太中银吕梁山隧道监控量测培训资料

新建太中银铁路吕梁山隧道监控量测与信息反馈技术工作交流

中铁三局集团工程指挥部工程部宋同新2007/5/18第一页，共四十二页。感谢奋斗在一线的同志们和朋友们，愿我们携手并进，竭心尽责，同甘共苦，群策群力，共保吕梁山隧道安全、保质、如期、全优完工！

中铁三局吕梁山隧道指挥部工程部第二页，共四十二页。监控量测与信息反馈工作现状日前检查发现，监控量测工作存在以下问题：

1.标准掌握的问题；

2.记录表式不统一的问题；

3.数据处理方面的问题；

4.信息反馈、指导施工工作不力；5.资料不齐全，“原始监测资料”与“数据处理”概念混淆；记录资料不规范，涂沫现象普遍；

6.监控量测工作人员的经验与岗上学习不足,经验积累欠缺，甚至不熟悉基本的工作流程。第三页，共四十二页。监控量测与信息反馈的概念与意义由于地下工程环境的复杂性(地层岩性不一、构造不均、地下水发育程度不等、初始地应力环境因地而异、地下工程埋深不一）和施工等人为因素影响大（施工方法不同、施工水平各异、施工速度有快慢、施工组织良莠不齐)等原因，在设计过程中，很难用一个简单的地质模型和力学模型来进行描述，尽管事先的调查和试验做得极尽细致，建筑物的实际受力、变形状态和设计阶段按力学模型所预计的总不一致，由此导致无法确认所设计的支护结构与施工流程的安全性和经济性。为确保工程的安全可靠和经济合理，就必须在施工阶段实施监测，及时收集由于隧道开挖在围岩和支护结构中产生的位移与应力变化信息（所谓“监测”），并根据一定标准判断是否需要修改预先设计的支护结构和施工流程，即所谓的信息反馈。统称为“监控量测”。第四页，共四十二页。新建太中银铁路吕梁山隧道加大监控量测工作力度的必要性和重要性吕梁山隧道为特长铁路隧道，根据围岩情况发生大变形、掌子面突出、大坍方（尤其可怕的是滞后的坍方堵洞情况）甚至冒顶均有可能，岩爆已经在DK132+966附近段落发生。而相应于这些地质灾害，我们的监控工作较为滞后，而且由此导致的严重影响施工决策的问题已经出现，如因监测工作不到位，造成台车进场决策、衬砌工作决策、以及其它施工组织决策无以寄托，以某管段初支为例，因没有量测资料或量测工作严重滞后且不规范，导致在支护参数上毫无底数，按设计施工恐不安全，而加大断面，加强支护，施工成本又无端增大，而且即便如此，也无法做到心中无数。施工监测工作的重要性和必要性而易见，施工监测形同虚设问题的解决刻不容缓。第五页，共四十二页。监测与信息反馈

主要目的、原则和工作重点目的：修改设计和进行施工管理，保证隧道工程的安全性和经济性。与一般的工程测试相比，隧道工程中的施工监测具有特殊的意义。原则：求是、及时、服务现场和设计。监控量测的工作重点

1.量测计划制定;

2.测点埋设与保护；

3.现场实录（现场一手资料或称原始资料）；

4.回归分析；

5.注重分析与总结，理论与实践结合；

6.重在日常管理,也即坚持监测管理规范化、施工监测日常化、数据处理目标化、预测结果功用化;

7.为技术管理、工序管理、资源配置与施工组织提具指导性意见；为隧道施工、围岩加固等提出理论上和经验上的建议;

8.正确处理施工与监测的关系,将监测纳入到施工工序管理当中去。第六页，共四十二页。监测工作的必要知识准备监控量测工作涉及到诸多学科的知识，即：1.隧道基本设计方法、设计流程2.地质模型、数学力学模型3.隧道设计、施工与监测三者间的关系4.地质构造学、工程地质与水文工程地质学知识

5.地下工程岩体力学知识和土力学知识

6.数据处理方法（数学工具）——回归分析方法

7.判据、预测、控制（管理级别设置）

8.反分析（一般用数值方法，本项目可偿试实施）

9.《规范》条款规定

第七页，共四十二页。隧道工程理论设计流程隧道工程的设计流程涉及到五个方面的问题即:⑴围岩的初始应力状态,或称一次应力状态;⑵开挖隧道后围岩的二次应力状态和位移场;⑶判断围岩二次应力状态和位移场是否符合稳定性条件即围岩稳定性准则，一般写成：

式中的R1、R2是根据围岩的物理力学特性所确定的某些特定指标。⑷设置支护结构后围岩的应力状态，亦称围岩的三次应力状态和位移场，以及支护结构的内力和位移

⑸判断支护结构安全性，即安全度准则，一般写成：

式中的K1、K2是支护结构材料的物理力学参数第八页，共四十二页。隧道结构体系的计算模型常用的计算模型

目前，设计隧道结构体系时，有两类主要的计算模型

1.传统的结构力学模型：以支护结构作承载主体，围岩对支护结构的变形起约束作用。这种模型将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。亦称“荷载结构模型”

2.现代岩体力学模型：将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为复合整体模型。与传统力学模型相反，围岩是承载主体，支护结构只是用来约束和限制围岩的变形。计算模型中存在的问题（围岩力学参数选取方面和支护材料参数受施工方法、施工质量、环境条件影响）以及模型的选取的合理性问题客观上决定了目前的理论计算和分析（包括各种设计软件）只能作为参考而无法作为设计依据；由此导致以围岩类别或级别为基础的经验类比设计方法为主导设计方法。第九页，共四十二页。支护需求与支护补给第十页，共四十二页。设计、施工与监测三者关系（1）设计流程包括了开挖、支护、直到形成稳定的隧道结构体系所经历的力学过程（含判据）。这一流程充分表明施工过程（开挖、支护）对隧道结构体系终极状态的应力和位移影响极大。钻爆开挖与非爆破开挖方法（如机掘方法）所形成的二次应力场，尤其是位移场极不相同。前者大，后者小，在前者需要支护的情况下，而后者就不一定需要。隧道设计是基于一定的施工方法上的，而不可能孤立设计。第十一页，共四十二页。设计、施工与监测三者关系（2）地下工程中，监测与信息反馈以及反演是随着新奥法原理的引入而引入的。这种以施工监测、理论分析、经验判断相结合，调查、设计、施工相交叉的设计、施工流程是非常符合隧道工程特点的。“监测与反馈”也即所谓的“信息化设计”和“信息化施工”，这一过程可归纳为：在初步地质调查和室内岩石力学试验的基础上，通过理论分析或工程类比对支护结构和施工决策做出预设计。然后，在施工中对围岩和支护结构的力学状态的变化进行监测，并将所量测到的能反映隧道结构体系力学状态的物理量（如洞壁某测点位移值、或某一基线上的净空变化值）加以综合处理。最后根据必要的基准值直接利用经过处理的监测信息来判断隧道结构体系的可靠性（如）也可以通过反演技术，根据监测信息反推出表征围岩性态及其地质环境的初始参数，然后再将它输入模型中重新进行理论分析，并根据新的计算结果及时调整和确定支护结构的参数和施工决策。由引可见，监控量测与信息反馈技术在设计与施工间搭起了桥梁，在一定程度上，处于核心地位。第十二页，共四十二页。地质构造学、工程地质与水文工程地质学知识地质构造学以及工程地质与水文工程地质学知识主要是用来从地学角度完成监控量测必测项目中的掌子面岩土体观察（岩性、构造裂隙、地下水发育情况、掌子面稳定性估判）以及对掌子面前方几十米岩土体及地下水的预计，从而在修正监测计划，以保证监测布置的合理性。另外，亦可根据经验，对同类岩土体地层情况下，给予大变形、岩爆、坍塌及坍塌部位等经验性判断。第十三页，共四十二页。岩体力学知识和土力学知识（1）1.对于浅埋隧道，如土质隧道，对于地表监测点的布置范围的确定依据土力学公式：2.对于黄土隧道，了解黄土的壁立性（直立性）特点，以及在下穿高速公路情况下，不稳定或危险范围。3.隧底底鼓的可能性计算其中，D为开挖影响范围B为隧道开挖高度h为隧道开挖高度φ为围岩内摩擦角第十四页，共四十二页。岩体力学知识和土力学知识（2）对于岩土质隧道不同开挖断面围岩内的二次应力分布特点（见下图）第十五页，共四十二页。岩体力学知识和土力学知识（2）continued第十六页，共四十二页。岩体力学知识和土力学知识（2）continued第十七页，共四十二页。岩体力学知识和土力学知识（3）用于对监测数据回归处理后的分析，分析变形或位移的原因，并在一定程度上反证或旁证监测数据或处理结果的可靠性。这种方法对于明显的错误有效。岩体力学知识和土力学知识，有助于《规范》对相关施工监测要求的理解：如《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108-2002J159-2002）第6.2.7条款规定”……当地质条件复杂,下沉量大或偏压明显时,除量测拱顶下沉外,尚应量测拱腰下沉及基底隆起量.”那么,为何在下沉量大时或偏压明显时,需量测拱腰及基底隆起量呢?如果大家没有些许岩土力学知识对这句话是难以理解的,如果理解不了,又谈何规范监测呢?不知道为何监测,为何监测这些项目或增加某些监测点的意义的话,那么,我们工作的兴趣和工作的主动性又从何而来呢?第十八页，共四十二页。相关《规范》条款回顾相关规范1.《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214-2005）

2.《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108-2002J159/2002）

3.《铁路隧道施工技术规范》（）4.《规范》条款主要内容⑴监控量测计划与内容⑵监控量测作业⑶监控量测资料的整理与反馈

《规范》已明确规定了监测人员的工作内容，工作要求，工作思路和工作方法。关键在于学习、领会与执行！

第十九页，共四十二页。数据处理方法（数学工具）——回归分析方法及其步骤

量测数据处理（信息加工）的目的是：判断实测值的可靠性，找出所测数据之间的相互关系，判定围岩和支护系统的稳定状态。下面仅说一下“找所测数据间的相互关系”的数学处理方法，至于目的的第一方面，就目前的状况，我们难以达到。

回归分析方法是一种数学工具,属概率统计学范畴。实际工作中，常使用的回归分析主要有：一元线性回归分析、多元线性回归分析、一元非线性回归分析、多元非线性回归分析等。注意所谓一元或多元是针对自变量来讲的。

时态曲线—回归分析—位移时间经验公式回归分析步骤：⑴在以时间为横坐标、位移为纵坐标的坐标系中，标出由量测值确定的各对应的实测点，即得所谓的散点图；⑵根据实测点描绘出光滑的实验曲线。一般不可能通过所有的实测点，但应注意使曲线尽量接近所有实测点，并使实测点分布在实验曲线的两边；⑶根据所描绘的试验曲线形状选择回归函数。

第二十页，共四十二页。回归分析方法可选择的函数：一般情况下有双曲函数、指数函数和对数函数等予以拟合，但根据上述回归分析步骤可知，不一定仅限于上述这几种函数，不应教条、死板套用。第二十一页，共四十二页。数据处理方法（数学工具）——回归分析方法（continued）据实践经验，在地下工程施工监测中，涉及到最多的是一元线性回归分析（一般围岩的变形等为非线性变化，但通常情况下，可通过将非线性方程转化为线性方程来解决，从而由非线性回归转换为线性回归分析。举例：监测中常用到的双曲线回归方程y=a+b/x在计算截距a和回归系数b时，可分别设y’=yx’=1/x,这样,函数y=a+b/x便可转换为y’=a+bx’,如此,双曲函数变为线性方程,利用最小二乘法,计算截距a和回归系数b,从而最终得到回归方程）。ab的计算公式如下（注，这儿仅限于一元线性回归）：第二十二页，共四十二页。数据处理方法（数学工具）——回归分析方法（continued）第二十三页，共四十二页。数据处理方法（数学工具）——回归分析方法（continued）上式给出的公式，可用来手工并辅以EXECEL电子表格计算回归方程。建议监测技术人员，在搞清楚回归计算方法的前提下，尽量手工计算，而不应依赖所谓的“软件”，只求结果，不问过程，知其然而不知其所以然，即便是出了错误,大家还不知道错在什么地方,到底出了错没有，甚至根本就没这个方面的概念或知识储备。这也是目前我们监控量测工作多花样多的症结所在。第二十四页，共四十二页。回归函数精度与线性相关关系判定回归精度问题：至于精度有无标准问题，目前只能说精度越高越好。回归精度是在得出回归函数后得出的，由此，我们可以利用不同回归结果，对比其精度，尔后，择取相对高精度的回归函数，做为我们的首选函数。回归精度计算公式：式中xt和yt分别为时间和累积位移实测值，a为回归系数b为截距。仅凭该式判定回归精度问题值得商榷。

第二十五页，共四十二页。回归函数精度与线性相关关系判定上式仅从定性上说明了回归函数的精度程度，看起来无偏估计S2越小，精度越高。但是，经回归得出的回归函数（亦称经验公式）是否真的有近似的线性关系？这个问题尚未判定。在检查过程中我们发现，采用何种回归函数拟合的随意性大到没有任何理由的程度：从散点图分布图形上看明显是个双曲函数（或指数函数或对数函数）图样，却采用了线性函数（y=ax+b）拟合。由此，也看出对于回归函数拟合过程中，缺少了很重要的一个环节，即线性相关关系的判定环节。第二十六页，共四十二页。回归函数精度与线性相关关系判定线性相关关系判定（相关性检验）一般程序：先提出如下假设检验问题：假设H0：b=0

如果由一组具体的样本（x1,y1）（x2,y2）……（xn,yn）,否定了H0，也即判定b≠0，(基于基本假定)也即判定x与y间有线性相关关系。那么，什么情形下，否定H0呢？数学上可以证明，在假设H0成立时，公式

提供的统计量服从自由度1，n-2的F分布（而且，b离开0越远，即b的绝对值越大，F总的说来越大）1.计算UQ,从而根据公式计算F;2.对于给定的检验标准α,查自由度为1,n-2的F分布的临界值表,得临界值λ:p(F>λ)=α3.比较(算得的)F值与(查得的)λ的大小,如F>λ,则否定假设”H0:b=0”,即认为x与y间具有线性相关关系;否则,假设H0是相容的,即没有理由认为x与y间存在线性相关关系。第二十七页，共四十二页。回归函数精度与线性相关关系判定第二十八页，共四十二页。线性相关关系判定具体计算步骤第二十九页，共四十二页。F分布临界值表第三十页，共四十二页。F分布临界值表第三十一页，共四十二页。F分布临界值表第三十二页，共四十二页。信息反馈—预测与控制(continued)对应拟合函数的一阶导数(位移速度)和二阶导数(位移加速度)计算公式注下式中u:为变形值;b为回归系数;对于一元线性回归函数a为截距值;t0:测点初读数时距开挖时的时间(d或h);T:量测时距开挖时的时间(d或h).第三十三页，共四十二页。第三十四页，共四十二页。预报(测)根据回归函数(已确认其回归精度:证明x,y间有显著或高度显著的线性关系)可以预测:1.当t→∞时,U∞值,也即预测最终位移值;2.du/dt(位移速度)3.d2u/dt2

(位移加速度)以上三个指标,地下工程施工监测中用以判断稳定性的重