基于施工监测数据及数值回归的山岭隧道围岩稳定性分析

田庆， 李官群

(1.保靖县农村交通建设技术咨询服务站， 湖南 保靖 416000；2.保靖县交通运输局， 湖南 保靖 416000)

山岭隧道最常见的施工方法是新奥法，其主要思想是充分发挥围岩的自稳能力，开挖后进行打锚杆和喷射砼，使其有机结合形成初期支护约束围岩变形，同时在相应位置布置观测点进行施工监测，为安全施工提供依据。文献[1]通过线性回归分析了围岩的变化情况，得出前7 d为围岩变形增长速度较快的阶段，围岩整个变形周期为20多 d。文献[2]通过对监控数据的线性回归分析，得到采用三次多项式对周边围岩与时间的关系、拱顶下沉与时间的关系有着较好的拟合性。文献[3-5]对隧道监控量测进行研究，积累了大量数据处理方法，可为不同地质情况提供围岩稳定性分析方法。该文以湖南G209、S318保靖龙溪至迁陵公路上屋场坪隧道为工程背景，对施工监测数据进行数值回归分析，分析围岩变形规律。

1 工程概况

屋场坪隧道起讫里程为K10+655—K11+473，全长818 m，设计标高为297.15～273.43 m。全线位于直线段，路拱横坡为1.5%，纵断面(进口至出口方向)均为-2.9%下坡。隧道区属于侵蚀剥蚀丘陵地貌，隧道穿越一个丘陵体，该丘陵体地面标高为296.23～494.21 m，相对高差197.98 m。隧道最大埋深约208.66 m。

2 监控量测方法

根据JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》，隧道施工中的必测项目有洞内外观察、周边位移、拱顶下沉和地表下沉。洞内观察主要是在掌子面开挖过程中，结合工程地质资料对掌子面前方和开挖面初期支护周围的掌子面岩性、岩体结构、有无不良地质构造及地下水发育等进行观察，确保施工安全性。地表下沉主要是在进、出口段进行加强量测的项目，该隧道的观察点设置在K10+990，距离进口有335 m，地表沉降影响特别小，故对地表下沉不进行详细分析，主要分析周边位移、拱顶下沉情况，监测断面布置见表1。

表1 周边位移、拱顶下沉监测断面布置间距 m

2.1 周边围岩收敛监测

预埋挂钩，喷完砼后，采用JSS30A型数显式收敛计测量周边围岩位移。为消除钢尺松紧程度所带来的测量读数误差，在其竖向指标指到第3条格时开始读数，每次读数进行3次，分别为第3条格微左、中、微右，取3次读数的平均值作为测量结果。按下式对周边位移测量数据进行温度修正，得到实际水平收敛值：

u=ui+αL(tw-t0)

(1)

式中：u为实际收敛值；ui为收敛计读数平均值；α为收敛计系统温度线胀系数；L为基线长；tw、t0分别为收敛计观测时、标定时环境温度。

2.2 拱顶下沉监测

采用精密水准仪进行拱顶下沉监测。在洞内找一个永久点并确定其坐标，把5 m长塔尺挂到预埋的挂钩上进行测量。按下式计算拱顶标高：

h=Oz+h1+(H-h2)

(2)

式中：h为实测拱顶标高；Oz为后视点z坐标；h1为后视点读数；H为塔尺总长度；h2为前视点读数。

3 施工监控数据及回归分析

3.1 现场施工监控数据

主要对Ⅴ级围岩K10+990断面所测数据进行分析，测量结果见表2。

表2 K10+990断面周边位移和拱顶沉降测量结果

3.2 数值回归分析

对监测数据进行回归分析可预测周边位移、拱顶下沉最终值和各阶段围岩变形变化速率，为二次衬砌施作提供合理时机。借助MATLAB软件进行回归分析。目前数据拟合处理的主要函数有指数函数、对数函数、双曲线函数，其表达式见式(3)～(5)。

u=a•e-b/t

(3)

u=a+b/ln(t+1)

(4)

u=t/(a+b•t)

(5)

式中：u为位移值(mm)；a、b为回归常数；t为初读数后的时间(d)。

采用3种函数进行回归分析，取相关系数最接近于1的曲线方程作为回归分析拟合函数，回归分析结果见表3。

表3 3种函数回归分析结果

由表3可知：指数函数的相关系数最高，其拟合程度最高，表明采用指数函数可更好地拟合监控量测数据，达到满意的预测结果。指数函数回归曲线见图1、图2。

图1 水平收敛-时间回归曲线

图2 拱顶沉降-时间回归曲线

3.3 结果分析

根据JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》，围岩变形达到基本稳定时，其收敛量应达到最大值的80%～90%。当围岩趋于稳定时，便可施作二次衬砌。对指数函数进行回归方程求极限，得到监测断面的最终位移值，其中水平收敛为：

拱顶沉降为：

30 d的拱顶沉降收敛度为14.99/17.963 3=83.4%，水平位移收敛度为3.16/3.646 1=86.6%，每天的增量都低于0.1 mm/d，表明监测断面支护合理，围岩变形已趋于稳定，可施作二次衬砌。

4 结语

以屋场坪隧道为工程背景，采用最小二乘法原理对施工监控量测数据进行回归分析，得出指数函数拟合度最高。通过指数函数进行最终沉降量计算，判断该隧道30 d时围岩变形已超过80%，趋于稳定，可施作二次衬砌。

施工监控量测作为新奥法施工的重要法宝之一，其数据处理非常重要。现场测量数据难免因为各种原因存在数据离散和误差，需对其进行回归处理，通过回归分析准确地预测隧道支护安全状况，确保施工安全。