论文部分内容阅读
【摘 要】随着经济的发展，我国的隧道建设工程也得到了快速的发展。在隧道工程的施工过程中，监控量测是一个重要的内容。监控量测作为新奥法施工的一部分在隧道施工中扮演着十分重要的角色，主要包括必测项目和选测项目。对隧道围岩及其支护结构进行监控量测是保证隧道工程质量、安全必不可少的手段。基于此，文章对隧道监控量测进行分析，以期能够提供一个借鉴。
【关键词】隧道；监控量测；措施
1.监控量测目的
隧道工程与地下工程，属于一种比较特殊的工程结构体系。在隧道开挖之后，其中原有的力学体系被打破，使得原有的受力状况改变，并且随着开挖面的增大或者是深度的增长，使得这种改变也不断的延续。在进行支护之后的一段时间之内，虽然在受力状态上发生了改变，但是在围岩体与支护之间的作用力却仍然没有达到最终的平衡。随着时间的推移，再依据相关的信息进行变动，这种受力的状态才会停止，从而使得围岩间力与支护之间的作用体系达到最终的平衡。
很据“新奥法”的基本原理和设计要求，在对隧道进行实时监控量测时，其主要的目的为以下几个方面：
（1）及时的掌握围岩动态和支护结构的动态，然后利用量测结果对设计进行修改，从而指导施工；（2）做好事故和灾情的预防，通过及时采取有效的措施，使其降低损失；（3）积累资料，以为后续新奥法设计提供类比依据；（4）为确定隧道的施工安全提供可靠的信息；（5）对量测数据的分析处理和必要的计算判断后，进行预测与反馈。
2.监控量测的要求
根据隧道监控量测的项目：分为应测项目与选测项目，应测项目为核心，主要包括：（1）地质及支护状况观察；（2）周边位移；（3）拱顶下沉；（4）地表下沉。选测项目是根据不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测取得的数据类型而选择的测试项目，其中包括：（1）围岩内部位移量测（地表设点、洞内设点）；（2）围岩压力及两层支护间压力；（3）格栅钢架内力及外力；（4）支护、衬砌应力量测；（5）锚杆轴力量测等。结合葵坝隧道设计要求及实际地质情况，本文展开必测项目的论述。
量测要求：（1）能快速埋设测点。隧道在开挖过程中，开挖面四周两倍洞径范围内受开挖影响最大。（2）每一次量测数据所需时间应尽可能短。（3）测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力。（4）测试数据应准确可靠。（5）測试数据直观，不必复杂计算即可直接应用。（6）测试元件在埋设后能长期有效工作。（7）测试元件应具有足够的精度。
3.隧道监控量测的应用分析
3.1工程概况
某隧道左线桩号ZK30+504.6～ZK32+616，全长2111.4m；右线桩号YK30+500～YK32+597，全长2097m。隧道采用三心圆曲墙式横断面，设计车速80km/h，建筑限界净宽11.25m，净高5.2m；其中行车道宽度2×3.75m，左侧向宽度0.5m，右侧向宽度1.5m，左侧检修道宽0.75m，右侧检修道宽1.0m。隧道衬砌结构型式均采用复合式衬砌。
3.2监控量测方案
（1）测点布设
根据《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009规定，为了准确反映隧道围岩的变化情况，需要在隧道开挖、初次衬砌完成后的24h内，对开挖处进行监测点布设，而净空收敛量断面一般应布设在距离开挖面2m的范围，并且每断面根据围岩情况布设2～3对测点，通常应保证爆破后24h内或下一次开挖之前对每对测点进行初次测量得到初读数。周边收敛测线布置图如图1所示。
监测小组采用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，来反应围岩位移动态变化。
（2）量测仪器
隧道净空收敛及拱顶下沉的主要仪器为收敛计，DSZ2精密水准仪。
（3）净空变化和拱顶下沉量测
该隧道的量测仪器、测试精度、量测断面、间距测点数量如表1所示。
表1量测仪器、测试精度、断面间距、测点数量
注：洞口及浅埋地段断面间距取小值。
水平净空变化测线布置方法：当采用全断面开挖方式时，设一条测线；当采用台阶法开挖时，可在拱脚和边墙脚上1m的部位各设一条测线，测点布置见图1。
图1拱顶下沉、位移收敛及仰拱隆起测点布置
水平净空变化和拱顶下沉采用相同的量测频率，一般根据位移速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率，如表2和表3所示。
表2量测频率表（按距开挖面距离）
注：表中B表示隧道开挖宽度。
表3量测频率表（按位移速度）
3.3仰拱隆起量量测
仰拱隆起量量测根据图纸要求在仰拱施作后，在可能产生隆起的位置设置观测点，在地质条件复杂、下沉量大或偏压严重明显的部位加密测试。仰拱隆起观测点按普通水准基点埋设，并在3～4倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观测点的隆起量。仰拱隆起测点的布置宽度根据围岩类别、隧道地质情况和隧道开挖宽度而定，其量测断面的间距为：Ⅲ级及以上围岩不大于40m；Ⅳ级围岩不大于25m；Ⅴ级围岩小于20m。在各仰拱的地质条件变化处增设拱顶测点1～2个断面，每断面2～3个测点，测点具体布置为仰拱距离隧道边墙1m处各布置一个，仰拱中线位置布置一个，3个测点应在同一断面。隧道仰拱施作后开始测量，并待隆起稳定以后停止量测。
4.量测数据处理
4.1量测数据回归分析原理及曲线
回归分析是研究变量之间相关关系的一种统计推断法。
由于受到偶然误差的影响，使得量测的数据会出现离散的情况。因此，根据实际的测量数据绘制出的变形，会随着时间的变化的散点图，而出现上下波动的现象，非常不规则，所以就很难进行分析。针对这种情况，就需要运用数学的方式对量测数据进行回归分析，从而找出围岩变形与时间变化之间的规律，从而方便工程的设计与实际施工。通过科学依据进行测量所提供的数据，致使针对于某一个特定的量测项目来讲的，即就是只有一个控制变量，被称为一元线性回归模型。 设有一组量测记录数据：
以f（x）=a+bx为回归方程，求回归方程中的回归系数a，b。
采用最小二乘法，记平方和为：
找出使Q（a.b）达到最小时的a、b作为其估计，即：
为此，令
即对a，b分别求导，化简得：
称y=a+bx为经验回归（直线方程）或经验公式。回归精度即误差计算公式为：
测量极限值即为在回归曲线方程下xn所对应的yn。
4.2绘制收敛变形观测位移时态散点曲线
先把围岩收敛记录表中数据进行处理。由于收敛计的钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测的环境温度不尽相同，即要对观测值进行温度修正，以消除变温引起的误差。
式中：L为量测的真实值；L’为量测的实测3次读数的平均值；ΔL为修正值；α为钢尺的膨胀系数；T1为第一次量测的环境温度；Ti为第i次量测的环境温度；S为钢尺测长度。
得到钢尺的真实值L后，U=Li-L1，U即为收敛位移值，现在得到两个有用的数据，收敛位移值U和时间T，把U和T输入到excel表格里，每个位移值U对应一个时间T。用鼠标选中U和T，在excel工具栏进入“插入”菜单，选中“图表”，会出现“图表类型”对话框，在“标准类型”中，选“XY散点图”，再点击“完成”，即可以生成收敛变形观测位移时态散点曲线。
4.2对数据进行回规分析，推算最终位移值
根据测试数据散点分布规律，选用指数函数公式u=a×e-b/t作为回归函数较为合理。U和T为已知值，a和b为待求的回归常数值，回归过程即用已知值去估计常数值。由于指数函数为非线性函数，可先将其线性化。等号两边同时取自然对数，得
Inu=Ina+b（-1·t），令
得u'=Ina+bt'，这函数是线性函数，可对其线性回归分析。为得u'对u进行取自然对数处理。对t取负倒数处理得t'。由于每个位移值U对应一个时间T，同样每个u'值对应一个t'值。利用Excel对观测数据进行回归分析，要使用Excel的数据分析工具，使用数据分析工具之前，要确认“分析工具库”处于加载状态，勾選“分析工具库”、“分析工具库-VAB函数”、“规划求解”，再确定即可。点击Excel菜单中的“工具”→“数据分析”，出现数据分析窗口，选择“回归”，确定后出现回归分析窗口，在Y值输入区域选择：u'值的区域；在X值输入区域选择：t'值的区域，选择“确定”，得到回归分析结果。得好分析结果有用的数据为lna，b，R2，a=eIna，即求得了待求值a、b。R2为判定系数即为拟合优度，取值范围：0-1，拟合优度越大，自变量对因变量的解释程度越高，自变量引起的变动占总变动的百分比高。观察点在回归直线附近越密集。
5.结论
（1）采用随时监控量测技术，能够快速准确地量测隧道整个断面的变形情况，及时掌握监控围岩的稳定状态，较好地预测了现场围岩变化情况。
（2）运用回归分析量测数据，可较准确地预测围岩的最终变形量，评判围岩等级及支护结构的稳定性。监测表明葵坝隧道上下台阶法施工断面各项位移已达到预计理论位移量的80%～90%，位移速度小于0.10～0.2mm/d、拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d时，可认为围岩基本稳定，可施作二此衬砌。
（3）通过监控量测，为新奥法施工、变更设计提供理论与现场依据，降低工程造价，提高经济效益，保证了工程的进度和质量，为深圳类似条件的隧道监控量测提供了理论参考。
参考文献：
[1]林海.对于复杂环境条件下砂质粘土隧洞施工监控量测分析[J].科技与企业，2014，18：172+174.
[2]杨云，张胜良.山岭隧道软弱围岩监控量测回归分析及应用[J].北京测绘，2014，04：147-150.
[3]谢铭师.某高速公路隧道支护技术及施工监控量测研究[J].江西建材，2014，16：168+171.
【关键词】隧道；监控量测；措施
1.监控量测目的
隧道工程与地下工程，属于一种比较特殊的工程结构体系。在隧道开挖之后，其中原有的力学体系被打破，使得原有的受力状况改变，并且随着开挖面的增大或者是深度的增长，使得这种改变也不断的延续。在进行支护之后的一段时间之内，虽然在受力状态上发生了改变，但是在围岩体与支护之间的作用力却仍然没有达到最终的平衡。随着时间的推移，再依据相关的信息进行变动，这种受力的状态才会停止，从而使得围岩间力与支护之间的作用体系达到最终的平衡。
很据“新奥法”的基本原理和设计要求，在对隧道进行实时监控量测时，其主要的目的为以下几个方面：
（1）及时的掌握围岩动态和支护结构的动态，然后利用量测结果对设计进行修改，从而指导施工；（2）做好事故和灾情的预防，通过及时采取有效的措施，使其降低损失；（3）积累资料，以为后续新奥法设计提供类比依据；（4）为确定隧道的施工安全提供可靠的信息；（5）对量测数据的分析处理和必要的计算判断后，进行预测与反馈。
2.监控量测的要求
根据隧道监控量测的项目：分为应测项目与选测项目，应测项目为核心，主要包括：（1）地质及支护状况观察；（2）周边位移；（3）拱顶下沉；（4）地表下沉。选测项目是根据不同地质、工程性质等具体条件和对现场量测取得的数据类型而选择的测试项目，其中包括：（1）围岩内部位移量测（地表设点、洞内设点）；（2）围岩压力及两层支护间压力；（3）格栅钢架内力及外力；（4）支护、衬砌应力量测；（5）锚杆轴力量测等。结合葵坝隧道设计要求及实际地质情况，本文展开必测项目的论述。
量测要求：（1）能快速埋设测点。隧道在开挖过程中，开挖面四周两倍洞径范围内受开挖影响最大。（2）每一次量测数据所需时间应尽可能短。（3）测试元件应具有良好的防震、防冲击波能力。（4）测试数据应准确可靠。（5）測试数据直观，不必复杂计算即可直接应用。（6）测试元件在埋设后能长期有效工作。（7）测试元件应具有足够的精度。
3.隧道监控量测的应用分析
3.1工程概况
某隧道左线桩号ZK30+504.6～ZK32+616，全长2111.4m；右线桩号YK30+500～YK32+597，全长2097m。隧道采用三心圆曲墙式横断面，设计车速80km/h，建筑限界净宽11.25m，净高5.2m；其中行车道宽度2×3.75m，左侧向宽度0.5m，右侧向宽度1.5m，左侧检修道宽0.75m，右侧检修道宽1.0m。隧道衬砌结构型式均采用复合式衬砌。
3.2监控量测方案
（1）测点布设
根据《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009规定，为了准确反映隧道围岩的变化情况，需要在隧道开挖、初次衬砌完成后的24h内，对开挖处进行监测点布设，而净空收敛量断面一般应布设在距离开挖面2m的范围，并且每断面根据围岩情况布设2～3对测点，通常应保证爆破后24h内或下一次开挖之前对每对测点进行初次测量得到初读数。周边收敛测线布置图如图1所示。
监测小组采用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，来反应围岩位移动态变化。
（2）量测仪器
隧道净空收敛及拱顶下沉的主要仪器为收敛计，DSZ2精密水准仪。
（3）净空变化和拱顶下沉量测
该隧道的量测仪器、测试精度、量测断面、间距测点数量如表1所示。
表1量测仪器、测试精度、断面间距、测点数量
注：洞口及浅埋地段断面间距取小值。
水平净空变化测线布置方法：当采用全断面开挖方式时，设一条测线；当采用台阶法开挖时，可在拱脚和边墙脚上1m的部位各设一条测线，测点布置见图1。
图1拱顶下沉、位移收敛及仰拱隆起测点布置
水平净空变化和拱顶下沉采用相同的量测频率，一般根据位移速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率，如表2和表3所示。
表2量测频率表（按距开挖面距离）
注：表中B表示隧道开挖宽度。
表3量测频率表（按位移速度）
3.3仰拱隆起量量测
仰拱隆起量量测根据图纸要求在仰拱施作后，在可能产生隆起的位置设置观测点，在地质条件复杂、下沉量大或偏压严重明显的部位加密测试。仰拱隆起观测点按普通水准基点埋设，并在3～4倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观测点的隆起量。仰拱隆起测点的布置宽度根据围岩类别、隧道地质情况和隧道开挖宽度而定，其量测断面的间距为：Ⅲ级及以上围岩不大于40m；Ⅳ级围岩不大于25m；Ⅴ级围岩小于20m。在各仰拱的地质条件变化处增设拱顶测点1～2个断面，每断面2～3个测点，测点具体布置为仰拱距离隧道边墙1m处各布置一个，仰拱中线位置布置一个，3个测点应在同一断面。隧道仰拱施作后开始测量，并待隆起稳定以后停止量测。
4.量测数据处理
4.1量测数据回归分析原理及曲线
回归分析是研究变量之间相关关系的一种统计推断法。
由于受到偶然误差的影响，使得量测的数据会出现离散的情况。因此，根据实际的测量数据绘制出的变形，会随着时间的变化的散点图，而出现上下波动的现象，非常不规则，所以就很难进行分析。针对这种情况，就需要运用数学的方式对量测数据进行回归分析，从而找出围岩变形与时间变化之间的规律，从而方便工程的设计与实际施工。通过科学依据进行测量所提供的数据，致使针对于某一个特定的量测项目来讲的，即就是只有一个控制变量，被称为一元线性回归模型。 设有一组量测记录数据：
以f（x）=a+bx为回归方程，求回归方程中的回归系数a，b。
采用最小二乘法，记平方和为：
找出使Q（a.b）达到最小时的a、b作为其估计，即：
为此，令
即对a，b分别求导，化简得：
称y=a+bx为经验回归（直线方程）或经验公式。回归精度即误差计算公式为：
测量极限值即为在回归曲线方程下xn所对应的yn。
4.2绘制收敛变形观测位移时态散点曲线
先把围岩收敛记录表中数据进行处理。由于收敛计的钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，而每次观测的环境温度不尽相同，即要对观测值进行温度修正，以消除变温引起的误差。
式中：L为量测的真实值；L’为量测的实测3次读数的平均值；ΔL为修正值；α为钢尺的膨胀系数；T1为第一次量测的环境温度；Ti为第i次量测的环境温度；S为钢尺测长度。
得到钢尺的真实值L后，U=Li-L1，U即为收敛位移值，现在得到两个有用的数据，收敛位移值U和时间T，把U和T输入到excel表格里，每个位移值U对应一个时间T。用鼠标选中U和T，在excel工具栏进入“插入”菜单，选中“图表”，会出现“图表类型”对话框，在“标准类型”中，选“XY散点图”，再点击“完成”，即可以生成收敛变形观测位移时态散点曲线。
4.2对数据进行回规分析，推算最终位移值
根据测试数据散点分布规律，选用指数函数公式u=a×e-b/t作为回归函数较为合理。U和T为已知值，a和b为待求的回归常数值，回归过程即用已知值去估计常数值。由于指数函数为非线性函数，可先将其线性化。等号两边同时取自然对数，得
Inu=Ina+b（-1·t），令
得u'=Ina+bt'，这函数是线性函数，可对其线性回归分析。为得u'对u进行取自然对数处理。对t取负倒数处理得t'。由于每个位移值U对应一个时间T，同样每个u'值对应一个t'值。利用Excel对观测数据进行回归分析，要使用Excel的数据分析工具，使用数据分析工具之前，要确认“分析工具库”处于加载状态，勾選“分析工具库”、“分析工具库-VAB函数”、“规划求解”，再确定即可。点击Excel菜单中的“工具”→“数据分析”，出现数据分析窗口，选择“回归”，确定后出现回归分析窗口，在Y值输入区域选择：u'值的区域；在X值输入区域选择：t'值的区域，选择“确定”，得到回归分析结果。得好分析结果有用的数据为lna，b，R2，a=eIna，即求得了待求值a、b。R2为判定系数即为拟合优度，取值范围：0-1，拟合优度越大，自变量对因变量的解释程度越高，自变量引起的变动占总变动的百分比高。观察点在回归直线附近越密集。
5.结论
（1）采用随时监控量测技术，能够快速准确地量测隧道整个断面的变形情况，及时掌握监控围岩的稳定状态，较好地预测了现场围岩变化情况。
（2）运用回归分析量测数据，可较准确地预测围岩的最终变形量，评判围岩等级及支护结构的稳定性。监测表明葵坝隧道上下台阶法施工断面各项位移已达到预计理论位移量的80%～90%，位移速度小于0.10～0.2mm/d、拱顶下沉速率小于0.07～0.15mm/d时，可认为围岩基本稳定，可施作二此衬砌。
（3）通过监控量测，为新奥法施工、变更设计提供理论与现场依据，降低工程造价，提高经济效益，保证了工程的进度和质量，为深圳类似条件的隧道监控量测提供了理论参考。
参考文献：
[1]林海.对于复杂环境条件下砂质粘土隧洞施工监控量测分析[J].科技与企业，2014，18：172+174.
[2]杨云，张胜良.山岭隧道软弱围岩监控量测回归分析及应用[J].北京测绘，2014，04：147-150.
[3]谢铭师.某高速公路隧道支护技术及施工监控量测研究[J].江西建材，2014，16：168+171.