隧道监控量测的数据处理及分析

胡先进，王　争，任梓绮

(贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州 贵阳　550001)



隧道监控量测的数据处理及分析

胡先进，王争，任梓绮

(贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州 贵阳550001)

摘要：针对隧道施工监控量测，结合实例，在简单介绍监控量测目的与方法的基础上，深入分析了量测、数据处理与分析的主要内容，旨在为类似工程提供可靠的理论基础。

关键词：隧道施工；监控量测；数据处理；数据分析

1监控量测的常用方法

本隧道风险系数相对较高，隧道断面净空、跨度大，使得监控量测的频率变大，加之施工现场条件较为恶劣，所以实施监控量测作业的难度很大。以往的监控量测方法为：使用钢尺、水准仪以及收敛计等设备仪器进行量测，这样的方法不仅操作复杂，而且还会造成施工干扰，量测的结果会受到人为因素的影响，总体监控量测质量较为低下。在长度较大的隧道中，这种传统的做法显然已经无法满足实际需求。因此，深入分析在复杂施工条件下，充分利用全站仪三角高程与对边测量，在要求的准确度范围中对围岩的变形实施非接触量测，并通过回归分析等对量测得到的数据进行分析处理，是具有很高现实意义的。与传统基于人工量测的方法相比，这种全新的量测方法不仅效率突出，且可以保持相对较高的测量精度(低于10-1mm)，满足当前隧道量测的技术要求。除此之外，合理使用数据自动记录功能，可以把量测数据传输到计算机当中，使用回归分析软件对数据进行分析和处理，生成线性图像，进而更加直观的表达量测结果。

2测点布置与频率

2.1测点布置

严格按照相关技术规程的规定，为更加准确的获得围岩开挖初始阶段的变形动态，应及时进行测点布置，所有测点需布置在开挖工作面2 m的区域中，同时确保实施爆破1 d内、下次爆破前测取初读数。测点布置与代表性隧道断面选择是开展量测工作的首要任务，根据有关规定，结合隧道地质情况，施工时应严格按照5～10 m的间距标准选择代表性隧道断面，在拱顶轴线及左右各埋设一个测点，即埋设三个拱顶下沉测点，在隧道底板上方约1 m的范围中进行周边收敛测点埋设。本隧道的测点布置情况如图1所示。

2.2量测频率

具体的量测频率需要根据工程的实际情况确定，主要参考对象为位移速度。本隧道工程的量测频率如表1所示。

表1　隧道监控量测频率

2.3量测数据采集

隧道拱顶沉降量测采取“全站仪三角高程中间法”进行，量测开始之前，首先应确定量测仪器是否进入“两差”状态。量测过程中要求“三固定”，也就是量测工作人员固定、量测仪器设备固定以及基准点固定。隧道中的净空收敛值需使用“全站仪对边测量程序”进行，可对各个测线的实际斜距进行直接测量，进而间接得出净空收敛值，为后续的数据处理工作做好准备。

3隧道监控量测数据处理与分析

3.1隧道监控量测数据处理

(1)上传并整理量测结果，根据公式算出相对位置量。

(2)绘制时间与收敛值的关系散点图。

(3)对回归曲线进行分析，找到收敛值的极限点，进而明确隧道围岩是否处在稳定的状态。目前大多使用指数、双曲线与对数对线性进行回归分析和计算，这三种函数都可以转换成相应的线性方程，以其中的指数函数向线性方程转换为例

u=Ae(-B/t)

(1)

公式(1)两边一同取对数可得

(2)

y=a-bx

(3)

公式(2)中，A，B均代表回归常数；u代表位移量，mm；t代表初读数后经历的时间，d。

对数与双曲线函数通过转换，可得到以下直线方程

(4)

(5)

3.2隧道监控量测数据分析

(1)稳定性判断

对收集到的实时数据进行分析，绘制时间与位移的关系曲线。稳定性判断的主要依据为。

①时态曲线的位移变化速率表现出明显的减小趋势，图像中的曲线逐渐平缓，说明围岩基本稳定，可以进行施工。

②时态曲线的位移速率保持不变，曲线出现直线上升，说明围岩变形情况严重，处于失稳的状态，不能进行施工。

③时态曲线的位移变化速率表现出明显的增大趋势，图像中的曲线出现反弯点，说明围岩处在失稳的状态。

④当日实际位移变化速率超出1 mm/d时，说明围岩正处在变形急剧变化的阶段。

⑤当日实际位移变化速率保持在0.2～1.0 mm/d时，说明围岩正处在变形缓慢变化的阶段。

⑥当日实际位移变化速率低于0.2 mm/d时，说明围岩已达到基本稳定状态。

(2)回归分析

以本隧道的拱顶沉降数据为例，将某断面测量的数据代入公式进行计算，在按照直线方程的基础上开始回归分析工作，进而即可得出回归常数与有关系数，如表2所示。

表2　隧道拱顶沉降回归分析

由表2可以明显看出，双曲线函数所对应的系数相比最大，分析的准确度也最高，所以可将此方程作为主要分析依据。结合回归分析结果，该断面拱顶的最终沉降量为260.16 mm，目前累计沉降为213.26 mm，约占最终沉降量的82%。由此可知，施工中选取的支护参数较为合理，隧道围岩已经趋于基本稳定。

4结束语

隧道监控量测能及时了解到围岩与初期支护在施工过程中的变形状况与稳定情况，进而可以为支护参数调整、确保施工安全与确定合理的衬砌施作时机等提供准确可靠的依据和指导。对隧道监控量测数据进行回归分析，可以预测最终沉降值和各阶段的变化速率，对掌握围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律有着十分重要的意义。因此，隧道施工过程中，必须对监控量测给予足够的重视，根据隧道的实际情况与监测需求，规范布置测点，优化数据采集，采用“全站仪三角高程中间法”等新型的监控量测方法，有序开展数据分析等工作，从而为隧道施工安全奠定良好的基础。

参考文献：

[1]密士文,龚书林. 隧道监控量测的数据处理及分析[J]. 中国西部科技,2010,(1):32-33,50.

[2]杨绍战,陈建勋,赵超志,等. 隧道监控量测数据分析处理系统的研发与应用[J]. 公路隧道,2011,(1):55-58.

[3]李秀芳,柯玉军,徐长峰,等. 公路隧道监控量测数据的回归分析及其运用[J].公路交通科技(应用技术版),2013,(1):178-182.

Data processing and analysis of tunnel monitoring measuration

HU Xian-jin, WANG Zheng, REN Zi-qi

(Guizhou Province Traffic Science Research Institute Co., Ltd., Guiyang Guizhou 550001, China)

Abstract:In view of the tunnel construction monitoring, combined with actual examples, this paper introduces purpose and method of monitoring measuration, on the basis of in-depth analysis of the measurement, data processing and analysis, aims to provide a reliable theoretical basis for similar projects.

Keywords:tunnel; monitoring; data processing

收稿日期：2015-12-22

作者简介：胡先进(1983-)，贵州思南人，工程师，研究方向：隧道检测、监控、地质超前预报。

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)04-0119-02