新联隧道塌方前后的监控量测和数据分析

2017-03-27阮麟

福建交通科技 2017年1期

关键词：塌方拱顶断面

■阮麟

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350008）

新联隧道塌方前后的监控量测和数据分析

■阮麟

（福建省交通建设工程试验检测有限公司，福州350008）

监控量测是及时掌握隧道施工中围岩动态变化过程的重要手段，通过对量测数据的回归分析计算可以预测可能发生危及施工安全的隐患或事故，进而有效地指导隧道的设计与施工。本文结合新联隧道施工的监控量测，根据4种回归函数和相关性系数对量测数据进行对比分析，发现多项式回归函数适合对隧道拱顶沉降的预测，并且成功预测了隧道的塌方。塌方经过治理后，指数回归函数对拱顶沉降的预测更接近实际。

隧道拱顶沉降监控量测回归分析拱顶沉降

1 前言

我国作为一个多山岭的国家，山地和丘陵占到了国土总面积的三分之二。因此，今后我国的高等级公路建设将主要在山丘地区，进而由于地形及选线的限制，必然伴随着大量山区公路隧道的建设，隧道开挖后洞身会不可避免地产生变形[1]。对变形的监控量测是隧道施工管理中不可缺少的一个重要环节，现场监控量测，可以及时掌握在开挖过程中围岩稳定和支护受力、变形的动态信息，及时、准确地预报可能发生的危及施工安全的隐患或事故,并及时反馈动态监测信息给相关部门，使相关部门及时修正设计支护参数和调整施工措施,从而达到设计与施工安全、经济的目的。

本文以新联隧道工程的监控量测为例，根据4种回归函数和相关性系数对量测数据进行对比分析，得到多项式回归函数更适合隧道拱顶沉降的预测，并且成功地预测了隧道的塌方；但塌方治理后，指数回归函数却更适合对拱顶沉降的预测，即对塌方前后进行分段回归分析计算[2]。

2 隧道概况

新联隧道属海西高速公路网厦沙线上的工程，位于三明市尤溪县内，走向近南北，属分离式隧道，最大埋深165m。左线隧道起迄桩号ZK144+120～ZK145+406，全长1286m；右线隧道起迄桩号YK144+102～YK145+386,全长1295m，海拔高度为205～225m。

2.1 工程地质条件

（1）地形地貌

隧址区属剥蚀丘陵地貌，地形呈波状起伏。地势较缓，支沟发育，多呈“V”字形，山坡坡度10～35°，进洞口自然山坡坡度约为10～15°，自然山坡稳定；出洞口自然山坡坡度约20～35°。区内最高点海拔约380m，沟堑较发育，见地表水，沟内常年有水流动，地表水较丰富，水量较大。沿线植被茂盛，多为山林地。

（2）地层岩性

在隧道进口段，岩性主要从上覆地层和下伏地层角度来描述，具体岩性分述如下：

覆盖层。山坡为残积砂质粘性土夹碎石,冲沟地段为碎石、砾砂等洪积物。

下伏地层燕山早期侵入及花岗岩其风化层，花岗岩为浅棕黄、灰黑灰褐，中—粗粒似斑状花岗结构，块状构造，无斑晶，主要矿物为钾长石、斜长石、正长石及石英、云母、角闪石。但节理裂隙较发育，差异风化严重。风化层的岩体破碎，呈散体状，岩芯呈砂土状，手易捏碎，岩体基本质量等级属Ⅴ级。

（3）水文地质条件

隧道位于当地侵蚀基准面以下，山坡坡体起伏，有地表水经过。隧址区地表水主要为分布于进出口段的山间小溪，常年有水，主要接受大气降水的补给，受季节性影响较大。地下水主要为风化带网状空隙裂隙水、基岩裂隙水及构造裂隙水。进洞口处赋水条件非常好，勘查期间地下水高于洞顶，进洞后地下水呈淋雨状出水。

2.2 施工概况

隧道采用新奥法设计和施工，钻爆法开挖。浅埋、地质条件差的洞口Ⅴ级围岩段采用单侧壁导坑法（CD法）开挖[2-3]。开挖步序是左右两个侧上导洞交错开挖，两导洞的掌子面保持开挖距离15m以上；两个侧下导洞再跟进，与两上导洞保持距离15～20m；竖向的临时钢支撑直至仰拱封闭后拆除。

3 监控量测的方法

3.1 断面测点布设及测量方法

拱顶沉降监测点每个断面共布设3个，即在拱顶布设测点2#，在其左右两侧距离该点2m的位置布设测点1#和测点3#；布设一条水平监测点（对测点），各断面拱顶沉降监测点布置示意图如图1所示。监测点做法是在各测点上先安装膨胀螺栓，再在膨胀螺栓上焊上铁片并粘贴全站仪专用反光片，做好标记[4]。由于隧道围岩较差，监测断面布设比较密集，因此为便于量测，拱顶沉降采用全站仪而非水准仪。采用全站仪量测时，先测出测点1、2、3的高程H1、H2、H3；第二天，同样测出H1’、H2’、H3’；用△表示个监测点的拱顶测量值，△=H1-H1’，用三点的△值求出平均值，则可认为是该断面的相邻两天的相对沉降值，以后类推则可得出每天的相对沉降值，累积后则得到该断面的拱顶的累积沉降值，其直接表示了该断面拱顶沉降面型的大小及变化速率，同理可得到围岩收敛的累积收敛值。

图1 隧道监控量测布点示意图

3.2 测量频率

测量频率的选择在隧道位移监测中非常重要，它直观记录了隧道开挖施工过程中围岩的变形情况，频率太密集则测量强度大，太疏松却又不能及时反映位移变化情况，因此参考《公路隧道施工技术规范》的规定，监测频率选取如下：

工作面开挖15天内，1～2次/天；16天～1个月内，1次/天；1～3个月内，1～2次/周；大于3个月，1～3次/月。

4 量测数据分析

新联隧道里程较长，监测断面布置较多，本文仅以右线里程桩号为YK144+159的典型断面的拱顶沉降测量数据为例，应用回归方法来分析预测隧道施工过程中拱顶沉降的变形量情况，其他断面的数据可以依此类推。

4.1 数据处理

断面YK144+159施工完成初期支护后即开始对围岩水平收敛及拱顶沉降，进行监控量测。量测所得的数据，及时整理成所需要的原始数据，并绘制累计位移—时间折线散点图。由图2可知拱顶最大沉降速率和围岩最大收敛速率分别为-4.8mm/d和-5.9mm/d。

图2 YK144+159时间-位移曲线图

4.2 数据回归分析

由于现场量测所取得的原始数据，不可避免会具有一定的离散性，其中包括测量误差甚至测试误差，因而不经过数学处理的量测数据是难以直接利用的。回归分析是目前量测数据数学处理的主要方法，主要是利用数理统计的原理，建立不同变量之间相关关系的数学表达式。在隧道开挖的变形分析中，可用回归分析方法建立因变量与自变量（即变形与影响因子）之间的数学关系式，从而获得能较准确反映实际情况的u-t曲线图，然后可以预测围岩的最终位移值和各阶段的位移速率[5-9]。

目前主要是对指数、对数和双曲三种曲线函数进行线性回归和多项式函数进行计算，三种曲线函数的原形公式与换算公式如下：

公式中A、B为回归参数；u为变形值；t为观测时间。

由图2可知，隧道围岩的净空收敛和拱顶沉降基本呈相似的变化规律，即：加速变形—突然缓慢变形—急剧变形，故取拱顶沉降进行回归分析。但经过回归计算，指数函数和对数函数的A、B相关性系数分别为R1=0.862和R2=0.700，都小于0.9，所以不可采用，而利用双曲线函数进行回归分析时相关性R=0.997，其线性回归计算见下表1。

表1 线性回归分析计算

但是从表中可以看出最后几天的预测值与观测值值相差太大，故也不可采用双曲线函数进行回归分析计算，所以采用多项式函数计算。

多项式回归函数是根据监测数据离散点结合计算机软件自动生成的回归趋势线，回归曲线与实测曲线如下图3，所示多项式函数表达式为：

阶数n=4时，R=0.998

图3 回归曲线与实测曲线图

由上述回归曲线函数及相关系数可知，4个回归模型中，相关系数R的排列顺序为:对数＜指数＜双曲线＜多项式＜1，而且多项式回归曲线基本上与观测点重合，可见多项式函数的回归精度很高，用来预测该断面拱顶最终沉降量最精确。

4.3 塌方预测

当t=23时，代入函数得到预测累积沉降值u= 50.2mm，将会超过预警值，且随着左右导洞的开挖掘进，在掌子面空间效应和应力释放的双重作用下，松软的残坡积土，变得强度越来越低、越来越软，可能发生塌方。根据现场的反馈，在施工的第22天中午，新联隧道右洞的左导洞YK144+159～YK144+162发生突发性滑塌（见图4）。所以运用回归分析计算，成功预测了隧道的塌方。

图4 塌方形态图

4.4 塌方治理后

塌方段YK144+159～YK144+162塌方处治后即开始对围岩水平收敛及拱顶沉降进行监控量测。但是多项式计算的回归位移与最终位移值都大于实测位移值，两组变量的相关性系数R也不接近1。因此可进行分段回归分析，即塌方之前多项式函数回归计算，塌方后运用其他函数回归计算。根据收敛·—时间曲线走向图（见图5），宜选用指数函数公式作为回归函数，计算结果见表2。