高速铁路隧道浅埋段稳定性分析

张贤才，姚响宇

（湖南科技大学 土木工程学院，湘潭411201）

0 引 言

云桂铁路起于广西南宁市，止于云南省昆明市的昆明南站，全长715.8km.董弄隧道位于广南县，地处剥蚀、侵蚀中低山地貌，地形起伏较大，地面高程1220～1305m，地面植被较发育，覆盖土层较薄，基岩零星出露.隧道洞身及洞口地段沟槽低洼地带横向冲沟发育，节理裂隙发育岩体破碎.

本文主要对董弄隧道监控断面（DK415＋175）所测得的周边收敛和拱顶沉降数据并对其进行回归分析，从而来判断围岩的稳定性并提出一些处理措施，为施工提供理论依据，确保施工安全.

1 监控量测方法

1.1 监控量测点布置

每监测断面设置4～6对测线，测桩分别布置在拱顶及两侧.如图1所示.

图1 监控量测点布置图

1.2 监控频率

根据距工作面距离及位移速率，综合考虑现场的围岩情况确定监控频率，如表1所示.

表1 监控量测频率

1.3 测量仪器

XGJ－21型隧道位移计、变位观测计，钢尺，水平仪，标杆等仪器等.

1.4 测量方法

周边收敛测量：董弄隧道平均每30m设置一个监控量测断面，每个断面分别在侧墙和拱顶设置测点，利用收敛计，采用一根在重锤作用下被拉紧的普通钢尺作为传递位移的媒介，通过百分表测读隧道周边某两点相对位置的变化.

拱顶沉降测量：董弄隧道平均每30m设置一个监测断面，在隧道拱顶设置测点，安设隧道拱部变位观测计，将钢尺或收敛计挂在作为隧道拱部变位观测计上作为标尺，后视点可设在稳定的部位，用水平仪观测.

2 数据分析处理方法

（1）根据观测数据绘制周边累计位移－时间、拱顶累计沉降—时间关系曲线，并初步判定围岩是否趋于稳定或出现异常情况.

（2）目前用于监控量测数据回归分析的主要方法有：指数回归法、对数回归法和双曲线回归法.三种回归方法：

（a）指数函数：

对（1）式求导：

将（2）转化为直线函数：

极限公式

（b）对数函数：

对（5）求导：

将（6）转化为直线函数：

极限公式

（c）双曲函数

对（9）求导：

将（10）转化为直线函数

极限公式

以上式中：A、B 为回归常数；u为位移值（mm）；t为初读数后的时间（d）

3 数据分析

3.1 实测数据

通过对董弄隧道施工过程中实施监控量测得出了断面（DK415＋175）周边位移、拱顶沉降数据，如表2所示，根据表2数据绘制出周边累计位移—时间、拱顶累计沉降—时间变化曲线，如图2所示.

表2 董弄隧道（DK415＋175）周边位移和拱顶沉降的量测数据表

46 18.9 21.2 105 27.9 33.5 47 19.2 21.5 106 27.9 33.5 48 19.3 21.7 107 28.0 33.6 49 19.3 21.9 108 28.0 33.6 50 19.5 22.2 109 28.0 33.7 51 19.6 22.5 110 28.0 33.7 52 19.7 22.6 111 27.9 33.5 53 19.7 22.6 112 27.9 33.5 54 20.1 23.0 113 27.9 33.5 55 21.3 23.1 114 27.9 33.5 56 21.3 23.1 115 27.9 33.5 57 21.3 23.1 116 27.9 33.5 58 21.3 23.1 117 27.9 33.5 59 21.3 23.1

3.2 数据回归分析

3.2.1 周边位移分析

将上表周边位移数据分别代入三种曲线函数方程中，经过计算得出三种曲线方程：

指数函数：u＝28.28·e－0.258／t

相关系数r＝0.9821

对数函数：u＝29.44－1.7922／lg（1＋t）

相关系数r＝－0.9770

相关系数r＝0.9812

可以发现由指数函数得出的相关系数最接近1，其回归精度较高，故选用该方程来代表周边位移情况.

董弄隧道DK415＋175断面监控获得的周边收敛总累计沉降变化曲线如图2所示.由于该段属地表浅埋段，所以在施做下台阶和仰拱等施工阶段出现了较大变形，如果把全部数据进行拟合得到的拟合曲线不真实，所以就采用开挖仰拱后的数据进行拟合分析.经过计算对比，选取指数函数能较好地拟合该断面在开挖仰拱后的实测曲线，如图3所示.所拟合得到的相关系数为0.9821，拟合良好，偏差较小.拟合回归出的指数函数为U＝28.28＊exp（－0.258／t），由该回归函数计算知，该主断面上最终累计下沉值将达到28.50mm，在安全范围之内.

图3 DK415＋175断面周边收敛回归曲线图

3.2.2 拱顶沉降分析

将上表拱顶沉降数据分别代入三种曲线函数方程中，经过计算得出三种曲线方程：

指数函数：u＝34.02·e－0.258／t

相关系数r＝0.9585

对数函数：u＝35.88－2.8780／lg（1＋t）

相关系数r＝－0.9599

相关系数r＝0.9539

可以发现由指数函数得出的相关系数最接近1，其回归精度较高，故选用该方程来代表拱顶沉降情况.

董弄隧道DK415＋175断面监控获得的拱顶总累计沉降变化曲线如图2所示.由于该段属地表浅埋段，所以在做下台阶和仰拱等施工阶段出现了较大变形，如果把全部数据进行拟合得到的拟合曲线不真实，所以就采用开挖仰拱后的数据进行拟合分析.经过计算对比，选取指数函数能较好地拟合该断面在开挖仰拱后的实测曲线，如图4所示.所拟合得到的相关系数为0.9585，拟合良好，偏差较小.拟合回归出的指数函数为U＝34.02＊exp（－0.258／t），由该回归函数计算知，该主断面上最终累计下沉值将达到34.83mm，在安全范围之内.

图4 DK415＋175断面拱顶回归分析曲线图

4 结论及处理措施

从周边累计位移、拱顶累计沉降数据变化曲线图（图2）得出结论：周边累计位移——时间、拱顶累计沉降——时间变化稳定曲线分为两段，第一段在上台阶施工后已稳定，第二段在下台阶和仰拱开挖施工时，围岩再次出现较大的变形，最后逐渐趋于稳定.根据实测数据曲线图将采取分段数据回归分析方法，本文主要采取第二段的数据进行回归稳定性分析，从而得出了比较满意的结果.

针对上述分析结果，我们建议采取下列措施进行处理：

（1）根据施工设计图纸要求，加强围岩的勘探，分析围岩性质，采取相应的施工方法，减小对围岩的扰动，施工时加强围岩支护，保证施工安全.

（2）下边墙开挖时，严格控制边墙一次性开挖长度，加大监测频率，确保围岩变形在控制范围之内.

（3）仰拱开挖时，通过改善施工质量及工序来控制，适当增加锁脚锚杆的数量及严格控制其安装质量，仰拱开挖测量合格后立即浇筑仰拱混凝土.

（4）当围岩位移出现变形——稳定——变形时，应立即制定处理方案，加强支护手段或立即实施二衬，必要时停止开挖，监控围岩变形直至围岩稳定以确保施工安全.

［1］ 陈秋南.隧道工程［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 孙 钧，侯学渊.地下结构［M］.北京：科学出版社，1991.

［3］ 陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报［M］.北京：测绘出版社，1997.

［4］ TB10003－2005，铁路隧道设计规范［S］.

［5］ 徐世强，屈战辉.隧道监控量测相关标准［J］.筑路机械与施工机械化，2011，（1）：66－69.