武勝林，鄧洪亮，陳凱江，黃東輝，付思遠，朱明巖

（1.北京工業(yè)職業(yè)技術學院，北京 100042；2.北京工業(yè)大學，北京 100124）

一、引 言

在隧道工程中，由于圍巖具非均質、不連續(xù)等特性，同時受施工方法、地應力、巖體結構等多種因素的影響，使巖體變形具有明顯的突變性、時空性及非線性，因此隧道施工過程中的應力和應變很難用確切的數學模型和固定的理論公式來描述計算。但大量的研究與實踐表明，巖體的變形在初始狀態(tài)直至失穩(wěn)前的臨界狀態(tài)，人們可以對它的變形過程獲得定量化的信息，并且這種變形是有一定規(guī)律可循的，可以通過現場監(jiān)測結果預測巖體的穩(wěn)定性及支護結構的安全性。隧道施工監(jiān)測數據的信息化管理技術就是探索應用現代化的信息處理技術對海量的隧道監(jiān)控量測數據進行及時、準確、有效地計算，并完成對數據的分析、存儲、查詢、預警預報和報表生成等任務，使得監(jiān)控量測工作能夠切實有效地指導隧道的信息化施工。對監(jiān)測數據的正確分析和處理是在保證準確性的前提下，快速準確地進行監(jiān)測數據的綜合管理。

監(jiān)控量測作為隧道“新奧法”施工的三要素之一，在隧道的建設施工過程中具有重要的意義。然而在實際施工過程中，監(jiān)控量測在多數情況下還停留在紙面上，遠遠沒有達到其應有的效果，在指導施工、保證施工安全方面的作用十分有限。因此，研究隧道工程施工監(jiān)控量測及其監(jiān)測數據的逆向應用具有重要的實際意義和研究價值［1-5］。

二、隧道監(jiān)控量測新技術

隨著科學技術的不斷發(fā)展，隧道監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法也在不斷更新。當前應用于監(jiān)控量測的主要儀器包括:水準儀、全站儀、鋼掛尺、收斂計和適應于不同材料的壓力盒、應變應力計等。但使用水準儀、鋼掛尺、收斂計等常規(guī)儀器進行觀測時，受隧道的施工影響較大，易對隧道造成施工阻礙，且數據存儲、傳輸、處理、分析等工作量大，工程應用不便。目前在大多數的隧道施工監(jiān)控量測中技術人員都采用全站儀進行測量，其具有精度高、施測方便、數據傳輸方便等優(yōu)點，并且可以直接與計算機連接，在友好的計算機操作系統(tǒng)中，可以實現監(jiān)測數據的自動傳輸、處理、分析，全站儀的應用使得隧道監(jiān)控量測工作邁上了一個新臺階。鄧洪亮等結合滬昆客專貴州段隧道監(jiān)控量測的實際工作，在國內率先應用了3D激光掃描儀進行監(jiān)控量測工作，在監(jiān)控量測儀器的更新使用上作出了新的探索并取得了明顯效果［4-7］。

三、監(jiān)測數據信息化分析技術

滬昆客專貴州段背陰坡隧道進口里程DK950+038，出口里程DK951+466，隧道全長1428 m，為Ⅲ級風險隧道。隧道位于云貴高原侵蝕低山丘陵區(qū)，最大埋深137 m，穿越北西向展布的脊狀山梁，兩端為溝谷。地面高程1711～1872 m，相對高差約155 m，自然坡度 30°～45°，局部陡峻，植被發(fā)育。本文以背陰坡隧道監(jiān)控量測的實測數據為例，根據監(jiān)控量測中位移—時間的效應曲線，分別選擇指數函數（U=Ae-B/t）、對數函數（U=Alnt+B）、雙曲線函數（U=t/（A+Bt））進行回歸分析，并選擇最合理的回歸函數。

背陰坡隧道DK950+980斷面圍巖等級為Ⅲ級，共布置A、B、C3個測點，其中，A表示拱頂沉降點，BC表示拱腰處凈空收斂，數據采用全站儀非接觸測量取得。拱頂沉降數據和凈空收斂數據見表1、表 2。

表1 背陰坡隧道DK950+980斷面拱頂沉降表

表2 背陰坡隧道DK950+980斷凈空收斂表

根據隧道拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測數據，分別采用指數函數、對數函數和雙曲線函數對監(jiān)測結果進行回歸分析，得到了對應的回歸函數和相關系數，背陰坡隧道DK950+980斷面回歸分析結果見表3。

根據表3可知，不論拱頂沉降還是凈空收斂使用對數函數進行回歸分析，其回歸相關系數均高于其他兩種函數。根據圖1、圖2可以看出，對數回歸曲線能較好地對實測數據進行擬合，其他兩種函數擬合效果較差，隧道內的沉降和凈空變形規(guī)律服從對數變化規(guī)律。

表3 回歸分析結果表

圖1 DK950+980斷面拱頂沉降與回歸曲線對比

圖2 DK950+980斷面凈空收斂與回歸曲線對比

四、信息化技術分析與工程應用

根據拱頂沉降對數函數回歸曲線U=4.618lnt+4.024可知，由于對數函數本身不收斂，無法通過函數計算預測其最終的沉降變形量，根據大量的工程監(jiān)測數據發(fā)現，應用對數函數預測60 d后的沉降量幾乎全部大于實際的沉降量，且實測變形速率已經趨于零。因此，當一周內變形速率小于0.15 mm/d時，將預測60 d后的沉降量作為隧道位移變形的最終沉降量是完全可行的。

根據上述公式可知當監(jiān)測時間達到37 d時，其沉降變形速率已經連續(xù)一周小于0.15 mm/d，此時的總沉降量為20.699 mm，預測60 d后的總沉降量為25.102 mm，此預測總沉降量小于相應的位移控制基準。

同理，根據BC凈空收斂回歸方程U=4.307lnt+3.438可知，當凈空變形監(jiān)測達到29 d時，凈空位移變形速率已經持續(xù)一周小于0.20 mm/d，此時總變形量為 20.087 mm，預測 60 d后的總變形量為22.818 mm。

《鐵路隧道施工規(guī)范》（TB 10204—2002）中規(guī)定，在一般情況下二次襯砌應在圍巖和初期支護變形穩(wěn)定后施做。變形基本穩(wěn)定應該符合隧道周邊位移速度有明顯減緩趨勢。拱腳水平相對凈空變化速度小于0.20 mm/d，拱頂相對下沉速度小于0.15 mm/d?？芍斣摂嗝骈_挖后監(jiān)測達到37 d時隧道圍巖和支護機構變形達到穩(wěn)定狀態(tài)，可以施做二次襯砌。

根據現場監(jiān)控量測的實際觀測，在背陰坡隧道DK950+980斷面開挖后，到第37 d位移變形穩(wěn)定時，DK950+980斷面到隧道掌子面的距離為93 m。在此，將此時的距離可以稱作施做二次襯砌的安全步距。

應用相同原理就可以得到其他斷面的二襯施做時間及安全步距，具體見表4。

表4 二襯施做時間與距離表

根據表4分析可知，在背陰坡隧道Ⅲ級圍巖段開挖后35 d左右，如果沒有特殊情況，圍巖和支護結構已經達到穩(wěn)定，可以施做二襯。根據現場的施工設備、人員技術，按照現有的施工進度，背陰坡隧道的每天開挖進尺在2.5 m左右。由此可得背陰坡隧道Ⅲ級圍巖段在正常施工的情況下，二次襯砌施做的安全步距為90 m。根據二襯的施做時間及安全步距兩項指標，可以簡單有效地確定二次襯砌施做的合適時機。

五、結束語

隧道施工監(jiān)控量測方案要根據隧道的工程特點進行設計，隧道施工監(jiān)控量測方案應包括監(jiān)測內容、監(jiān)測方法、測線布置、測量頻率、數據處理、生成報表等內容。只有選擇正確的監(jiān)測方法和采用合理的數據處理技術才能正確地分析圍巖的應力和應變的變化情況，正確地指導隧道施工，先進的監(jiān)測技術和先進合理的數據處理方法是保證隧道信息化施工的重要保障。

監(jiān)測數據的處理，是隧道監(jiān)控量測工作的重點內容，也最耗費人力物力。對現場采集的數據分析可知，在數據采集過程中由于受到外部環(huán)境和測量人員本身因素的影響，其數據往往與真實結果存在一定的誤差，這種誤差雖然不能夠徹底消除，但可以應用有效的數學方法將其降低到一個可以控制的范圍內。其中，回歸分析是一種行之有效的數學方法，也是相關規(guī)范規(guī)定的數據處理方法。然而由于我國幅員遼闊，各地之間的水文地質、地形地貌之間存在很大差異，隧道所處的應力狀態(tài)也千差萬別，相應的隧道位移變形規(guī)律也不可能用一種回歸函數進行分析。因此，根據實際的監(jiān)測數據選擇適合本地區(qū)的回歸函數具有十分重要的意義。

隧道工程所在地的應力條件對決定隧道的施工參數、支護參數等具有重要作用。而在施工之前有限的經濟和時間條件下，僅僅通過有限的鉆孔來確定隧道圍巖的力學參數，并據此確定施工和支護參數，其結果很可能與實際的圍巖變形有很大的差別，據此所確定的施工方案很可能會造成工程事故。而應用在隧道工程監(jiān)控量測中，相對比較準確、容易量測的位移變化量進行位移反分析，計算隧道圍巖的力學參數，并據此分析隧道圍巖的應力狀態(tài)，以確定施工參數和支護參數，可確保施工和支護的長期穩(wěn)定。

隧道在施工過程中進行監(jiān)控量測，具有重大的經濟意義和實際應用價值，因為通過現場量測，將迅速準確地獲取第一手實際量測數據資料，在對這些數據資料處理分析和對現場施工觀測測試分析的基礎上，將及時迅速地向業(yè)主方、設計方、監(jiān)理方和施工方提供資料分析結果，直接服務于隧道的施工，及時掌握施工過程中出現的各種情況，對可能出現的事故進行防范，防止事故的發(fā)生。但目前由于隧道工程的不確定性和地質條件、工程環(huán)境條件的復雜性，無論在國內和國外隧道施工信息化的程度都不高，對隧道及地下空間的開發(fā)和安全施工帶來了很大的困難，建議開發(fā)系列的信息化分析軟件和管理軟件，保證工程施工的安全和高效。

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