連拱隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)研究
2015-06-24
文以連拱隧道圍巖為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)連拱隧道圍巖變形進(jìn)行各方面的監(jiān)測(cè)和分析，為連拱隧道在施工過(guò)程中提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確依據(jù),指導(dǎo)隧道的現(xiàn)場(chǎng)施工,為同等類(lèi)型的隧道設(shè)計(jì)、施工和研究提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論，從而起到借鑒和參考的作用。保證隧道施工的安全以及工程投入使用后的質(zhì)量，使工程項(xiàng)目的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益得到綜合提高。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控量測(cè)圍巖變形連拱隧道
一、連拱隧道圍巖概況介紹
連拱隧道在施工過(guò)程中的特點(diǎn)是跨度很大, 結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜, 開(kāi)挖與支護(hù)是交錯(cuò)進(jìn)行的, 并且受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的影響非常大。以上這些特點(diǎn)使得圍巖應(yīng)力變化和支護(hù)荷載轉(zhuǎn)換的處理變得非常重要。不少的連拱隧道我國(guó)各地相繼建成, 但是在連拱隧道的設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中很少有相類(lèi)似的工程設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)可以得到借鑒, 特別是在連拱隧道的圍巖變形方面，所以對(duì)連拱隧道的圍巖變形更應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究，使其服務(wù)于更多的工程建設(shè)。
進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)與施工的基礎(chǔ)是對(duì)隧道圍巖進(jìn)行正確的分級(jí)，一個(gè)符合地下工程實(shí)際情況的圍巖分級(jí)，能夠在改善地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，發(fā)展新的隧道施工工藝，降低工程的計(jì)價(jià)方面起到舉足輕重的作用，能夠多快好省地修建隧道。隧道圍巖的等級(jí)劃分具體如下：
1、按巖體完整程度的等級(jí)劃分：
在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，能夠反饋重要信息的就是圍巖變形。所以我們應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其變化進(jìn)行了解，這樣不僅可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的控制，也可以利用位移反分析的方法來(lái)預(yù)測(cè)巖體結(jié)構(gòu)荷載，使其在未來(lái)的施工過(guò)程中以及投入使用的過(guò)程中做到防患于未然，保證隧道在施工過(guò)程中的安全和工程的質(zhì)量。
二、對(duì)連拱隧道圍巖變形的監(jiān)測(cè)和分析
1、首先應(yīng)當(dāng)編制連拱隧道圍巖變形的監(jiān)測(cè)和研究的計(jì)劃，為系統(tǒng)的隧道開(kāi)挖后圍巖和支護(hù)的變化規(guī)律提供可靠的依據(jù)。其主要內(nèi)容包括量測(cè)方法、量測(cè)斷面的選定、量測(cè)斷面間距、量測(cè)時(shí)間以及對(duì)其的評(píng)價(jià)。量測(cè)斷面間距的確定是這樣的，在洞口段和埋深小于二倍坑道半徑的地段每隔5～10間距設(shè)一個(gè)量測(cè)斷面，其余地段根據(jù)地質(zhì)條件，量測(cè)斷面間距可適當(dāng)加大 但必須保證沿隧道軸線每類(lèi)圍巖至少有一個(gè)量測(cè)斷面。對(duì)于地質(zhì)條件好且收斂值穩(wěn)定的地段可增長(zhǎng)量測(cè)斷面間距;在圍巖較差、收斂值長(zhǎng)期不穩(wěn)定的情況下,要縮小量測(cè)斷面間距。同時(shí)根據(jù)變形速度、距工作面距離確定量測(cè)的頻率。在接近超前導(dǎo)坑、地質(zhì)條件變差或量測(cè)值出現(xiàn)異常的情況下,量測(cè)頻率加大,必要時(shí)間為一小時(shí)或更短的時(shí)間量1次,反之頻率則可以減少。到了后期量測(cè)時(shí),可以確定在幾個(gè)月或半年一次的量測(cè)頻率。
2、實(shí)施測(cè)量計(jì)劃，獲得精確的測(cè)量信息。在這一過(guò)程中我們要注意三個(gè)問(wèn)題:①獲得滿足精度要求的可信的量測(cè)信息，如數(shù)據(jù)等；②在處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正確的預(yù)測(cè)和反饋,我們可以建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表和作散點(diǎn)圖連成實(shí)驗(yàn)曲線，特別是可以利用回歸分析函數(shù)來(lái)獲得有效的數(shù)據(jù)；③建立量測(cè)的管理體制和相應(yīng)的管理基準(zhǔn)。下面我們就來(lái)介紹用回歸方法進(jìn)行量測(cè)和數(shù)據(jù)整理工作：①根據(jù)實(shí)驗(yàn)曲線與標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)曲線圖的相似程度,確定回歸方程的類(lèi)型,常用函數(shù)形式比如:雙曲線函數(shù):1/ y = a +b/ x;對(duì)數(shù)函數(shù)；Y=a + blgx 和y=a+b1n(1 + x)，指數(shù)函數(shù): y=rebx 和y=reb/x。其中a、b為回歸常數(shù),x為自變量, y為因變量。②運(yùn)用線性變換的方法求解。如雙曲線函數(shù) 1/ y = a + b/ x，令u =1/ y, t =1/ x 則u=a+bt ,這樣就把非線性方程轉(zhuǎn)化為線性方程。對(duì)于 y 對(duì) x 的回歸方程,若用xi、yi(i= 1, 2,……, n)表示n組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),可用許多直線方程 yi = a+ b xi 代表 xi、yi的關(guān)系,從中總可以找到一條最佳直線 =a + bxi,它與全部散點(diǎn)在y方向的總誤差Q為最小。
,Q值極小的條件是分別a和b求偏導(dǎo)數(shù)為零。用最小二乘法計(jì)算回歸常數(shù)的公式為:
?、塾?jì)算回歸方程標(biāo)準(zhǔn)偏差、精度表示及預(yù)測(cè)區(qū)間:回歸方程標(biāo)準(zhǔn)偏差σ= ± Q/ ( n - k)；精度表示為 ^y ±kσ;對(duì)于給定 x ,當(dāng)置信度為 95 %時(shí), y 的預(yù)測(cè)區(qū)間為(^y - 2σ,^y +2σ)；當(dāng)置信度為 99 %時(shí),y的預(yù)測(cè)區(qū)間為(^y - 3σ,^y +3σ)，其中:k為回歸方程回歸常數(shù)數(shù)目;^y表示用回歸方程計(jì)算的y值。
下面運(yùn)用以上公式以蘭州至杭州高速公路重慶境山黃包隧道為例進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析：根據(jù)實(shí)例選用對(duì)數(shù)函數(shù)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,則回歸方程可確定為
u=-2.85+7.43ln(1+t),標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ=±√9.52/(6-2)=±1.5,所以其周2邊收斂量=-2.85+7.43ln(1+37)，拱頂下沉量=3.15+5.07ln(1+37)=21.59mm，回歸周2邊收斂位移值=周2邊收斂量/ =0.20%，回歸拱頂下沉相對(duì)位移值=拱頂下沉量/L2=0.18%。以此類(lèi)推得到有用的工程數(shù)據(jù)。
3、收斂側(cè)線的布置和數(shù)量與地質(zhì)條件、開(kāi)挖方法、變形速度等因素有關(guān)，全斷面開(kāi)挖應(yīng)當(dāng)使其埋深于小于2倍洞涇地段或淺埋隧道，或收斂量測(cè)斷面與其他兩側(cè)項(xiàng)目重合時(shí)，采用3到6條側(cè)線，一般地段采用2到3條側(cè)線，但拱腳處必須有一條水平側(cè)線。如下圖：
三、結(jié)語(yǔ)
連拱隧道的設(shè)計(jì)之所以已比較成熟，主要得益于最近幾年國(guó)家對(duì)連拱隧道設(shè)計(jì)和施工的研究和總結(jié)。在生活中鐵路公路或其他實(shí)際選線中可采用連拱隧道的設(shè)計(jì)，特別是在先天條件較好的圍巖地質(zhì)和地形有利的隧道洞口的地區(qū)進(jìn)行中短隧道的建設(shè)時(shí)，更加適宜選用連拱隧道技術(shù)。希望隨著連拱隧道這一技術(shù)的進(jìn)步，使其能夠到達(dá)更多更遠(yuǎn)的地方特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)，造福更廣的地域。
