隧道高地应力区施工标准化监控量测技术研究

摘 要：隧道高地应力区的施工风险较高，但在该区域的监控量测技术尚未有明确的规范和标准，因此有必要探索隧道高地应力区的标准化监控量测技术。本文依托池祁高速公路某特长隧道工程，基于该隧道高地应力区和非高地应力区的监控量测数据，对比分析两处的拱顶沉降、周边收敛的变化规律；采用回归分析对监控量测数据进行分析，提出隧道高地应力区标准化监控量测技术及其数据处理方法。研究结果表明：隧道高地应力区监测量测结果与非高地应力区具有明显差异，应该根据隧道地应力分布情况加强高地应力区的监控量测；二次多项式对隧道拱顶沉降和周边收敛变化具有较好的拟合效果。

关键词：特长隧道，高地应力，监控标准化，回归分析

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.12.030

0 引 言

隧道工程施工风险等级较高，尤其是在深埋段的高应力区，隧道开挖过程中易产生岩爆或大变形[1]。隧道监控量测是指导隧道安全施工，了解隧道与围岩变形协调情况的重要手段。为了更精确地掌握隧道施工围岩的动态变化，判定其稳定性，在隧道施工过程进行科学标准化的监控量测技术研究具有重要的意义[2]。

监控量测是隧道新奥法施工的关键环节，国内外专家和工程技术人员针对隧道监控量测指标、监测技术、监测仪器和数据处理方法开展了大量的研究。近年来，随着监控量测技术的发展，新型监测技术、隧道监控量测技术标准和规范均得到了完善。其中，甘淇匀[3]总结分析了国内外隧道监控量测技术发展现状，提出监控量测技术应该更加系统化、整体化和智能化。于维刚[4]认为现行规范对部分测试项目的预警阀值未明确规定，从概率统计角度对已有监测预警数据进行统计分析，提出了监测预警阈值。秦海超[5]以鹤大高速某隧道监控量测技术为例，从监测方案、监控量测管理、数据处理等方面提出了隧道监控量测的关键要点。同时，我国针对隧道监控量测也出台了相应了规范和标准，例如，公路隧道施工技术规范以及地方出台的公路隧道监控量测技术规程等[6-7]。但是，隧道的地质条件复杂，现有隧道施工针对高地应力区施工的监控量测技术仍未有统一的标准和数据处理方法。因此，本文依托池祁高速某特长隧道，总结分析了隧道高地应力区的监控量测技术，对比分析了高地应力区与非高地应力区的变形规律，然后采用回归分析提出了监测量测数据的预测模型，所得方法和结论可为隧道高地应力区灾害防控及围岩变形预测提供参考。

1 隧道高地应力区监控量测

1.1 工程概况

德州至上饶高速公路池州至祁门段某特长隧道长4326 m，为分离式隧道，左右隧洞净距约20 m。隧址地势总体特征为南高、北低，地形起伏较大，地面标高在19～1075 m。隧道埋深最大区域穿越中风化变质砂岩，岩体完整，最大埋深约为740 m，位于高应力区，存在岩爆或大变形风险。因此，研究选取该隧道为研究对象，对隧道高地应力区和非高地应力区开展监控量测，分析高地应力区与普通区域的差异性。

1.2 监控量测方案

隧道深埋段主要采用两台阶法施工，根据JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技术规范》的规定，监控量测方案设计采用台阶法测点布置，设置上、下台阶周边收敛测点和拱顶沉降测点。其中，上下台阶周边收敛测线分别为A-A和B-B，拱顶沉降测线位C-C，测点布置如图1所示。

1.3 监控量测结果

隧道施工监控量测的目的是为了判断隧道围岩变形是否趋向稳定，通过对原始监控量测数据的处理，绘制出监控量测数据的时程曲线，可以了解隧道时空状态，从而判断围岩的变形趋势。

选取隧道左洞监控量测结果为研究对象，左洞桩号区间为Z K 6 9 + 4 9 1～Z K 7 1+ 3 6 0，其中ZK69+491～ZK70+355区域为高地应力区。根据现场监测数据绘制时间曲线图。左洞各测点的累积变化监测结果如图2、图3所示。

由图2和图3可知，隧道高地应力区ZK69+491～ ZK70+355的围岩累积变形均大于非高应力区，而且当围岩累积变形值出现大规模的攀升和持续出现在高位时，表明隧道开挖已经从非高地应力区向高地应力区转变，施工中应注意岩爆和大变形灾害的发生。

为了对比分析两处的变化差异，选取高应力区段断面ZK70+352和非高应力区段ZK71+122各个位置累积变形随监测次数的曲线进行分析，如图4所示。

图4中，位于高应力地区的ZK70+352与非高应力区ZK71+122的测点变形规律存在明显差异。由于高地应力的存在，导致隧道开挖后高地应力区的围岩拱顶沉降速率和稳定后的累積变形值明显大于非高应力区，甚至达到了两倍之多。上、下台阶的周边收敛变化情况与拱顶沉降存在不同，上台阶与拱顶沉降变化基本一致，表现为高地应力区的周边收敛变化大于普通区域，而下台阶的两处测点变化基本相同。这是由于高地应力区在隧道开挖后地应力对隧道围岩的作用进行了重分布，本文研究的隧道主要受到自重应力的影响，因此拱顶沉降的变形表现得更为明显。

2 数据处理

在隧道监控量测中，各项指标数值是随着时间增加而累积的，检测数据会以累计变形量随时间变化的时程曲线呈现。监控量测数据由于检测误差影响，往往具有一定的离散型。如果直接使用离散的数据，将不能清晰地发现监控量测项目数值的变化规律。监控量测数据处理一般使用与实际测试数据变化趋势一致、数值大小相近的函数去拟合相应的时程曲线。回归曲线能够正确反映实际情况，具有一定的函数规律，便于描述与计算。

为了对隧道拱顶下沉、周边收敛进行有效的评价和预测，本文基于隧道监控量测数据，采用回归分析方法，对现有数据进行回归分析，获得与真实值偏差较小的拟合函数，为判断变形量变化趋势提供依据。

以高地应力区Z K70 +352处的隧道监控量测数据为例进行分析。本文回归方程选取常见的二次多项式、指数函数，拟合过程是采用最小二乘法不断逼近实测曲线的一个反复试算过程。拟合方程与拟合优度R 2值如表1所示。

根据表1中的拟合结果，二次多项式的R 2值均为0.99以上，而指数函数拟合的R 2值在0.83左右。表明采用二次多项式的拟合度和相关性更高，在高地应力区的拱顶沉降和周边收敛变化趋势满足二次多项式变化规律。因此，依托隧道围岩变形监测值采用二次多项式回归分析，能够更好地反演回归方程的预测结果，本次回归分析所得的回归方程对隧道掌子面围岩情况预测具有一定的参考性。

3 结 语

本文基于池祁高速公路某隧道工程，对比分析了高地应力区和非高地应力区监控量测数据变化规律，建立了监控量测数据的回归分析模型，主要得出以下结论：

（1）在高地应力的影响下，隧道开挖后的高地应力区比非高地应力区变形速率和累积变形更显著，隧道施工应根据地应力分布情况加强高地应力区的监控量测。

（2）二次多项式对高地应力区的隧道拱顶沉降和周边收敛数据具有较好的拟合效果，可采用二次多项式拟合函数对高地应力区的围岩变形趋势进行预测和判断。

参考文献

李智，陈探，江树林，等.深埋特长公路隧道高地应力区岩爆倾向判别研究[J].中国标准化，2022（16）：198-201.

张宝明.强风化震旦系片岩大变形施工技术研究[J].中国标准化，2018（22）：75-77.

甘淇匀，周建.国内外隧道监控量测技术发展现状综述[J].地下空间与工程学报，2019，15（S1）：400-415.

于维刚，胡鹏，宋浪.基于概率统计下白马隧道监控量测预警阈值研究[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：285-290.

秦海超，王军瑞，韩廷建.隧道监控量测控制要点分析[J ].公路，2016，61（6）：274-279.

公路隧道施工技术规范：JTG/T 3660-2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

公路隧道监控量测技术规程：DB43/T 2449-2022[S].北京：人民交通出版社，2022.

作者简介

陈探，本科，工程师，研究方向为公路工程施工与设计。

（责任编辑：袁文静）