隧道监控量测数据分析与应用

隧道监控量测数据分析与应用

伍进

摘要：在隧道施工中，监控量测是隧道新奥法施工三大要素之一，通过量测及时收集施工中围岩变形与支护受力数据，对数据整理分析及时反馈指导施工。隧道施工监控量测因用途的不同有各种选项，拱顶沉降和周边位移是最常用的二项，本文以某隧道量测结果为例，主要讲述拱顶沉降和周边位移量测数据通过回归分析建立数学模型,从而评价和预测围岩的稳定情况。

关键词：监控量测沉降周边位移收敛回归分析函数

1 概述

1.1我国公路隧道设计越来越多的采用了复合式衬砌形式，即由初期支护和模筑砼两部分组成。设计的初期支护形式是否可以满足围岩的变形压力，模筑砼最佳浇注时间都是要通过监控量测来确定。

1.2隧道开挖后，对已开挖裸露的围岩及时进行初期支护，对初期支护的受力进行监控量测。通过观测拱顶沉降与周边位移变化情况，掌握围岩和支护的变化信息并对量测数据运用概率论与数理统计学原理，通过数学公式计算进行分析评估，并预测出围岩以后的发展趋势，以达到以下目的：

1.2.1了解隧道围岩、支护变形情况，以便及时调整支护形式，保证开挖坑道的稳定。

1.2.2依据量测数据的分析资料采取相应的支护措施和应急措施，保证施工安全。

1.2.3为二次衬砌施工提供依据。

2 监控量测方法

2.1人员及设备组织

2.1.1成立监控量测小组，小组成员为3～5名，设一名组长。编制量测方案，根据现场情况，和施工工序，合理安排，尽量减小现场监控量测与隧道施工的相互干扰。

2.1.2周边位移采用收敛仪，根据开挖断面合理选择收敛仪型号。拱顶沉降多采用精密水准仪和铟钢尺进行量测。一般应选用简单可靠、耐久、成本低、稳定性好，便于携带量测仪器，且被测的物理概念明确，有足够大的量程。

2.2监控量测点布置

图1

拱顶沉降与周边位移观测布点如图1，拱顶沉降每个断面根据开挖跨度布设1～3个测点，周边位移观测每个断面根据开挖方法布设1～3条水平测线。一般全断面开挖布设1条水平测线，台阶法开挖时每台阶设1条水平测线，特殊地段按规范要求布设水平测线。拱顶沉降及周边位移观测点应布于同一断面上，为保证初次读数的及时性，测点应距开挖面2m范围内，根据围岩情况5～50米一个断面。

2.3 数据采集

2.3.1量测点的初读数最为重要,一般应在开挖12h 内或下次爆破前，喷锚支护施作2h 后即埋设测点，并进行第一次量测数据采集。每次测试前检查仪表设备是否完好，如发现故障应及时修理或更换；确认测点是否松动或人为损坏，只有测点状态良好时方可进行量测工作。按各项量测操作规程安装好仪器仪表，并按相应仪器使用方法读取数据。

2.3.2严格按照隧道施工规范，按时进行监控量测，并用专用表格记录量测数据，根据围岩稳定情况，1～15天内1～2次/天，16天～1个月内1次/天，1～3个月内1～2次/周，大于三个月1～3次/月。

3 数据分析处理

3.1 根据量测数据绘制位移u 与时间t 的关系曲线，可以较直观的看出围岩位移变化的情况，并初步判定围岩是否趋于稳定或出现异常情况。建议采用在Excel 表格中及时输入量测结果，并利用其图表功能自动生成曲线图，能保证量测数据与曲线图同步，更能及时、直观的得到围岩变化情况。

3.2 由于量测的偶然误差所造成的离散性，因此对量测数据采用统计学原理进行分析，并以相应的数学公式进行描述，采用回归分析对量测数据进行处理和计算，得到u 、t 两个变量之间的函数关系，用这个函数曲线能代表测试点数据的散点分布，并能推算出因变量的变化速率和极限值，主要采用以下指数、对数和双曲三种曲线函数进行线性回归计算，三种曲线函数的原形公式与换算公式如下：

3.2.1指数函数：)/(T B e A u -⋅= 求导：2)/('--⋅⋅=t e AB u t B

将其转化为直线函数：t B A u 1)(ln ln -+= 极限公式： A t f t =∞→)(lim

3.2.2对数函数：)1lg(/t B A u ++= 求导：()[]2'1lg 10ln )1(1t t B u +⨯+⋅

-= 将其转化为直线函数：])1lg(1[

t B A u +⋅+= 极限公式： A t f t =∞→)(lim 3.2.3双曲函数：t

B A t

u ⋅+= 求导：()2'Bt A A u += 将其转化为直线函数：t A B u 11⋅+= 极限公式： B t f t 1)(lim =∞→

其中：A 、B — 回归常数 ；u — 位移值（mm ）； t — 初读数后的时间（天）

3.3 线性回归分析需要分别将三种函数独立进行回归计算，将其转化为直线函数bx a y +=的形式求出a 、b ，并通过a 、b 换算出曲线函数常数

A 、

B 值，以指数函数为例，视u ln 为Y ，t 1为X ，按直线方程进行回归计算，得到直线方程常数a 、b ，并计算其相关系数r ，指数函数常数a e A =、b B -=，由此可得到指数函数方程。对三种曲线函数进行回归分析后，根据三种曲线方程的相关系数r ，取r 最趋近于1的曲线方程代表所分析测点数据的变化情况，一般情况下所选择曲线函数的相关系数r 的绝对值应大于0.9。其a 、b 、r 的计算公式如下：

n x b y a ∑∑⋅-= ()22∑∑∑∑∑-⋅-⋅=x x n y x xy n b })(}{)({2222∑∑∑∑∑∑∑-⋅-⋅-⋅=y y n x x n y x xy n r

3.4 线性回归分析数据处理量大，计算复杂，一般采用工程计算器进行回归计算，常用的工程计算器（如：CASIO4500、4800、4850）都具有回归分析的功能，可在较短时间能完成量测数据的回归计算。

3.5 根据回归分析结果选定代表测点的曲线方程,并可根据求导公式计算某一天的位移速率,也可根据极限公式计算其总位移量,通过代表测点的曲线函数方程可消除偶然误差并推断出围岩的稳定情况，或估计二次衬砌