隧道监控量测方案设计

肖尧,刘士洋

(重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074)

隧道监控量测方案设计

肖尧,刘士洋

(重庆交通大学土木建筑学院,重庆400074)

新奥法经过几十年的发展,已被广泛应用于世界各国隧道工程的施工,其要素分别为喷混凝土、锚杆和监控量测.作为新奥法三要素之一,监控量测在隧道施工中发挥着重要作用.结合某隧道监控量测工程,从监控量测方案设计出发,系统论述了隧道监控量测的目的、方案制定原则、监测项目的选择、监测间距和频率、数据分析处理和信息反馈.在此基础上重点分析了隧道监测项目的选择和数据分析中现有预测方法.

监控量测;隧道监测;监测项目;预测方法

1934年L.V拉布采维茨首次将喷浆方法用于地下结构工程,经过近30年理论与实践的结合,最终于1963年正式将其所提出的施工方法命名为新奥地利隧道施工法,简称新奥法.伴随着新奥法逐渐应用于隧道施工,该施工法三要素被总结为喷混凝土、锚杆和监控量测.

隧道处于地下,周边围岩非均质、各向异性的特性以及施工过程中各种人为因素的共同影响,使施工前的科学研究分析无法准确吻合实际施工后的状态.因此,必须借助相关仪器设备,通过隧道监控量测及时分析监测结果,实时指导隧道的设计、施工[1].由此可见,监控量测作为新奥法其中一要素,对隧道的设计与施工具有重要的指导作用,同时也对施工安全具有重要的保障作用.其方案的设计不仅关系着监控量测工作的效率,也影响着监控数据的准确性,因此有必要对隧道监控量测方案设计进行研究,从而更好的指导隧道设计和施工,保障施工过程的安全.

1 工程概况及制案原则

某隧道跨度9 m,高度7 m,全长182 m,其中III级围岩135m,IV级围岩47m,最大埋深56m,洞口两端为浅埋.隧区属丘陵地貌,海拔426m,穿越突出山脊.隧址内上覆第四系坡残积层粉质粘土,下覆基岩为侏罗系中统下沙溪庙组泥岩夹砂岩,岩层层理清晰.测区内地表水不发育,地下水有松散岩土类孔隙潜水、碎屑岩类裂隙水.

1.1 监控量测的目的

监控量测方案的设计首先应明确其目的,这样才能有针对性的设计方案.概括而言,监控量测的目的即指导隧道设计、施工,保障施工安全.具体而言包括施工安全、优化施工顺序和科学研究三方面.该隧道监控量测目的为:监控量测隧道围岩的变形,通过监控量测数据的分析,指导、优化隧道的施工方案并判别二次衬砌的施作时机.另外积累监测资料,为其他工程提供借鉴[2].

1.2方案制定原则

隧道工程所处地质条件和周边环境的不同决定了隧道监测重点的不同,对于重点监控部位需进行精细的监测.另外隧道工程涉及面广,若每项都进行监测,不仅增加了监测人力、物力,还影响隧道的正常施工,造成整个工程造价的增加.总之,隧道监控量测方案制定原则可概括为"难点重点突出、普测精测结合、必测选测搭配"[3].基于该隧道埋深较浅,监控量测方案制定中应重点突出地表下沉的监测.

2 监控量测项目

监控量测项目分为必测项目和选测项目.

2.1 必测项目

必测项目是在复合式衬砌和喷锚衬砌隧道施工中必须进行量测的项目,包括洞内、外观察,周边位移、拱顶下沉和地表下沉,其中地表下沉仅限隧道洞口段和浅埋段(隧道埋深≤2倍隧道开挖宽度条件下)为必测项目[4].

洞内、外观察:设计人员根据地质勘察资料进行隧道设计,而地质勘察过程中只能通过调绘、物探、坑探、槽探、钻探等方法和手段对隧道所穿过的地质情况初步了解[5],其具体情况不一定与勘察地质报告相吻合.因此,必须在隧道开挖后通过洞内、外的观察,判别真实地质情况与地质报告所述是否吻合,是否需对先前相关设计进行优化、修改.

周边位移和拱顶下沉:该量测是为监控隧道围岩的变形,防止其过度变形甚至失稳,酿成安全事故.同时也能根据变形的大小对施工方法的合理性、支护效果等进行评价,有利于隧道的设计、施工[1].

地表下沉:隧道洞口段围岩大多较为破碎,隧道开挖对其扰动大.另外当隧道开挖经过隧道埋深≤2倍隧道开挖宽度浅埋段时,隧道开挖影响范围将波及地表面建筑物,因此有必要通过对地表下沉的量测防止地表出现有害下沉甚至冒顶,危及地表建筑物[1].

2.2 选测项目

选测项目应根据隧道地质情况、埋深、支护措施、周边邻近物等因素综合选择[4],包括钢架内力及外力、支护衬砌内应力、围岩体内位移(洞内设点)、围岩压力等11项.笔者仅对钢架内力及外力和围岩压力两项做粗略介绍.

钢架内力及外力:钢架由于其强度高、刚度大被用于地质较差地段支护.往往支护参数设计要么太小,支撑不住周边围岩,要么太大,造成浪费.为合理确定钢架支护参数,可进行钢架内力及外力的量测,同时也为以后设计提供参考.

围岩压力:通过对围岩压力的量测,可以对围岩状况进行相关评价,判断施工作业的正确性以及是否需要加强支护等[6].

从该隧道监控量测工程的目的出发,结合方案的制定原则,依据《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009)和《铁路隧道监控量测技术规程》(TB10121-2007),综合抉择,该隧道监控量测项目包括:洞内外观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉、锚杆内力和围岩压力量测.

3 数据分析处理

结合该隧道工程特点,依据有关技术规程,该隧道监控量测工程监测间距和频率如表1所示.

表1 监测间距、频率表

结合隧道工程特点,通过对必测项目和选测项目的量测将产生大量数据.由于偶然误差等因素,数据具有一定的离散性和波动性[7],因此需对其进行分析处理.分析处理过程,首先,应将具有明显错误的数据去掉,若该数据重要或错误数据太多导致无法进行分析,则需考虑补测;然后,对数据进行填表制图、误差处理等计算;最后,分析整理后的数据,分析的目的主要是抓住相关参数与时间之间的变化规律,从而对所测项目相关参数等进行预测,判断设计、施工的合理性,提防潜在危险,并对其预警.目前的预测方法主要有动态方程法、时间序列法、灰色模型法和神经网络预测法四种[8].

3.1 动态方程法

动态方程法也称为回归分析法,是目前最主要采用的数据分析处理法.它从自变量和因变量一组数据出发,寻找一种函数模型,尽量将所测数据囊括其中并减小误差.该方法常用函数模型有对数函数、指数函数和双曲线函数三种模型.随着计算机的快速发展,有理函数模型等复杂模型也得到应用.包太等人采用上述4种模型对某隧道量测数据预测效果进行对比得出有理函数模型预测效果最佳[9].

3.2 时间序列法

该法运用统计学原理,探求量测数据随时间的变化规律,根据其历史演变规律来预测其未来演变规律和趋势.相比其他预测方法而言,该法显得更加简单、准确[8].

3.3 灰色模型法

灰色系统理论在1982年由我国邓聚龙教授提出.它能在数据信息不充分的条件下,建立用于系统未来行为预测的数学模型.随着在隧道监控量测实际运用中的不断优化改进,该预测方法在实际工程应用中已获得较高精度[7].

3.4 神经网络预测法

20世纪80年代,神经网络理论得到了长足的进步.它借鉴了人体信息传输系统学,具有在复杂条件下较好的建模能力和良好的数据拟合能力.李元松等人在溪洛渡电站4#公路隧道监测中,通过对比动态方程法、灰色模型法和有限单元法预测结果发现:神经网络预测法预测效果最佳[10].王国欣等人在重庆红旗河沟地下车站监测中采用神经网络预测法得到较好的效果[11].

考虑到数据分析处理的复杂程度,该隧道监控量测工程采用目前广泛使用的动态方程法,利用origin软件对监测所得数据进行回归分析.

4 结语

根据动态方程法对量测数据的分析结果,并参考有关规范值,该隧道监控量测工程对隧道施工进行了实时分析和阶段分析,对工程安全性进行了评价,指导了隧道二衬施作时机的选择以及优化了施工方案.

隧道监控量测应结合工程实际等因素,综合抉择监测项目,确保监测项目能够用于指导隧道设计、施工,减少对正常施工的影响.在监测数据分析方面建议采用多种方法综合对比分析,有利于提高预测的准确性.

[1]甘腾飞.双线铁路隧道信息化施工技术研究[D].成都:西南交通大学,2012.

[2]中华人民共和国铁道部.TB10121-2007铁路隧道监控量测技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[3]万利.高速公路隧道施工监测技术研究[D].西安:长安大学,2006.

[4]中华人民共和国交通部.JTG F60-2009公路隧道施工技术规范[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]姜洪涛.高速公路隧道施工监测与信息反馈[D].成都:西南交通大学,2005.

[7]邹盛国,章克凌,彭少培,等.灰色系统在隧道监控量测中的应用[J].人民长江,2012,43(S1):62-64.

[8]江涛.山区软岩大跨度隧道变形神经网络预测及其工程应用[D].上海:同济大学,2007.

[9]包太,言志信,刘新荣.有理函数在隧道监测数据回归分析中的应用[J].地下空间与工程学报,2009,5(5):1029-1032.

[10]李元松,李新平,张成良.基于BP网络的隧道围岩位移预测方法[J].岩石力学与工程学报,2006,25(S1):2969-2973.

[11]王国欣,马荣全,肖龙鸽.特大断面超浅埋隧道监测数据预测分析[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

(责任编辑:李婉)

2014-03-20

重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ120402).

肖尧(1990-),男,重庆梁平人,重庆交通大学硕士研究生,主要从事隧道及地下工程设计理论方面的研究.