肖堯,劉士洋

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)

隧道監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)

肖堯,劉士洋

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,重慶400074)

新奧法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)隧道工程的施工,其要素分別為噴混凝土、錨桿和監(jiān)控量測(cè).作為新奧法三要素之一,監(jiān)控量測(cè)在隧道施工中發(fā)揮著重要作用.結(jié)合某隧道監(jiān)控量測(cè)工程,從監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)出發(fā),系統(tǒng)論述了隧道監(jiān)控量測(cè)的目的、方案制定原則、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇、監(jiān)測(cè)間距和頻率、數(shù)據(jù)分析處理和信息反饋.在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析了隧道監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇和數(shù)據(jù)分析中現(xiàn)有預(yù)測(cè)方法.

監(jiān)控量測(cè);隧道監(jiān)測(cè);監(jiān)測(cè)項(xiàng)目;預(yù)測(cè)方法

1934年L.V拉布采維茨首次將噴漿方法用于地下結(jié)構(gòu)工程,經(jīng)過(guò)近30年理論與實(shí)踐的結(jié)合,最終于1963年正式將其所提出的施工方法命名為新奧地利隧道施工法,簡(jiǎn)稱新奧法.伴隨著新奧法逐漸應(yīng)用于隧道施工,該施工法三要素被總結(jié)為噴混凝土、錨桿和監(jiān)控量測(cè).

隧道處于地下,周邊圍巖非均質(zhì)、各向異性的特性以及施工過(guò)程中各種人為因素的共同影響,使施工前的科學(xué)研究分析無(wú)法準(zhǔn)確吻合實(shí)際施工后的狀態(tài).因此,必須借助相關(guān)儀器設(shè)備,通過(guò)隧道監(jiān)控量測(cè)及時(shí)分析監(jiān)測(cè)結(jié)果,實(shí)時(shí)指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)、施工[1].由此可見(jiàn),監(jiān)控量測(cè)作為新奧法其中一要素,對(duì)隧道的設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)作用,同時(shí)也對(duì)施工安全具有重要的保障作用.其方案的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系著監(jiān)控量測(cè)工作的效率,也影響著監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,因此有必要對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,從而更好的指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工,保障施工過(guò)程的安全.

1 工程概況及制案原則

某隧道跨度9 m,高度7 m,全長(zhǎng)182 m,其中III級(jí)圍巖135m,IV級(jí)圍巖47m,最大埋深56m,洞口兩端為淺埋.隧區(qū)屬丘陵地貌,海拔426m,穿越突出山脊.隧址內(nèi)上覆第四系坡殘積層粉質(zhì)粘土,下覆基巖為侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組泥巖夾砂巖,巖層層理清晰.測(cè)區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育,地下水有松散巖土類(lèi)孔隙潛水、碎屑巖類(lèi)裂隙水.

1.1 監(jiān)控量測(cè)的目的

監(jiān)控量測(cè)方案的設(shè)計(jì)首先應(yīng)明確其目的,這樣才能有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案.概括而言,監(jiān)控量測(cè)的目的即指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)、施工,保障施工安全.具體而言包括施工安全、優(yōu)化施工順序和科學(xué)研究三方面.該隧道監(jiān)控量測(cè)目的為:監(jiān)控量測(cè)隧道圍巖的變形,通過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析,指導(dǎo)、優(yōu)化隧道的施工方案并判別二次襯砌的施作時(shí)機(jī).另外積累監(jiān)測(cè)資料,為其他工程提供借鑒[2].

1.2方案制定原則

隧道工程所處地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的不同決定了隧道監(jiān)測(cè)重點(diǎn)的不同,對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)控部位需進(jìn)行精細(xì)的監(jiān)測(cè).另外隧道工程涉及面廣,若每項(xiàng)都進(jìn)行監(jiān)測(cè),不僅增加了監(jiān)測(cè)人力、物力,還影響隧道的正常施工,造成整個(gè)工程造價(jià)的增加.總之,隧道監(jiān)控量測(cè)方案制定原則可概括為"難點(diǎn)重點(diǎn)突出、普測(cè)精測(cè)結(jié)合、必測(cè)選測(cè)搭配"[3].基于該隧道埋深較淺,監(jiān)控量測(cè)方案制定中應(yīng)重點(diǎn)突出地表下沉的監(jiān)測(cè).

2 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目分為必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目.

2.1 必測(cè)項(xiàng)目

必測(cè)項(xiàng)目是在復(fù)合式襯砌和噴錨襯砌隧道施工中必須進(jìn)行量測(cè)的項(xiàng)目,包括洞內(nèi)、外觀察,周邊位移、拱頂下沉和地表下沉,其中地表下沉僅限隧道洞口段和淺埋段(隧道埋深≤2倍隧道開(kāi)挖寬度條件下)為必測(cè)項(xiàng)目[4].

洞內(nèi)、外觀察:設(shè)計(jì)人員根據(jù)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行隧道設(shè)計(jì),而地質(zhì)勘察過(guò)程中只能通過(guò)調(diào)繪、物探、坑探、槽探、鉆探等方法和手段對(duì)隧道所穿過(guò)的地質(zhì)情況初步了解[5],其具體情況不一定與勘察地質(zhì)報(bào)告相吻合.因此,必須在隧道開(kāi)挖后通過(guò)洞內(nèi)、外的觀察,判別真實(shí)地質(zhì)情況與地質(zhì)報(bào)告所述是否吻合,是否需對(duì)先前相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、修改.

周邊位移和拱頂下沉:該量測(cè)是為監(jiān)控隧道圍巖的變形,防止其過(guò)度變形甚至失穩(wěn),釀成安全事故.同時(shí)也能根據(jù)變形的大小對(duì)施工方法的合理性、支護(hù)效果等進(jìn)行評(píng)價(jià),有利于隧道的設(shè)計(jì)、施工[1].

地表下沉:隧道洞口段圍巖大多較為破碎,隧道開(kāi)挖對(duì)其擾動(dòng)大.另外當(dāng)隧道開(kāi)挖經(jīng)過(guò)隧道埋深≤2倍隧道開(kāi)挖寬度淺埋段時(shí),隧道開(kāi)挖影響范圍將波及地表面建筑物,因此有必要通過(guò)對(duì)地表下沉的量測(cè)防止地表出現(xiàn)有害下沉甚至冒頂,危及地表建筑物[1].

2.2 選測(cè)項(xiàng)目

選測(cè)項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)情況、埋深、支護(hù)措施、周邊鄰近物等因素綜合選擇[4],包括鋼架內(nèi)力及外力、支護(hù)襯砌內(nèi)應(yīng)力、圍巖體內(nèi)位移(洞內(nèi)設(shè)點(diǎn))、圍巖壓力等11項(xiàng).筆者僅對(duì)鋼架內(nèi)力及外力和圍巖壓力兩項(xiàng)做粗略介紹.

鋼架內(nèi)力及外力:鋼架由于其強(qiáng)度高、剛度大被用于地質(zhì)較差地段支護(hù).往往支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)要么太小,支撐不住周邊圍巖,要么太大,造成浪費(fèi).為合理確定鋼架支護(hù)參數(shù),可進(jìn)行鋼架內(nèi)力及外力的量測(cè),同時(shí)也為以后設(shè)計(jì)提供參考.

圍巖壓力:通過(guò)對(duì)圍巖壓力的量測(cè),可以對(duì)圍巖狀況進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià),判斷施工作業(yè)的正確性以及是否需要加強(qiáng)支護(hù)等[6].

從該隧道監(jiān)控量測(cè)工程的目的出發(fā),結(jié)合方案的制定原則,依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60-2009)和《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB10121-2007),綜合抉擇,該隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括:洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、錨桿內(nèi)力和圍巖壓力量測(cè).

3 數(shù)據(jù)分析處理

結(jié)合該隧道工程特點(diǎn),依據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)程,該隧道監(jiān)控量測(cè)工程監(jiān)測(cè)間距和頻率如表1所示.

表1 監(jiān)測(cè)間距、頻率表

結(jié)合隧道工程特點(diǎn),通過(guò)對(duì)必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目的量測(cè)將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù).由于偶然誤差等因素,數(shù)據(jù)具有一定的離散性和波動(dòng)性[7],因此需對(duì)其進(jìn)行分析處理.分析處理過(guò)程,首先,應(yīng)將具有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)去掉,若該數(shù)據(jù)重要或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)太多導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行分析,則需考慮補(bǔ)測(cè);然后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填表制圖、誤差處理等計(jì)算;最后,分析整理后的數(shù)據(jù),分析的目的主要是抓住相關(guān)參數(shù)與時(shí)間之間的變化規(guī)律,從而對(duì)所測(cè)項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行預(yù)測(cè),判斷設(shè)計(jì)、施工的合理性,提防潛在危險(xiǎn),并對(duì)其預(yù)警.目前的預(yù)測(cè)方法主要有動(dòng)態(tài)方程法、時(shí)間序列法、灰色模型法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法四種[8].

3.1 動(dòng)態(tài)方程法

動(dòng)態(tài)方程法也稱為回歸分析法,是目前最主要采用的數(shù)據(jù)分析處理法.它從自變量和因變量一組數(shù)據(jù)出發(fā),尋找一種函數(shù)模型,盡量將所測(cè)數(shù)據(jù)囊括其中并減小誤差.該方法常用函數(shù)模型有對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)三種模型.隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展,有理函數(shù)模型等復(fù)雜模型也得到應(yīng)用.包太等人采用上述4種模型對(duì)某隧道量測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比得出有理函數(shù)模型預(yù)測(cè)效果最佳[9].

3.2 時(shí)間序列法

該法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,探求量測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,根據(jù)其歷史演變規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)演變規(guī)律和趨勢(shì).相比其他預(yù)測(cè)方法而言,該法顯得更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確[8].

3.3 灰色模型法

灰色系統(tǒng)理論在1982年由我國(guó)鄧聚龍教授提出.它能在數(shù)據(jù)信息不充分的條件下,建立用于系統(tǒng)未來(lái)行為預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型.隨著在隧道監(jiān)控量測(cè)實(shí)際運(yùn)用中的不斷優(yōu)化改進(jìn),該預(yù)測(cè)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中已獲得較高精度[7].

3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法

20世紀(jì)80年代,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步.它借鑒了人體信息傳輸系統(tǒng)學(xué),具有在復(fù)雜條件下較好的建模能力和良好的數(shù)據(jù)擬合能力.李元松等人在溪洛渡電站4#公路隧道監(jiān)測(cè)中,通過(guò)對(duì)比動(dòng)態(tài)方程法、灰色模型法和有限單元法預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn):神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)效果最佳[10].王國(guó)欣等人在重慶紅旗河溝地下車(chē)站監(jiān)測(cè)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法得到較好的效果[11].

考慮到數(shù)據(jù)分析處理的復(fù)雜程度,該隧道監(jiān)控量測(cè)工程采用目前廣泛使用的動(dòng)態(tài)方程法,利用origin軟件對(duì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析.

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)動(dòng)態(tài)方程法對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,并參考有關(guān)規(guī)范值,該隧道監(jiān)控量測(cè)工程對(duì)隧道施工進(jìn)行了實(shí)時(shí)分析和階段分析,對(duì)工程安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià),指導(dǎo)了隧道二襯施作時(shí)機(jī)的選擇以及優(yōu)化了施工方案.

隧道監(jiān)控量測(cè)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際等因素,綜合抉擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,確保監(jiān)測(cè)項(xiàng)目能夠用于指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)、施工,減少對(duì)正常施工的影響.在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面建議采用多種方法綜合對(duì)比分析,有利于提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性.

[1]甘騰飛.雙線鐵路隧道信息化施工技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2012.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10121-2007鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2007.

[3]萬(wàn)利.高速公路隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2006.

[4]中華人民共和國(guó)交通部.JTG F60-2009公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2009.

[5]王成.隧道工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

[6]姜洪濤.高速公路隧道施工監(jiān)測(cè)與信息反饋[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

[7]鄒盛國(guó),章克凌,彭少培,等.灰色系統(tǒng)在隧道監(jiān)控量測(cè)中的應(yīng)用[J].人民長(zhǎng)江,2012,43(S1):62-64.

[8]江濤.山區(qū)軟巖大跨度隧道變形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)及其工程應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007.

[9]包太,言志信,劉新榮.有理函數(shù)在隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析中的應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(5):1029-1032.

[10]李元松,李新平,張成良.基于BP網(wǎng)絡(luò)的隧道圍巖位移預(yù)測(cè)方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S1):2969-2973.

[11]王國(guó)欣,馬榮全,肖龍鴿.特大斷面超淺埋隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)分析[EB/OL].(2013-5-30)[2014-2-25].http://cpfd.cnki.com. cn/Article/CPFDTOTAL-SGJS201305001040.htm Scheme design formonitoringmeasurementof tunnel.

On the scheme design for monitoringmeasurement of tunnel

XIAO Yao,LIU Shi-yang
(School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

After decades of development,New Austrian Method has been widely applied in tunneling engineering in the world.It has three elements,shotcrete,bolt and monitoring measurement.Monitoring measurement as one of the three elements,it can be seen as the importance of monitoring measurement in tunnel construction.This paper takesmonitoring measurement system as a starting point,discusses the purpose of monitoring measurement,the principle of scheme,monitoring measurement projects selection,monitoring interval and frequency,data analyzing and processing,and information feedback.On this basis,it emphatically analyzesmonitoring measurement projects selection and the existing prediction methods of data analyzing and processing,and expects to provide some references.

monitoringmeasurement;tunnelmonitoring;monitoring project;predictionmethod

U459

:A

:1007-5348(2014)06-0047-04

(責(zé)任編輯:李婉)

2014-03-20

重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ120402).

肖堯(1990-),男,重慶梁平人,重慶交通大學(xué)碩士研究生,主要從事隧道及地下工程設(shè)計(jì)理論方面的研究.