特长隧道辅助坑道非常规变形段收敛监测分析研究

赵亮 贾秋阳 姜宗杉

（1.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008; 2.中铁二十三局集团第一工程有限公司，山东 日照 276800）

1 引言

铁路运输网遍布全国，在修建铁路需面临开辟隧道问题，且多为特长隧道。已有文献对特长隧道收敛变形的研究偏向于通车隧道，对辅助坑道研究较少，本次研究以某隧道为背景，对平导收敛变形展开研究。平导是在特长隧道施工中先行开挖，在施工及运营阶段可作为通风和应急救援等重要通道，因此分析研究辅助坑道收敛变形很有必要。

隧道收敛和下沉是力学形态监测中最为直接的反应，研究收敛变形是隧道施工的重点问题之一。现有研究多基于实测数据分析和数值模拟建立模型[1]，常见预测模型有指数模型、对数模型、双曲模型和Richards 逻辑回归模型[2]等。上述模型参数依赖性大，普适性一般，预测精度虽能满足工程需要，但精度受制约性大。基于此，有学者构建了最优加权组合模型[3]，提高了预测精度，但该组合模型在单一模型参数求取繁琐基础上受权值选择限制，权值和参数选取不合适将影响模型预测精度。对此，研究引入GA-BP 神经网络优化预测模型，无需参数求取，根据某隧道辅助坑道实测数据迭代寻优，可达到较高精度预测。

2 工程概况

某隧道全长14.6km，采用新奥法对向开挖，正洞采用初支和二衬的复合式衬砌，辅助坑道采用初支和模筑衬砌。 研究段由大里程向小里程掘进，隧道多为Ⅳ、Ⅴ级围岩，开挖后自身稳定性差，易发生变形。

3 监测方法及测点布设

隧道收敛变形监测方法有接触式与非接触式，接触式测量方法多采用布设收敛计，布设复杂，每对测点需安装收敛计，影响通行且成本较高，不太适合特长隧道。非接触式测量常基于全站仪对预埋监测点进行测量，根据所测坐标计算。全站仪在收敛变形监测中有是否需设站之分，进行仪器设站无疑增加测量工作量；与此相比，全站仪无定向自由设站法将仪器整平即可测量，大大提高作业效率，也消除了设站误差。

非接触式测量还可利用近景摄影测量和三维激光扫描技术[4]，但近景摄影测量需布设较多编码点和非编码点，工作量较大，数据处理较为复杂。三维激光扫描技术可得到面状测量数据，通过处理软件可对任意断面数据进行分析，但仪器价格较贵，数据处理工作任务重，对计算机配置要求高。这两种测量方式尚未普遍用于收敛变形监测。鉴于此，本文采用全站仪无定向自由设站法获取现场实测数据。

3.1 全站仪无定向自由设站法收敛变形测量原理

将全站仪架于所测断面前合适位置，无需仪器设站，整平后即可测量。将Leica-TS09 全站仪通过蓝牙连接观测手簿，使用隧道围岩监测APP 采集收敛数据并记录，该系统自动化程度高，根据实测坐标实时计算测点对净空值，并将结果存储于手簿，便于对数据分析处理。收敛监测主要获取两点间距离变化，使用该系统进行隧道净空收敛监测无需将全站仪设站，大大提高监测效率，缩短影响隧道车辆通行时间。现场收敛监测如图1 所示。

图1 现场收敛监测

若测得图1 中测点S1的坐标为（X1,Y1,Z1），测点的坐标为（X2,Y2,Z2），则该对监测点本期观测隧道净空值S1 为：

同理可得测点S2和之间的净空值S2，本期观测净空值减前一期测量值，可得每期收敛变形值，即：

公式（2）中，ΔS1 和ΔS2 分别为本期拱腰和拱脚测点对收敛值；S1本期为本期测点对S1和净空值，S1前一期为前一期测点对S1和净空值，S2本期为本期测点对S2和净空值，S2前一期为前一期测点对S2和净空值。

3.2 研究区测点分布情况

非常规变形段里程桩号从K73+746 至K73+651，共95m 长。依规范要求按5 米间距布设19 组监测断面，具体里程位置参见5.1 节内容。S1-S1＇测点设于拱腰位置，S2-S2＇测点设于拱脚向上0.5～1m 范围，为保证同一里程的两组测点位于同一断面，布点时采用全站仪定位。按照预定位置钻孔，将监测标志锚固于孔中，锚固长度至少50cm。测点布好后采用钢套管保护，每次观测前检查测点确保监测数据准确可靠。

4 隧道净空收敛常规变形规律

隧道净空收敛变形常规规律同沉降规律类似，呈生长曲线形式[5]，即累计收敛变形值呈S 形曲线变化，具体如图2 所示，开挖后围岩累计收敛变形随时间变化规律分为四个阶段：（1）负空间效应阶段随开挖时间推移，累计收敛变形值逐渐增大；（2）正空间效应阶段累计收敛变形值加速变化；（3）阻尼变形阶段隧道净空累计收敛变形值逐渐减慢，收敛变形速度降低 ；（4）流变阶段累计收敛变形值基本达到最大，并逐渐趋于稳定。上述为常规情况下隧道净空收敛和下沉的移动变形规律，但研究段岩性复杂多变，收敛变形规律与常规规律不尽相符，下文将详细分析。

图2 围岩变形全过程曲线

5 非常规变形段监测数据分析

5.1 监测数据分析

于2020 年9 月7 日至11 月18 日对研究段进行现场监测，根据公式（2）可得单次观测收敛变形值，将各期收敛变形值累加可得每对监测点各个观测周期对应的累计收敛变形值，具体如图3 和图4 所示，图中图例数值亦为监测断面布设里程位置。

图3 ΔS1累计收敛变形

图4 ΔS2累计收敛变形

由图3 和图4 可知，拱腰和拱脚处累计收敛变形规律与常规收敛变形规律不尽相符。从曲线线形看，研究段累计收敛变形呈抛物线而非S 形，未显现一般规律中负空间效应阶段，一开始就快速增加，随时间推移逐渐进入阻尼变形阶段，最后向流变阶段发展。图中K73+664 断面累计收敛变形值远大于其余断面数据，末期累计收敛变形值达321.8mm，其余断面末期累计收敛变形值最大为176.0mm。该处因收敛变形过大导致现场破坏情况严重，拱架尤其是拱腰处严重变形，隧道填充面隆起较为严重，此段已采取加固措施以确保安全。

5.2 GA-BP神经网络预测及精度评定

根据数据变化规律，分析后续变形趋势，据此采取相应措施以减弱或消除变形过大导致的安全问题。考虑Logistic 和双曲模型等预测模型参数难以确定，采用遗传算法优化的BP 神经网络对累计收敛变形进行预测，该算法基于已有数据进行训练迭代寻优，求取最优解进行预测。从ΔS1 和ΔS2 累计收敛变形曲线中选取的预计实测对比结果分别如图5 和图6 所示，从图中可以看出，预测与实测值吻合较好。

图5 ΔS1（K73+644）累计收敛变形对比

图6 ΔS2（K73+658）累计收敛变形对比

为验证GA-BP 模型预测精度，通过求取实测与预测值间的均方根误差（RMSE）加以评判，确保预测模型的准确性[6]。均方根误差公式为：

公式中，Si是GA-BP 优化模型预测值；是累计收敛变形实测值；N为参与测试样本总数。

基于公式（3）求取的两组数据RMSE值分别为±0.75mm 和±1.65mm，由此可知，GA-BP 模型能较好地预测收敛变形数据，预测精度满足工程需要，该模型也可用于其他变化数据分析研究，对于数据预测分析有着重要意义。

6 结论

（1）研究阐述了全站仪无后视自由设站法对特长隧道收敛变形监测原理，并与收敛计、近景摄影测量和三维激光扫描对比，叙述了本文所用观测方法的优点与不足；

（2）分析了隧道开挖后常规收敛变形规律，从开始变形至趋于稳定共经历四个阶段：负空间效应、正空间效应、阻尼变形和流变阶段，结合实测数据分析研究数据变化规律及反常规情形，K73+644 监测断面拱腰处累计收敛变形值是其他断面最大值的1.83 倍；

（3）基于实测数据运用GA-BP 预测模型对累计收敛变形值进行分析预测，结果显示，该优化预测模型值与实测值吻合较好，选取对比的两组数据RMSE值均小于2mm，有较好的预测精度，能够对隧道收敛变形进行合理预测。