隧道施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析

1、隧道施工監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析    【摘要】監(jiān)控量測(cè)是隧道新奧法設(shè)計(jì)施工的核心。本文通過(guò)介紹福永高速公路某隧道洞內(nèi)圍巖凈空收斂、下沉量測(cè)數(shù)據(jù)的處理與分析方法，供同類(lèi)項(xiàng)目參考借鑒。 【關(guān)鍵詞】隧道施工；監(jiān)控量測(cè)；處理；分析 中圖分類(lèi)號(hào)：U45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 0 前言 目前，我國(guó)公路隧道一般采用復(fù)合式襯砌，它一般由錨噴支護(hù)和模筑混凝土襯砌兩部分組成。眾所周知，隧道開(kāi)挖前，圍巖處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道開(kāi)挖后，洞壁形成臨空面，原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，引起應(yīng)力重新分布，在開(kāi)挖施工過(guò)程中，隨著圍巖應(yīng)力的變化，同時(shí)伴隨著圍巖位移（變形）變化。因此，采用

2、新奧法進(jìn)行隧道施工時(shí)，監(jiān)控量測(cè)是實(shí)現(xiàn)信息化施工非常重要的一環(huán)，被認(rèn)為是新奧法的三大支柱之一。實(shí)踐證明，通過(guò)量測(cè)信息及規(guī)律性認(rèn)識(shí)，可以預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定性，是檢驗(yàn)和修改設(shè)計(jì)、施工方案及加固措施行之有效的途徑。因此，如何處理和分析好監(jiān)控量測(cè)的數(shù)據(jù)，意義重大。 1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的初步整理 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的初步整理應(yīng)達(dá)到以下要求： （1）所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)記錄在專(zhuān)用的表格內(nèi)，原始記錄表格存檔以供需要時(shí)查用。所有數(shù)據(jù)均輸入計(jì)算機(jī)，用專(zhuān)門(mén)程序進(jìn)行計(jì)算處理，必要時(shí)出專(zhuān)業(yè)分析簡(jiǎn)報(bào)。監(jiān)測(cè)人員除做好每天的監(jiān)測(cè)工作外，需認(rèn)真寫(xiě)好監(jiān)測(cè)日記，內(nèi)容包括天氣、觀察情況、監(jiān)測(cè)情況、施工進(jìn)展情況、儀表工作情況等。 （2）每次數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)后要進(jìn)行

3、初步的分析，特別關(guān)注變化異常數(shù)值。根據(jù)各物理量的變化過(guò)程曲線(xiàn)，劃分急劇增長(zhǎng)段、緩慢增長(zhǎng)段及基本穩(wěn)定段，判斷其穩(wěn)定程度以及提出下步施工的意見(jiàn)；實(shí)測(cè)資料經(jīng)過(guò)分析后，確定各物理量的絕對(duì)值、變化速度、變化加速度、坡度等四個(gè)指標(biāo)，并作為判斷穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)值；經(jīng)過(guò)相關(guān)分析，找出各物理量和時(shí)間進(jìn)尺的關(guān)系，推算各物理量隨開(kāi)挖進(jìn)尺、時(shí)間推移的變化趨勢(shì)。 （3）每天應(yīng)提交一份觀測(cè)成果，每月作一次資料分析，并提交監(jiān)控量測(cè)月報(bào)。整編成果應(yīng)考證清楚、項(xiàng)目齊全、數(shù)據(jù)可靠、方法合適、圖表完整、說(shuō)明完備。監(jiān)控量測(cè)報(bào)告應(yīng)包括工程情況說(shuō)明，巡檢和儀器監(jiān)控量測(cè)情況說(shuō)明，監(jiān)控量測(cè)資料分析結(jié)果，觀測(cè)對(duì)象工作狀態(tài)及改進(jìn)意見(jiàn)等。 2 分析方法

4、 由于各種可預(yù)見(jiàn)或不可預(yù)見(jiàn)的原因，現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)所測(cè)得的數(shù)據(jù)具有一定的離散性，因此必須進(jìn)行誤差分析、回歸分析和歸納整理等去粗存精的分析處理后，才能很好的解釋量測(cè)結(jié)果的涵義，充分利用量測(cè)分析的結(jié)果。例如，要了解某一時(shí)刻某點(diǎn)位移的變化速率，簡(jiǎn)單的將相鄰時(shí)刻測(cè)得的數(shù)據(jù)相減后除以時(shí)間間隔作為變化速率是不行的，正確的做法是對(duì)量測(cè)得到的位移時(shí)間數(shù)組做數(shù)據(jù)擬合得時(shí)間位移曲線(xiàn) ，然后計(jì)算該函數(shù)在時(shí)刻t的一階導(dǎo)數(shù) 值，即為該時(shí)刻的位移速率。總而言之，量測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)處理的目的是驗(yàn)證、反饋和預(yù)報(bào)。量測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中要注意隨時(shí)完成以下幾項(xiàng)內(nèi)容： 將各項(xiàng)量測(cè)數(shù)據(jù)相互印證，以確認(rèn)量測(cè)結(jié)果的可靠性； 變形和應(yīng)力的空間分布規(guī)律，了解

5、圍巖穩(wěn)定特征，以便提供反饋，合理設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。 監(jiān)視圍巖變形和應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化情況，對(duì)最終值或變化速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。 從理論上說(shuō)，設(shè)計(jì)合理的、可靠的支護(hù)體系，應(yīng)該是一切表征圍巖與支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)性態(tài)特征的物理量隨時(shí)間逐漸趨于穩(wěn)定。反之，如果測(cè)得表征圍巖與支護(hù)系統(tǒng)力學(xué)形態(tài)特征的某種或某個(gè)物理量隨時(shí)間不是趨于穩(wěn)定，則可以斷定圍巖不穩(wěn)定，支護(hù)必須加強(qiáng)或修改設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到信息化設(shè)計(jì)的目的。 根據(jù)本隧道施工監(jiān)控量測(cè)任務(wù)及量測(cè)設(shè)計(jì)方案的要求，結(jié)合隧道圍巖條件及工程進(jìn)展，制定了具體量測(cè)工作計(jì)劃及實(shí)施細(xì)則。本方案就內(nèi)空水平收斂和拱頂下沉的量測(cè)為例進(jìn)行處理，判斷圍巖變形及支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并反饋于設(shè)計(jì)和施工。通過(guò)量測(cè)和

6、信息反饋，充分利用圍巖變形特性，及時(shí)改進(jìn)施工設(shè)計(jì)，調(diào)整施工工藝，更好地控制圍巖變形，保證圍巖穩(wěn)定。 （1）圍巖內(nèi)空收斂變形量測(cè) 量測(cè)儀器采用SL-2型鋼尺式收斂計(jì)，并配用溫度計(jì)作測(cè)尺溫度修正用。測(cè)樁及測(cè)線(xiàn)布置如圖10所示（下圖為示意，下同）。 圖10圍巖監(jiān)控量測(cè)測(cè)樁及測(cè)線(xiàn)布置 由于鋼尺受溫度變化的影響會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，故需要對(duì)鋼尺讀數(shù)進(jìn)行溫度修正，修正公式如下： （1） （2） 式中： 第 次量測(cè)的真實(shí)讀數(shù)； 第 次量測(cè)的實(shí)測(cè)讀數(shù)； 因溫度變化引起的讀數(shù)變化值，()； 第 次量測(cè)時(shí)的鋼尺拉長(zhǎng)度，()； 鋼尺的線(xiàn)膨脹系數(shù)， =12.6 10-6/或按鋼尺出廠說(shuō)明書(shū)選用； 一第 次量測(cè)時(shí)的溫度(量測(cè)

7、處)()。 對(duì)SL-2型鋼尺式收斂計(jì)，由于其測(cè)讀數(shù)的微讀數(shù)隨隧道凈空的收縮而減小，故收斂差值為： （3） 總收斂值為： （4） 式中： 第 次量測(cè)與第 1次量測(cè)的收斂差值，（）； 第 ， 1次量測(cè)的微讀數(shù),（）； 第1次到第 次量測(cè)的累計(jì)收斂值，（）。 （2）圍巖拱頂下沉變形測(cè)量 拱頂下沉采用間接法，它是基于下述原理量測(cè)計(jì)算而得： 1、2、3三測(cè)樁埋設(shè)于同一垂直平面內(nèi)，且1、2兩樁設(shè)在同一水平線(xiàn)上； l、2兩點(diǎn)只存在水平位移，拱頂?shù)?點(diǎn)只發(fā)生垂直位移。 拱頂下沉計(jì)算圖如圖11所示。 圖11拱頂下沉計(jì)算示意圖 由此可得， （5） （6） （7） （8） （9） （10） 式中： 第 次量測(cè)讀取的

8、 三條測(cè)線(xiàn)的總長(zhǎng)度，（）； 第 次量測(cè)讀取的 三條測(cè)線(xiàn)的總長(zhǎng)度，（）； 第 次量測(cè)與第 次量測(cè)的拱頂下沉差值，（）； 第1次到第 次量測(cè)的累計(jì)下沉量，（）。 （3）圍巖變形量測(cè)時(shí)間 為了使收斂量測(cè)值與相應(yīng)的量測(cè)時(shí)刻準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，也為了便于計(jì)算機(jī)輸入和數(shù)據(jù)處理，量測(cè)間隔時(shí)間按量測(cè)時(shí)讀數(shù)的準(zhǔn)確時(shí)刻用下式計(jì)算： （11） （12） 式中： 第 次量測(cè)與第 1次量測(cè)的時(shí)間間隔（天）； 第 次量測(cè)的鐘點(diǎn)小時(shí)數(shù)（小時(shí)）； 第 1次量測(cè)的鐘點(diǎn)小時(shí)數(shù)（小時(shí)）； 第 次量測(cè)的鐘點(diǎn)分鐘數(shù)（分）； 第 1次量測(cè)的鐘點(diǎn)分鐘數(shù)（分）； 第 次量測(cè)與第 1次量測(cè)的間隔天數(shù)（天）； 1440天折算出的分鐘數(shù)（分/天）； 第1次

9、到第 次量測(cè)的累計(jì)時(shí)間（天）。 （4）圍巖變形量測(cè)數(shù)據(jù)處理 由于圍巖監(jiān)測(cè)斷面多，數(shù)據(jù)量大，有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行微機(jī)處理。Excel軟件“分析工具庫(kù)”加載宏中提供了一種用于預(yù)測(cè)的“線(xiàn)性回歸分析”工具，軟件具有強(qiáng)大可靠的數(shù)據(jù)處理、圖表輸出及其預(yù)測(cè)分析功能，因此選擇微軟公司W(wǎng)indws2000作為操作平臺(tái)，利用微軟公司的Excel中文版軟件及其高級(jí)功能對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。使用前先改造原有數(shù)據(jù)表，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理計(jì)算，使非線(xiàn)性方程轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性回歸方程。 由于偶然誤差的影響而具有離散性，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的變形隨時(shí)間而變化的曲線(xiàn)有時(shí)出現(xiàn)上下波動(dòng)，不規(guī)則，難以進(jìn)行分析。有必要應(yīng)用數(shù)學(xué)方法對(duì)凈空收斂數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

10、，找出被測(cè)物理量隨時(shí)間變化的規(guī)律。因此，根據(jù)量測(cè)處理數(shù)據(jù)觀察分析，擬選用三種函數(shù)對(duì)其凈空收斂值進(jìn)行回歸： 雙曲線(xiàn)函數(shù)： 指數(shù)函數(shù)： 對(duì)數(shù)函數(shù)： 當(dāng)趨勢(shì)線(xiàn)的相關(guān)系數(shù) 的“ 平方值”最大（等于或接近1）時(shí)，所選回歸方程可靠性為最高，選擇精度最高的方程作為其回歸方程，并進(jìn)行重點(diǎn)分析。 本次監(jiān)測(cè)完后將提交監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果建立預(yù)測(cè)數(shù)模，預(yù)測(cè)出最終位移及其它有關(guān)監(jiān)測(cè)量，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，保障施工安全進(jìn)行。 3 監(jiān)測(cè)工作質(zhì)量保證措施 為保證量測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠及連續(xù)性，特采取以下措施： (1) 量測(cè)人員相對(duì)固定； (2) 儀器的管理采用專(zhuān)人使用專(zhuān)人保養(yǎng)，專(zhuān)人檢驗(yàn)的方法； (3) 量測(cè)設(shè)備、傳感器等各種元器件在使用前均經(jīng)檢查校準(zhǔn)合格后方投入使用； (4) 直讀式儀表每周檢查一次，以保證儀表的準(zhǔn)確度。填寫(xiě)觀測(cè)記錄表，注明儀器異常，儀表或裝置故障，電纜長(zhǎng)度變更及集線(xiàn)箱檢修情況； (5) 各量測(cè)項(xiàng)目在監(jiān)測(cè)過(guò)程中必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)施細(xì)則； (6) 量測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，室內(nèi)復(fù)核兩次檢查后方可上報(bào)； (7) 量測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)計(jì)算管理均采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行； 各量測(cè)項(xiàng)目從設(shè)備的管理，使用