基于监测数据回归分析的隧道围岩稳定性分析

忽国奇

（山西交通控股集团有限公司 运城南高速公路分公司，山西 运城 044000）

0 引言

隧道开挖和支护过程中，会对围岩产生扰动导致围岩变形。采用监控量测的方法调查隧道围岩的变形情况，并采取措施加强支护，保证隧道围岩的稳定。隧道围岩稳定性分析方法有数值模拟方法、力学解析方法，分别通过计算机建模和力学方法分析围岩的变形趋势，进而通过支护手段提高稳定性[1]。这两种方法都是通过理论计算分析预测隧道围岩的变形情况，与现场变形情况进行对比分析确定隧道围岩的稳定性。现阶段，最常用的方法是采用监控量测的方法收集隧道围岩的变形数据，进行回归分析，确定围岩的变形趋势[2]。基于运宝高速中条山隧道围岩稳定性分析实践，收集监控量测必测项目监测数据，进行回归分析，作为隧道围岩稳定性和支护参数合理性的判断依据。

1 隧道围岩变形破坏机理分析

隧道开挖前，岩体之间处于一个天然的应力平衡状态。隧道开挖后，在临空面位置围岩失去了部分支撑作用，破坏了原有的天然平衡。隧道开挖后，开挖断面围岩质点的径向应力减小，导致隧道围岩向洞内挤压移动。围岩内部的回弹应力向隧道临空面移动，切向应力升高，开挖后隧道内部产生拉应力，这3种应力都对隧道围岩的稳定性产生威胁[3]。当围岩内部应力综合作用超过了围岩强度时，就会造成围岩变形和破坏，导致围岩变形失稳。

最初，围岩变形破坏发生在临空面位置，然后逐步向隧道内部发展，围岩内部不稳定块体和应力集中部位是最先出现变形破坏的部位。当围岩节理裂隙发育，且与开挖临空面切向方向形成了不利组合，在局部形成不稳定块体。当围岩自稳能力较差时，不稳定块体在围岩内部应力的综合作用下容易产生塌方。应力集中部位主要表现为压应力和拉应力集中，通常出现在隧道拱顶及其两侧壁位置[4]。且隧道围岩为软岩时，变形量较硬岩变形量大。

2 依托项目概况

中条山隧道位于运宝高速公路，隧道左洞起讫桩号为ZK5+676.108—ZK15+347.050，长9 670.942 m；隧道右洞起讫桩号为YK5+679—YK15+350，长9 671 m。隧道底部设计高程为985.46～1 021.48 m，隧道设计纵坡为2%。隧道最大埋深为681 m，最小埋深仅为18 m。隧道内部地质情况复杂，经设计勘测确定围岩等级主要为Ⅲ级、Ⅳ级，局部地段围岩稳定性较差，为Ⅴ级围岩。隧道Ⅳ级围岩地段主要为亚黏土、碎石土、强风化砂岩，局部滴水，裂隙纹理发育，岩层产状110°∠40°。隧道Ⅲ级围岩地段主要为灰岩，岩层厚度大，硬度高，局部较破碎，溶蚀较严重，渗漏水主要为裂隙水，岩层产状110°∠60°。

3 隧道监测数据回归分析

3.1 监测断面选取

中条山隧道围岩等级主要为Ⅲ级和Ⅳ级，围岩自稳能力较强，稳定性相对较好，施工中监控量测项目主要为必测项目。分别选取Ⅲ级和Ⅳ级围岩区域拱顶下沉和周边位移两个项目的监测数据进行回归分析，分析隧道围岩的稳定性。在Ⅲ级围岩区域选取K6+450监测断面，该断面位于Ⅲ级和Ⅳ级围岩的分界位置。Ⅳ级围岩区域选取K7+210监测断面，该断面上部存在软弱夹层，有可能产生变形失稳。可通过监测数据分析该断面隧道围岩的稳定性，分析支护结构的合理性，进行动态施工管理。

3.2 Ⅲ级围岩区域监测数据回归分析

按照监测频率，对K6+450断面开展周边位移和拱顶下沉量测，收集23 d连续监测数据，进行回归分析，监测结果详见表1。分别绘制拱顶下沉、周边位移各函数回归曲线如图1和图2所示。

表1 K6+450断面监测数据统计表

图1 K6+450断面周边位移监测值不同函数回归曲线

图2 K6+450断面拱顶下沉监测值不同函数回归曲线

分析隧道监控量测数据，变形量与时间之间并不是简单的线形关系，而是某种曲线关系。通过绘制散点图，剔除个别异常数据，根据数据分布规律选取指数函数、对数函数和双曲函数对现场量测数据进行回归分析。借助Origin软件建立数学模型，并结合相关系数R等进行回归曲线拟合，确定最合理的回归函数方程[5]。本项目拱顶下沉和周边位移回归函数方程如下。

3.2.1 拱顶下沉回归函数

3.2.2 周边位移回归函数

分析以上回归函数，计算求得相关系数R2，其中两个对数函数u=0.19+7.64lg（1+t）与 u=0.08+5.43lg（1+t）计算值为0.961和0.976，对应指数函数和双曲函数相关系数计算值分别为8.849、0.892、0.835、0.921，对比分析可知对数函数相关系数值最接近于1。因此，选择对数函数对监测数据进行回归分析。

从图1和图2曲线变化情况可知，在隧道拱部初期支护完成初期，拱顶下沉和周边位移观测值呈线性变化，且变化幅度较大，说明隧道围岩内部应力处于调整期，应加强监测，监测频率控制在2次/d或1次/d。监测12 d拱顶下沉累积沉降量达到9.045 mm，之后进行边墙开挖施工，隧道开挖产生的扰动造成变形量增大，但增加值不大。边墙施工完成后监测变形量明显降低，最大的日沉降量为0.147 mm，且逐步趋于稳定，拱顶下沉量和周边位移变形量最终观测值分别为7.413 mm和9.626 mm。由于K6+450断面位于Ⅲ级和Ⅳ级围岩交界处，虽然监测值已基本趋于稳定，还需要进行持续观测。

3.3 Ⅳ级围岩区域监测数据回归分析

表2 K7+210断面监测数据统计表

K7+210监测断面围岩主要为灰岩，岩石硬度高，裂隙纹理发育，岩体破碎，围岩稳定性相对较好。对监测点进行连续观测，监测数据如表2所示。收集监测数据进行回归分析，绘制拱顶下沉、周边位移随时间的变化曲线如图3和图4所示。

图3 K7+210断面拱顶下沉监测值随时间变化曲线

图4 K7+210断面周边位移监测值随时间变化曲线

按照同样的方法进行数据回归分析，确定K7+210断面拱顶下沉与周边位移回归函数为对数函数，表达式分别为u=0.25+5.76lg（1+t）和u=0.26+8.17lg（1+t）。

对图3和图4进行分析，隧道围岩开挖支护后10 d内，拱顶下沉量和周边位移变形值较大，变化速率较大，大于l mm/d，说明围岩并不稳定。在初期支护的基础上，对该断面周边增设了一次锚杆支护，加强了支护。同时加强监控量测，加大监测频率，得到1个月内的拱顶下沉和周边位移累积位移量分别为9.131 mm和12.651 mm。1个月以后进行边墙开挖支护施作，施工期间变形量有增大的趋势。后期监测变形速度逐步下降，7 d内拱顶下沉量为0.038 mm，周边位移变形量为0.24 mm，说明围岩变形已趋于稳定。

4 结论

本文选取K6+450断面和K7+210断面两个有代表性的监测断面作为研究对象，通过对拱顶下沉和周边位移监测数据进行回归分析，分析隧道开挖、初期支护与边墙支护对隧道围岩稳定性的影响，得出以下结论：

a）通过回归分析，确定采用对数函数的相关系数更接近1，且变形曲线走向更接近对数函数曲线的走向，因此采用对数函数作为分析函数。

b）K6+450断面回归分析结果表明，虽然在监测初期拱顶下沉量和周边位移值较大，变形速度较快，但在边墙施工后变形逐步趋于稳定，说明隧道支护结构可以保证隧道围岩的稳定性。

c）K7+210断面由于围岩内部存在软弱结构层，监测过程中拱顶下沉和周边位移变形和变形速度均较大，采取锚杆支护对该断面周边区域进行加强后监测数据逐步趋于稳定，说明修正后的支护结构能够保证隧道围岩稳定。