隧道施工监控量测数据的处理与分析

范晓捷

【摘要】监控量测是隧道新奥法设计施工的核心。本文通过介绍福永高速公路某隧道洞内围岩净空收敛、下沉量测数据的处理与分析方法，供同类项目参考借鉴。

【关键词】隧道施工；监控量测；处理；分析

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

0 前言

目前，我国公路隧道一般采用复合式衬砌，它一般由锚喷支护和模筑混凝土衬砌两部分组成。众所周知，隧道开挖前，围岩处于应力平衡状态，隧道开挖后，洞壁形成临空面，原始的应力平衡状态被打破，引起应力重新分布，在开挖施工过程中，随着围岩应力的变化，同时伴随着围岩位移（变形）变化。因此，采用新奥法进行隧道施工时，监控量测是实现信息化施工非常重要的一环，被认为是新奥法的三大支柱之一。实践证明，通过量测信息及规律性认识，可以预报预测围岩稳定性，是检验和修改设计、施工方案及加固措施行之有效的途径。因此，如何处理和分析好监控量测的数据，意义重大。

1 监测数据的初步整理

监测数据的初步整理应达到以下要求：

（1）所有的监测数据应记录在专用的表格内，原始记录表格存档以供需要时查用。所有数据均输入计算机，用专门程序进行计算处理，必要时出专业分析简报。监测人员除做好每天的监测工作外，需认真写好监测日记，内容包括天气、观察情况、监测情况、施工进展情况、仪表工作情况等。

（2）每次数据监测后要进行初步的分析，特别关注变化异常数值。根据各物理量的变化过程曲线，划分急剧增长段、缓慢增长段及基本稳定段，判断其稳定程度以及提出下步施工的意见；实测资料经过分析后，确定各物理量的绝对值、变化速度、变化加速度、坡度等四个指标，并作为判断稳定的标准值；经过相关分析，找出各物理量和时间进尺的关系，推算各物理量随开挖进尺、时间推移的变化趋势。

（3）每天应提交一份观测成果，每月作一次资料分析，并提交监控量测月报。整编成果应考证清楚、项目齐全、数据可靠、方法合适、图表完整、说明完备。监控量测报告应包括工程情况说明，巡检和仪器监控量测情况说明，监控量测资料分析结果，观测对象工作状态及改进意见等。

2 分析方法

由于各种可预见或不可预见的原因，现场量测所测得的数据具有一定的离散性，因此必须进行误差分析、回归分析和归纳整理等去粗存精的分析处理后，才能很好的解释量测结果的涵义，充分利用量测分析的结果。例如，要了解某一时刻某点位移的变化速率，简单的将相邻时刻测得的数据相减后除以时间间隔作为变化速率是不行的，正确的做法是对量测得到的位移—时间数组做数据拟合得时间—位移曲线 ，然后计算该函数在时刻t的一阶导数 值，即为该时刻的位移速率。总而言之，量测数据数学处理的目的是验证、反馈和预报。量测数据处理过程中要注意随时完成以下几项内容：

①将各项量测数据相互印证，以确认量测结果的可靠性；

②变形和应力的空间分布规律，了解围岩稳定特征，以便提供反馈，合理设计支护参数。

③监视围岩变形和应力状态随时间的变化情况，对最终值或变化速率进行预测。

从理论上说，设计合理的、可靠的支护体系，应该是一切表征围岩与支护系统力学性态特征的物理量随时间逐渐趋于稳定。反之，如果测得表征围岩与支护系统力学形态特征的某种或某个物理量随时间不是趋于稳定，则可以断定围岩不稳定，支护必须加强或修改设计参数，达到信息化设计的目的。

根据本隧道施工监控量测任务及量测设计方案的要求，结合隧道围岩条件及工程进展，制定了具体量测工作计划及实施细则。本方案就内空水平收敛和拱顶下沉的量测为例进行处理，判断围岩变形及支护结构稳定性并反馈于设计和施工。通过量测和信息反馈，充分利用围岩变形特性，及时改进施工设计，调整施工工艺，更好地控制围岩变形，保证围岩稳定。

（1）围岩内空收敛变形量测

量测仪器采用SL-2型钢尺式收敛计，并配用温度计作测尺温度修正用。测桩及测线布置如图10所示（下图为示意，下同）。

图10围岩监控量测测桩及测线布置

由于钢尺受温度变化的影响会产生热胀冷缩，故需要对钢尺读数进行温度修正，修正公式如下：

（1）

（2）

式中： —第 次量测的真实读数；

—第 次量测的实测读数；

—因温度变化引起的读数变化值，(㎜)；

—第 次量测时的钢尺拉长度，(㎜)；

—钢尺的线膨胀系数， =12.6 10-6/℃或按钢尺出厂说明书选用；

一第 次量测时的温度(量测处)(℃)。

对SL-2型钢尺式收敛计，由于其测读数的微读数随隧道净空的收缩而减小，故收敛差值为：

（3）

总收敛值为：

（4）

式中： —第 次量测与第 －1次量测的收敛差值，（㎜）；

—第 ， －1次量测的微读数,（㎜）；

—第1次到第 次量测的累计收敛值，（㎜）。

（2）围岩拱顶下沉变形测量

拱顶下沉采用间接法，它是基于下述原理量测计算而得：

① 1、2、3三测桩埋设于同一垂直平面内，且1、2两桩设在同一水平线上；

② l、2两点只存在水平位移，拱顶的3点只发生垂直位移。

拱顶下沉计算图如图11所示。

图11拱顶下沉计算示意图

由此可得，

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

式中： —第 次量测读取的 三条测线的总长度，（㎜）；

—第 次量测读取的 三条测线的总长度，（㎜）；

—第 次量测与第 次量测的拱顶下沉差值，（㎜）；

—第1次到第 次量测的累计下沉量，（㎜）。

（3）围岩变形量测时间

为了使收敛量测值与相应的量测时刻准确对应，也为了便于计算机输入和数据处理，量测间隔时间按量测时读数的准确时刻用下式计算：

（11）

（12）

式中： —第 次量测与第 －1次量测的时间间隔（天）；

—第 次量测的钟点小时数（小时）；

—第 －1次量测的钟点小时数（小时）；

—第 次量测的钟点分钟数（分）；

—第 －1次量测的钟点分钟数（分）；

—第 次量测与第 －1次量测的间隔天数（天）；

1440—天折算出的分钟数（分/天）；

—第1次到第 次量测的累计时间（天）。

（4）围岩变形量测数据处理

由于围岩监测断面多，数据量大，有必要对原始数据进行微机处理。Excel软件“分析工具库”加载宏中提供了一种用于预测的“线性回归分析”工具，软件具有强大可靠的数据处理、图表输出及其预测分析功能，因此选择微软公司Windws2000作为操作平台，利用微软公司的Excel中文版软件及其高级功能对原始数据进行管理。使用前先改造原有数据表，对数据进行预处理计算，使非线性方程转化为线性回归方程。

由于偶然误差的影响而具有离散性，根据实测数据绘制的变形随时间而变化的曲线有时出现上下波动，不规则，难以进行分析。有必要应用数学方法对净空收敛数据进行处理，找出被测物理量随时间变化的规律。因此，根据量测处理数据观察分析，拟选用三种函数对其净空收敛值进行回归：

双曲线函数：

指数函数：

对数函数：

当趋势线的相关系数 的“ 平方值”最大（等于或接近1）时，所选回归方程可靠性为最高，选择精度最高的方程作为其回归方程，并进行重点分析。

本次监测完后将提交监测数据表，并根据监测结果建立预测数模，预测出最终位移及其它有关监测量，同时对设计进行优化，保障施工安全进行。

3 监测工作质量保证措施

为保证量测数据的真实可靠及连续性，特采取以下措施：

(1) 量测人员相对固定；

(2) 仪器的管理采用专人使用专人保养，专人检验的方法；

(3) 量测设备、传感器等各种元器件在使用前均经检查校准合格后方投入使用；

(4) 直读式仪表每周检查一次，以保证仪表的准确度。填写观测记录表，注明仪器异常，仪表或装置故障，电缆长度变更及集线箱检修情况；

(5) 各量测项目在监测过程中必须严格遵守相应的监测项目实施细则；

(6) 量测数据均经现场检查，室内复核两次检查后方可上报；

(7) 量测数据的存储计算管理均采用计算机系统进行；

各量测项目从设备的管理，使用及量测资料的整理均设专人负责。

4 结语

隧道施工中通过监控量测，人们才能深入系统的研究隧道支护结构的力学机制，才可能认识不同条件下，不同类型围岩的变形破坏机理。采用合理的方案，及时有效的对隧道监控量测数据进行处理和分析评定，可以及时发现施工中隐藏的不安全因素和隧道有可能失稳的区段或局部薄弱的部位，从而及时采取相应的加固或其他措施。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。