监控量测在铁路隧道中的应用研究

高海东 杨志鹏

（甘肃林业职业技术学院，甘肃 天水 741020）

采用新奥法修建的隧道，其最大特点是把监控量测引入到隧道施工中，将其作为一个不可缺少的环节予以实施，就是通过观察、量测等得到的资料对已开挖的区间和掌子面未开挖的前方的围岩状况进行预测，并将结果反馈到施工过程中[1]。虽然我国早已引入监控量测技术及方法，由于工程人员对经验法的依赖，重视程度不够，造成施工中实施的力度不够，不能充分发挥应有的指导作用，量测数据的分析处理方法不完善及如何应用也是重要的原因之一[2]。

1 工程概况及施工方法

宝兰客专某隧道先后下穿藉河河谷区及两岸黄土覆盖的低山区，该隧道洞身及浅埋段地层主要为第四系全新冲洪积黏质黄土、粉质黏土等，所处区内构造运动较为活跃，表现为藉河两岸山坡侵蚀强烈，高差达100～300m，第三系地层整体抬升并微向北倾。隧道水文地质条件复杂，通过区域地层岩性变化较大，涌水量较大，此外大部分位于城区地下，具有下穿河流、城市建筑物、通过液化气站及液化气管道等多种高风险点，所以该隧道被业内专家誉为“大断面城市地铁”[3]。

该隧道在施工中采用三台阶七步开挖法。这种方法在较软地层开挖过程中施工空间相对较大，可以多作业面平行施工，尽量缩短台阶长度，确保初期支护尽快闭合成环，衬砌及时跟进，及早形成支护体系。

2 隧道监控量测方案

本隧道施工中，根据施工组织计划，监控量测选用的测试项目为必测项目，如表1所示。

3 隧道监控量测信息应用

3.1 监控量测数据的初步处理

首先要对数据进行校核和整理。将同一量测点的数据与上次数据分析对比，相互印证，以便于确认量测数据是否可靠，如有异常需增加量测次数。根据量测频率，每次量测后及时对数据进行整理，包括量测数据的记录、计算、误差处理等，完成监控量测外业记录表。

表1 监控量测项目表

3.2 根据量测数据绘制时态曲线

根据隧道监控量测所得数据绘制位移s ，位移速度v与时间 t的关系曲线图，通过s-t，v-t曲线的形态可以较直观看出隧道围岩位移变化的情况，并可对围岩是否趋于稳定或是否有异常状况进行初步判断[4]。推算出围岩最终位移，并掌握位移变化的规律，以某断面为例。

3.3 采用曲线回归分析法处理数据

根据规范要求，可采用曲线回归分析法对量测数据进行处理及分析，得到描述s、t两个变量间关系的回归曲线函数，来表征量测数据点的分布规律，并通过公式推算出将来s变量在不同t值情况下的大小及变化速率，最终确定s的极限值。根据《铁路隧道监控量测技术规范》（Q/CR9218-2015）要求，隧道施工时，能代表隧道监控量测数据散点分布规律的曲线主要有指数、对数和双曲线3种模型。实际选用相关系数最高的指数函数作为代表函数。

式中：s 为累计位移值 （mm），t为初读数后的时间（d），A、B为函数常数。

因指数函数回归模型不是线性回归，需采用变量换元法。通过对（1）式的两边分别取对数，则公式转换成：

图1 位移-时间（s-t）曲线

图2 位移速度-时间（v-t）曲线

设ln s为y，设（1/t）为x，设ln A为C，则上述函数变成线性模型：

根据换元法，计算周边位移数据，绘制得到线性回归曲线，如图3所示。

图3 线性回归曲线图

由图3得出线性回归方程式：y=-0.3918x+4.0055，相关系数R2为0.9981，由相关系数可知，回归相关性强，精度较高。

根据线性回归方程，可计算得出：B=0.3918，由lnA=C=54.90。

将A、B值带入公式（1）中，得出指数曲线模型为：由公式（4），结合位移-时间曲线对比线性回归曲线，对比情况见图4。

4 量测结果的分析与应用

4.1 拱顶下沉最大位移值分析

在第2天时，实际测点的位移值45.3mm（理论分析最大值的80%），即可进行隧道二次衬砌的施工。通过实测可以看到隧道拱顶下沉量测接近于50mm时趋于稳定，可降低量测频率；通过曲线回归分析，我们可以看到回归曲线最终的位移值是54.90mm。通过图4我们可以看到在时间为3d时，拱顶下沉量测值已趋于稳定，说明设计的施工参数合理，施工安全。

图4 拱顶下沉曲线量测与回归分析曲线图

4.2 施工建议

在施工中，设计图纸未直接标注出支护结构预留变形量的大小，针对大断面铁路隧道存在较多的不安全因素，施工单位为了保证工程质量，选用的预留变形为15～25mm，与实际量测和理论分析的结果差距较大（实际与理论最终位移为54.90mm[5]）。如实际变形小，预留变形量大，为保证隧道净空的需要，易造成隧道实际开挖量增大，外运土方量增加，隧道二次衬砌厚度变大，工程成本不断上升，对施工单位影响较大。因此，选择一个合理的预留变形量对控制隧道工程成本至关重要。

5 结语

隧道从开挖到初期支护的稳定，变形量的大小直接影响工程的质量和安全，应根据要求，选择有经验并负责的测量小组负责监控量测工作，加强隧道内量测布点及数据采集的规范性。数据采集后应及时整理、分析，通过绘制时态曲线、回归分析，甚至数值模拟等方式形成结论，及时反馈给工程技术人员，从而真正体现出隧道的“动态施工”，保证隧道的安全。