连拱隧道围岩变形监测研究
2015-06-24
文以连拱隧道围岩为研究对象,通过对连拱隧道围岩变形进行各方面的监测和分析，为连拱隧道在施工过程中提供优化设计的准确依据,指导隧道的现场施工,为同等类型的隧道设计、施工和研究提供有价值的数据和结论，从而起到借鉴和参考的作用。保证隧道施工的安全以及工程投入使用后的质量，使工程项目的社会效益、经济效益和环境效益得到综合提高。
关键词：监控量测围岩变形连拱隧道
一、连拱隧道围岩概况介绍
连拱隧道在施工过程中的特点是跨度很大, 结构非常复杂, 开挖与支护是交错进行的, 并且受到当地地质的影响非常大。以上这些特点使得围岩应力变化和支护荷载转换的处理变得非常重要。不少的连拱隧道我国各地相继建成, 但是在连拱隧道的设计和施工过程中很少有相类似的工程设计和施工经验可以得到借鉴, 特别是在连拱隧道的围岩变形方面，所以对连拱隧道的围岩变形更应当进一步研究，使其服务于更多的工程建设。
进行隧道设计与施工的基础是对隧道围岩进行正确的分级，一个符合地下工程实际情况的围岩分级，能够在改善地下结构的设计，发展新的隧道施工工艺，降低工程的计价方面起到举足轻重的作用，能够多快好省地修建隧道。隧道围岩的等级划分具体如下：
1、按岩体完整程度的等级划分：
在隧道开挖过程中，能够反馈重要信息的就是围岩变形。所以我们应当通过对岩体结构的位移进行实时的监测和分析，及时对岩体结构的稳定性及其变化进行了解，这样不仅可以根据实际需要对其进行稳定性的控制，也可以利用位移反分析的方法来预测岩体结构荷载，使其在未来的施工过程中以及投入使用的过程中做到防患于未然，保证隧道在施工过程中的安全和工程的质量。
二、对连拱隧道围岩变形的监测和分析
1、首先应当编制连拱隧道围岩变形的监测和研究的计划，为系统的隧道开挖后围岩和支护的变化规律提供可靠的依据。其主要内容包括量测方法、量测断面的选定、量测断面间距、量测时间以及对其的评价。量测断面间距的确定是这样的，在洞口段和埋深小于二倍坑道半径的地段每隔5～10间距设一个量测断面，其余地段根据地质条件，量测断面间距可适当加大 但必须保证沿隧道轴线每类围岩至少有一个量测断面。对于地质条件好且收敛值稳定的地段可增长量测断面间距;在围岩较差、收敛值长期不稳定的情况下,要缩小量测断面间距。同时根据变形速度、距工作面距离确定量测的频率。在接近超前导坑、地质条件变差或量测值出现异常的情况下,量测频率加大,必要时间为一小时或更短的时间量1次,反之频率则可以减少。到了后期量测时,可以确定在几个月或半年一次的量测频率。
2、实施测量计划，获得精确的测量信息。在这一过程中我们要注意三个问题:①获得满足精度要求的可信的量测信息，如数据等；②在处理数据的基础上进行正确的预测和反馈,我们可以建立实验数据表和作散点图连成实验曲线，特别是可以利用回归分析函数来获得有效的数据；③建立量测的管理体制和相应的管理基准。下面我们就来介绍用回归方法进行量测和数据整理工作：①根据实验曲线与标准函数曲线图的相似程度,确定回归方程的类型,常用函数形式比如:双曲线函数:1/ y = a +b/ x;对数函数；Y=a + blgx 和y=a+b1n(1 + x)，指数函数: y=rebx 和y=reb/x。其中a、b为回归常数,x为自变量, y为因变量。②运用线性变换的方法求解。如双曲线函数 1/ y = a + b/ x，令u =1/ y, t =1/ x 则u=a+bt ,这样就把非线性方程转化为线性方程。对于 y 对 x 的回归方程,若用xi、yi(i= 1, 2,……, n)表示n组实测数据,可用许多直线方程 yi = a+ b xi 代表 xi、yi的关系,从中总可以找到一条最佳直线 =a + bxi,它与全部散点在y方向的总误差Q为最小。
,Q值极小的条件是分别a和b求偏导数为零。用最小二乘法计算回归常数的公式为:
③计算回归方程标准偏差、精度表示及预测区间:回归方程标准偏差σ= ± Q/ ( n - k)；精度表示为 ^y ±kσ;对于给定 x ,当置信度为 95 %时, y 的预测区间为(^y - 2σ,^y +2σ)；当置信度为 99 %时,y的预测区间为(^y - 3σ,^y +3σ)，其中:k为回归方程回归常数数目;^y表示用回归方程计算的y值。
下面运用以上公式以兰州至杭州高速公路重庆境山黄包隧道为例进行数据处理分析：根据实例选用对数函数u=a+b1n(1 + t)，令y=u，x=ln(1+t)，求解a、b，其中L1=11400mm,L2=11820mm
代入以上（1）、（2）中得a=（13.95*230.23-36.34*86.54）/(13.952-6*36.34)=-2.85，b=(230.23-13.95*86.54/6)/(36.34-13.952/6)=7.43,则回归方程可确定为
u=-2.85+7.43ln(1+t),标准偏差为σ=±√9.52/(6-2)=±1.5,所以其周2边收敛量=-2.85+7.43ln(1+37)，拱顶下沉量=3.15+5.07ln(1+37)=21.59mm，回归周2边收敛位移值=周2边收敛量/ =0.20%，回归拱顶下沉相对位移值=拱顶下沉量/L2=0.18%。以此类推得到有用的工程数据。
3、收敛侧线的布置和数量与地质条件、开挖方法、变形速度等因素有关，全断面开挖应当使其埋深于小于2倍洞泾地段或浅埋隧道，或收敛量测断面与其他两侧项目重合时，采用3到6条侧线，一般地段采用2到3条侧线，但拱脚处必须有一条水平侧线。如下图：
三、结语
连拱隧道的设计之所以已比较成熟，主要得益于最近几年国家对连拱隧道设计和施工的研究和总结。在生活中铁路公路或其他实际选线中可采用连拱隧道的设计，特别是在先天条件较好的围岩地质和地形有利的隧道洞口的地区进行中短隧道的建设时，更加适宜选用连拱隧道技术。希望随着连拱隧道这一技术的进步，使其能够到达更多更远的地方特别是边远山区，造福更广的地域。
