4 583 mm之间。从各个测点来看，7号测点的位移值最大。皇皇删世蜉测量点号图3 不同时间各测点地表沉降量曲线图降量(4)锚杆内力量测分析。锚杆轴力量测的目的在于了解锚杆实际工作状态，结合位移量测，修正锚杆的设计，图4为断面YK193+730锚杆内力与时间变化曲线图。从图4可见，在隧道开挖后的数天内，锚杆内力变化剧烈，且有较大的波动，半个月后内力进入缓慢增长阶段，随着下台阶的开挖，锚杆受力又进入了一次快速发展阶段，在持续数天内力增长后，锚杆内力处于一个较稳定的值。从而进一步验证了隧道围岩在开挖后变形的趋势：急剧变化一缓慢变形一趋于稳定。而且，从外到里，应力计读数变小，说明隧道开挖对围岩松动、扰动是随着隧道断面环向逐渐减弱的。O lO 2O时间d图4 YK193+730拱顶锚杆内力与时间变化图4 数据回归分析在对所量测的数据进行曲线拟合时，本文选用下述回归方程式进行拟合 。 。M=Alg(1+t) (1)由公式(1)可得变形速率du一1 一 ，9 、dt t In10 、以临界变形速度来作为围岩基本稳定的判据，则有= = 寺 (3)在函数的回归分析中，并非每个量测断面量测的数据都会得到很好的回归曲线，而且在利用不同的函数拟合进行回归分析得到的结果也不相同。若用u表示位移的最终值，用t来表示时间，则此时双曲线函数的表达式为u=( + )。若直接寻找一条双曲线来拟合原始数据曲线，是比较困难和麻烦的。在此，可以先将双曲线函数进行适当的变换而得到比较简单的函数形式，这样就很容易找到用来进行拟合的函数表达式。因为，M=( + )=tu=A+B，并令Y=tlu， ：t，则Y=A+ ，这样Y与 之间就为线性函数关系，用线性函数来拟合显然比直接用双曲线函数拟合要方便得多。从函数上看，当t一 时u= liB。通过以上的方法进行回归分析，得到各个位移的最终结果如下。(1)拱顶下沉量回归分析，见图5。从图5中得到拱顶下沉数据回归分析的拟合结果：系数= 02324，B=00885，置信度为96 ，所以可预测拱顶下沉的最终值为M =1B=113 mln。而106 d测量得到的拱顶累计下沉量为1056 mm，为最终沉降量的935 ，可以看出此时围岩已经稳定。10 y=00885x+02324登i；L 一 。：一 二 O 2O 40 6O 8O lo0 l2O时间d图5 拱顶下沉量回归分析曲线图(2)周边收敛位移回归分析，见图6。从图6中可以得到周边收敛位移数据回归分析的拟合结果。对于测线0：系数A=1756，B=0237，置信度为97 ，所以可以预测测线n的最终收敛位移值为u：1B=423 mm。对于测线b，测线c，有关系数见图6。根据周边收敛量测数据，测线n在第36天时的累计收敛位移为3448 mm，为最终收敛位移的815 ；测线b为3556 mm，为最终收敛位移的849 ；测线c为3863 mm，为最终收敛位移的894。可以看出，周边收敛位移还会继续增加，但是增加的幅度会很小，增加的速率也会在安全范围之内。时间d图6 周边收敛位移值回归分析曲线图 (3)地表沉降回归分析，见图7。根据图7地表沉降量测数据，对最大沉降点即7号点的沉降量，利用以上方法对其进行双曲线函数回归拟合。从图7中可以得到地表沉降回归分析的拟合结果。其中系数A： 一0486，B=一0104，置信度为97 ，预测地表沉降最终值为M：=965 mm。马吉成，男，硕士研究生。gg漤魍O 5 1O 15 2O 25 3O 35 40 45时间，d图7 地表沉降回归分析曲线图而7号测点第42天的地表沉降累计值为一847mm，为最终沉降量的878 ，说明此时地表沉降已经基本稳定，只会有少量的继续增长，增长速率也能够满足安全要求。5 结论以雀儿溪隧道为例，采用双曲线函数对原始数据加载频率影响疲劳寿命和损伤的分析假定W=F( ， ,fo，N)进行了预测回归分析，从而得到了位移的最终值，为下一步围岩参数的优化反演提供了重要的反馈信息。参考文献：1姜洪涛高速公路隧道施工监测与信息反馈西南交通大学硕士学位论文，20052夏才初，潘国荣等土木工程监测技术北京：中国建筑工业出版社2001