黃土隧道圍巖變形的時(shí)空曲線回歸分析及預(yù)警研究

黃土隧道圍巖變形的時(shí)空曲線回歸分析及預(yù)警研究

1縣隧道斜井工區(qū)v級(jí)圍巖段開挖及施工晉南鐵路渠道是中國連接?xùn)|西部的重要陸路。西起山西省呂梁市瓦塘市，東至山東省日照港，全長260公里。這是中國第一條根據(jù)1000萬噸鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路。隰縣隧道位于山西省臨汾市隰縣境內(nèi)，隧道進(jìn)口里程DK266+812，出口里程DK277+306，全長10494m，是晉中南通道的控制性工程。隧道穿越區(qū)為黃土高原梁茆區(qū)，溝壑縱橫，地形起伏較大，沖溝發(fā)育。進(jìn)出口為新黃土覆蓋，局部沖溝有砂巖出露;洞身段為第三系粉質(zhì)黏土、粗圓礫土、礫巖、砂巖及泥巖，下伏三疊系中下統(tǒng)砂巖、泥巖及泥質(zhì)砂巖?；鶐r為單斜構(gòu)造，地層平緩，產(chǎn)狀290°，∠7°。隧道位于土石界線段，水量較大，施工較為困難。遵循“新奧法”要求的“短開挖、少擾動(dòng)、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、緊襯砌”的原則，劃分為進(jìn)口、出口和2個(gè)斜井段3個(gè)工區(qū)進(jìn)行多工作面平行作業(yè)。根據(jù)圍巖實(shí)際情況，隰縣隧道斜井工區(qū)V級(jí)圍巖段采取了三臺(tái)階分步開挖法，三臺(tái)階分步開挖整個(gè)施工工序分為3個(gè)主要步驟(見圖1):(1)第1步進(jìn)行上弧形導(dǎo)坑環(huán)向開挖，施作拱部初期支護(hù);(2)第2步進(jìn)行中下臺(tái)階左右錯(cuò)開開挖，施作邊墻部初期支護(hù);(3)第3步進(jìn)行中心預(yù)留核心土開挖及隧底開挖，施作隧道初期支護(hù)。每步開挖后均及時(shí)支護(hù)，隧底初期支護(hù)后及時(shí)施作仰拱，盡早封閉成環(huán)。2監(jiān)測內(nèi)容和方法2.1選取的項(xiàng)目設(shè)計(jì)根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況及相關(guān)規(guī)范及圖紙要求，現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容分為必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目，一般按照現(xiàn)場需要進(jìn)行選擇。必測項(xiàng)目包括洞內(nèi)外觀圍巖壓力、鋼架內(nèi)力、初期支護(hù)與二襯間壓力、錨桿軸力等。主要以預(yù)測預(yù)報(bào)施工中可能出現(xiàn)的塌方等隱患為目的時(shí)常僅選擇必測項(xiàng)目，以研究支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性并探究設(shè)計(jì)優(yōu)化方面為目的時(shí)，在選擇必測項(xiàng)目的基礎(chǔ)上還要根據(jù)具體情況選擇選測項(xiàng)目。為指導(dǎo)施工的安全順利進(jìn)行，監(jiān)測組在現(xiàn)場典型地質(zhì)段埋設(shè)了測點(diǎn)，完成掌子面地質(zhì)觀察、初期支護(hù)后斷面的周邊收斂、錨桿內(nèi)力監(jiān)測等，測點(diǎn)布置如圖2所示。2.2監(jiān)測方法2.2.1巖石結(jié)構(gòu)及裂隙發(fā)育情況記錄觀察記錄工作面的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，作地質(zhì)素描。具體有:開挖過程中，觀察掌子面圍巖的巖性、巖質(zhì)、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和方向、延展性、連通性、起伏狀況、填充情況，有無松散坍塌、剝落、掉塊現(xiàn)象、有無漏水等情況，將上述情況詳細(xì)記錄并繪制素描圖;觀察初期支護(hù)狀態(tài)，包括噴層是否產(chǎn)生裂縫、剝離和剪切破壞、鋼支撐是否壓屈等，以此作為支護(hù)參數(shù)選擇的參考及量測等級(jí)選擇的依據(jù)。2.2.2技術(shù)應(yīng)用及測量洞內(nèi)周邊位移的量測內(nèi)容有水平收斂與拱頂下沉。一般水平收斂采用收斂計(jì)，拱頂下沉采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀配合垂向吊掛鋼尺進(jìn)行測量。在施工工序較復(fù)雜時(shí)，常規(guī)方法極易干擾施工，可采用高精度全站儀配合發(fā)射膜片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本文聯(lián)合采用兩種方法進(jìn)行水平收斂與拱頂下沉的測量。其中拱頂下沉與上臺(tái)階水平測線收斂采用全站儀非接觸量測，下臺(tái)階水平測線收斂采用收斂計(jì)。全站儀非接觸量測的具體方法如圖3所示。在距離測量標(biāo)靶一定距離的穩(wěn)定襯砌位置貼1個(gè)反光膜片作為后視點(diǎn)，全站儀自由設(shè)站，使用全站儀的“對(duì)邊測量”功能可以量測出被測點(diǎn)與后視點(diǎn)的相對(duì)位移，該位移即拱頂下沉。全站儀自由設(shè)站非接觸測量隧道圍巖變形的原理可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。2.2.3地表鉆孔地層測點(diǎn)及測點(diǎn)布置一般在隧道洞口段或淺埋段和地面上有構(gòu)筑物的地段進(jìn)行地表沉降量測。首先在隧道開挖外側(cè)5倍洞徑距離外區(qū)域埋設(shè)2個(gè)測量基點(diǎn)，測點(diǎn)采用地表鉆孔埋設(shè)，測點(diǎn)四周用水泥砂漿固定。當(dāng)采用常規(guī)水準(zhǔn)測量手段出現(xiàn)困難時(shí)，可采用全站儀量測。測點(diǎn)沿隧道軸向每隔5～10m布設(shè)，每個(gè)斷面測點(diǎn)橫向間距2～5m，中軸線附近適當(dāng)加密。當(dāng)洞口段山體有易滑塌邊坡時(shí)，需同時(shí)進(jìn)行邊坡位移監(jiān)測，監(jiān)測網(wǎng)的測線方向?yàn)榛瑒?dòng)方向。常用監(jiān)測儀器有精密水準(zhǔn)儀，銦鋼尺等，困難地段采用高精度全站儀。3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法很多，主要有回歸分析與反分析兩種，本工程采用回歸分析方法對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3.1圍巖與初期支護(hù)穩(wěn)定的判別指標(biāo)隧道修建中需要確保圍巖的穩(wěn)定安全，也就是監(jiān)測數(shù)據(jù)是收斂的，在選擇回歸函數(shù)上也要求一定是收斂的增函數(shù)，且回歸函數(shù)的一階、二階導(dǎo)數(shù)是存在的。從圍巖變形量預(yù)測與各階段圍巖變形速率著手，進(jìn)而判定圍巖和支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)。圍巖與初期支護(hù)穩(wěn)定的判別指標(biāo)是:對(duì)于雙線隧道初期支護(hù)實(shí)測最大累積位移值或預(yù)測值≤極限相對(duì)位移值的80%，凈空變化速率<0.2mm/d或者拱頂下沉速率<0.15mm/d。目前常用于隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)回歸分析的非線性函數(shù)有以下5種。1)雙曲線函數(shù)2)倒指數(shù)函數(shù)3)倒對(duì)數(shù)函數(shù)4)對(duì)數(shù)函數(shù)5)S型曲線函數(shù)上述5式中，A,B為回歸系數(shù);C為可選回歸系數(shù)。其作為監(jiān)測數(shù)據(jù)的回歸函數(shù)時(shí)，5種函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)均>0，可以作為回歸判斷依據(jù)，但是上述公式(3)～(5)式的二階導(dǎo)數(shù)不宜作為判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性依據(jù)。3.2模型及預(yù)測函數(shù)的選擇以隰縣隧道Ⅵ級(jí)圍巖段DK270+480,DK271+520和DK271+590斷面的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)處理為例說明分析方法及圍巖穩(wěn)定性，如圖4所示。圖4顯示的是上述3個(gè)斷面在臺(tái)階法開挖過程中位移變化時(shí)程曲線。從圖中可以看出，上下測線的收斂值分別在16mm與8mm左右，上測線在上臺(tái)階開挖20d后基本趨于穩(wěn)定，下測線的穩(wěn)定歷時(shí)也基本在3周以后。從上測線的水平收斂曲線來看，上臺(tái)階開挖后水平位移變化值不大，2周后下臺(tái)階中槽開挖，收斂變化加速，下臺(tái)階邊墻部開挖，收斂速率達(dá)到最大，下臺(tái)階開挖期間上測線累積收斂量約達(dá)到總收斂量的70%。圖4c顯示DK271+520斷面在開挖3周后整個(gè)斷面收斂值依然快速發(fā)展，沒有穩(wěn)定跡象。對(duì)3個(gè)斷面的水平收斂數(shù)據(jù)分別運(yùn)用上述5種回歸函數(shù)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，選擇相關(guān)系數(shù)最高的函數(shù)作為計(jì)算曲線的預(yù)測函數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，3個(gè)斷面最終選用的回歸預(yù)測函數(shù)方程如表1所示。3.3拱頂下沉預(yù)測量，提前掌握3個(gè)斷面的拱頂下沉變化時(shí)程曲線如圖5所示，從曲線的變化分析發(fā)現(xiàn)，在上臺(tái)階開挖期間，拱頂下沉的總值并不大，下臺(tái)階開挖后，下沉速率持續(xù)增長，但很快趨于穩(wěn)定，整體過程歷時(shí)大約2周，拱頂下沉量完成了總預(yù)測量的75%。DK271+520斷面在20d前后突然改變了趨穩(wěn)態(tài)勢，出現(xiàn)大變形，因此需密切關(guān)注該斷面發(fā)展，以防突發(fā)安全事故。3.4錨桿安裝角度對(duì)支護(hù)體的力學(xué)性質(zhì)影響分析為了解錨桿對(duì)圍巖位移的約束工作性能，選擇3處典型圍巖變化區(qū)段對(duì)錨桿軸力進(jìn)行了量測，進(jìn)而判定支護(hù)效果。DK270+480斷面在兩邊墻和拱頂圍巖內(nèi)部埋設(shè)了3.0m長錨桿。錨桿安裝28d后測得某斷面錨桿軸力分布如圖6所示，可以看出，該斷面錨桿軸力呈現(xiàn)隧道近端大，深部小的形式，最大值達(dá)到20kN，且均為拉應(yīng)力，說明錨桿在圍巖的收斂變形作用下已經(jīng)發(fā)揮了錨固力，近端由于錨桿與工字鋼鋼架、鋼筋網(wǎng)片等直接焊接成整體，噴漿后形成剛性混凝土板，對(duì)錨桿形成了“托盤”作用，有助于錨固力的發(fā)揮，使得錨桿拉力最大值出現(xiàn)在圍巖表面處。錨桿軸力隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示，可以看出，錨桿上3個(gè)測點(diǎn)的軸力變化趨勢基本一致。錨桿在安裝后，軸力開始逐級(jí)增大，達(dá)到峰值后經(jīng)歷多次小幅衰減后趨于穩(wěn)定。由于隧道采用三臺(tái)階開挖，中下臺(tái)階開挖過程中的多次爆破引起圍巖的急劇變形使得錨桿軸力產(chǎn)生震蕩變化，直到開挖面超出了爆破振動(dòng)影響范圍后軸力才趨于平緩，穩(wěn)定時(shí)間在25d左右。4預(yù)警系統(tǒng)4.1監(jiān)測點(diǎn)群不確定性分析，強(qiáng)化質(zhì)量控制采用上面的測量方法，選定隧道開挖中的關(guān)鍵控制斷面和觀測特征點(diǎn)進(jìn)行周期性重復(fù)觀測，通過對(duì)量測數(shù)據(jù)的及時(shí)分析，生成觀測值變化速率、位移及應(yīng)力等變化量時(shí)程曲線圖，研究監(jiān)測點(diǎn)群的變形、應(yīng)力等參量的變化規(guī)律，并通過回歸等方法尋找預(yù)測變化規(guī)律的函數(shù)關(guān)系，以方便下一階段的預(yù)測與預(yù)警。數(shù)據(jù)采集過程中需加強(qiáng)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)校核工作。首先對(duì)監(jiān)測儀器按時(shí)校驗(yàn)，提高測量精度;其次采用優(yōu)化可靠的測量方法，減小系統(tǒng)誤差;監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)整理計(jì)算需設(shè)置至少兩套系統(tǒng)，由不同的人分別計(jì)算，確保消除數(shù)據(jù)整理中的人為錯(cuò)誤。4.24個(gè)顏色的警告標(biāo)準(zhǔn)黃土隧道施工期災(zāi)變風(fēng)險(xiǎn)分為四級(jí)，與一般災(zāi)害管理一致，預(yù)警管理按照紅色、橙色、黃色和藍(lán)色控制。預(yù)警等級(jí)的含義和指標(biāo)控制如表2所示。4.3預(yù)警度的確定在監(jiān)測各指標(biāo)的基礎(chǔ)上，分析監(jiān)測量變化規(guī)律與警情，結(jié)合監(jiān)測預(yù)測量與控制閾值，提出自己的判斷，得出預(yù)警警度，并確定是否需要發(fā)布預(yù)警及發(fā)布時(shí)機(jī)。隧道施工是個(gè)復(fù)雜的過程，一旦遇到嚴(yán)重的災(zāi)情則需停工或進(jìn)行預(yù)防控制措施，不但延誤工期，還浪費(fèi)一定的人力財(cái)力。因此，預(yù)警決策過程是一個(gè)嚴(yán)格的程序，是一個(gè)群策群力的事件。預(yù)警度的確定也必定是在綜合分析工程特點(diǎn)、規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢和現(xiàn)場巡視情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，不能依據(jù)單方面的現(xiàn)象來完成。黃色和藍(lán)色預(yù)警由監(jiān)測工程師和巡視監(jiān)理工程師會(huì)商確定，橙色以上預(yù)警則由監(jiān)測工程師會(huì)同巡視監(jiān)理工程師、現(xiàn)場安全員和項(xiàng)目總工來綜合判斷，一旦確定警度應(yīng)立即通知項(xiàng)目經(jīng)理、監(jiān)理辦及建設(shè)指揮部，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警發(fā)布，層層落實(shí)到每一個(gè)施工人員，及時(shí)啟動(dòng)預(yù)控對(duì)策。預(yù)警信息發(fā)布流程如圖8所示。4.4現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果調(diào)整預(yù)警信息一經(jīng)發(fā)布，必須按照預(yù)警警度制定相應(yīng)的工程預(yù)防措施并嚴(yán)格按照該措施施工。1)預(yù)警指標(biāo)跟蹤觀測為了準(zhǔn)確掌握隧道開挖中的警情變化，在發(fā)布警情后應(yīng)加強(qiáng)施工中監(jiān)測量變化的量測，尤其是洞周位移、噴層裂縫和掌子面涌水等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常變化如監(jiān)測量突然增大時(shí)，分析警情變化，確定是否升級(jí)預(yù)警級(jí)別和發(fā)布。2)合理施工合理組織施工工序、優(yōu)化施工方法是控制圍巖穩(wěn)定安全的重要手段。采用短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉的施工原則，減少圍巖暴露時(shí)間和施工擾動(dòng)，并針對(duì)地質(zhì)情況，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度，對(duì)破碎帶巖體及早支護(hù)成環(huán)或采用CD,CRD或微臺(tái)階法施工。3)注漿加固結(jié)合隧道地質(zhì)情況與圍巖監(jiān)測情況，對(duì)改變支護(hù)參數(shù)后仍不能改善或穩(wěn)定的區(qū)段，必要時(shí)需對(duì)工作面進(jìn)行注漿加固，以保證施工期間的安全。4)制定緊急避險(xiǎn)預(yù)案并進(jìn)行演練制定緊急避險(xiǎn)預(yù)案，確定逃生路線，指導(dǎo)應(yīng)急行動(dòng)有條不紊進(jìn)行，開展應(yīng)急救援，并定期進(jìn)行應(yīng)急培訓(xùn)與演練。5雙側(cè)噴漿層縱向裂紋控制通過對(duì)施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，斷面DK271+520在開挖3周后洞周收斂依然快速發(fā)展，收斂值超過了預(yù)測值的80%，但收斂速率仍高于規(guī)范限定值;巡查發(fā)現(xiàn)該斷面拱頂噴漿層出現(xiàn)縱向裂紋，長度近8m，經(jīng)與監(jiān)理工程師會(huì)商，聯(lián)合上報(bào)項(xiàng)目部總工，共同確定為橙色警情，隨即由項(xiàng)目部和監(jiān)理組聯(lián)合發(fā)布預(yù)警，項(xiàng)目部啟動(dòng)控制預(yù)案。自3月28日發(fā)現(xiàn)警情后，施工隊(duì)對(duì)該區(qū)段加厚了噴漿層，監(jiān)測組隨后進(jìn)行了跟蹤沉降監(jiān)測，監(jiān)測成果如表3所示。由該表可以看出，前3d拱頂沉降變化幅度僅在5mm之內(nèi)，隨后即趨于穩(wěn)定。3d后警情降為藍(lán)色，但每天繼續(xù)進(jìn)行觀測，1周后沒有再次出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，項(xiàng)目部取消警情。6健全支護(hù)機(jī)制及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制1)從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，隰縣隧道施工監(jiān)控量測的實(shí)施已經(jīng)取得了初步成效，獲得了規(guī)律性的信息成果，可以有效指導(dǎo)