摘要：本文分析了隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的目的和內(nèi)容，以某工程為例，針對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)探究。
關(guān)鍵詞：鐵路隧道；監(jiān)控量測(cè)；設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
隨著我國(guó)鐵路建設(shè)高峰的來(lái)臨,各條鐵路的設(shè)計(jì)都向著高速度,高載重量的趨勢(shì)發(fā)展,這樣一來(lái)鐵路線路就要求盡量的取直線,進(jìn)而遇到高山不再繞避,而是選擇修建隧道。在隧道的設(shè)計(jì)中以新奧法最為成熟,也最為普遍,監(jiān)控量測(cè)是新奧法的一部分,就鐵路隧道的監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)的論述,對(duì)于相關(guān)的鐵路隧道的監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)及應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。
一、隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)的目的和內(nèi)容
1、隧道監(jiān)控測(cè)量技術(shù)的目的
1.1 了解隧道施工情況
通過(guò)隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)可以高校的了解到隧道施工中各個(gè)階段的地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化，從而全面的掌握隧道施工中所處的狀態(tài)和情況，同時(shí)也能進(jìn)一步的判斷出圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)、襯砌等結(jié)構(gòu)的可靠性，并根據(jù)這些情況采取相應(yīng)的措施來(lái)保證隧道施工和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其次，通過(guò)對(duì)隧道監(jiān)控測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以對(duì)理論分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)充和修整，并通過(guò)檢測(cè)結(jié)果的反饋，對(duì)隧道施工具有一定的指導(dǎo)作用，另外還可以根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果進(jìn)行施工方法的調(diào)整，比如調(diào)整圍巖級(jí)別、變更支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提升隧道施工的施工進(jìn)度和工程質(zhì)量。
1.2 監(jiān)測(cè)隧道環(huán)境
隧道監(jiān)控的測(cè)量不僅可以對(duì)隧道工程施工的具體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還可以對(duì)隧道工程的周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，盡可能的減少影響因素，提高隧道施工質(zhì)量。而且通過(guò)對(duì)隧道監(jiān)控量測(cè)不僅可以對(duì)隧道施工的環(huán)境進(jìn)行具體的分析，還可以通過(guò)這些具體的數(shù)據(jù)和觀測(cè)結(jié)果了解到隧道施工的規(guī)律和特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)這些結(jié)果的反饋等能夠?yàn)樗淼朗┕さ倪M(jìn)一步進(jìn)行提供一些良好的意見(jiàn)，并促進(jìn)隧道監(jiān)控量測(cè)和隧道施工技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)于我國(guó)隧道施工和隧道監(jiān)控量測(cè)的發(fā)展都具有重要的意義。
2、隧道監(jiān)控測(cè)量技術(shù)的主要內(nèi)容
監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目和具體內(nèi)容必須要嚴(yán)格的按照現(xiàn)行《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定并結(jié)合隧道施工的具體情況來(lái)進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)該對(duì)洞內(nèi)圍巖和支護(hù)狀況進(jìn)行觀察，并檢測(cè)周邊位移情況，其次對(duì)于拱頂下沉和錨桿內(nèi)力及抗撥力也要進(jìn)行精確的監(jiān)控測(cè)量。另外，對(duì)于洞口淺埋地段的地表下沉、圍巖內(nèi)部位移及鋼拱架應(yīng)力的監(jiān)測(cè)也應(yīng)該得到重視，從而全面的獲取隧道資料，為施工提供更多的參考依據(jù)[1]。
二、隧道監(jiān)控量測(cè)的工程概況及制案原則
1、工程概述
某隧道跨度9m，高度7m，全長(zhǎng)182m，其中III級(jí)圍巖135m，IV級(jí)圍巖47m，最大埋深56m，洞口兩端為淺埋。隧區(qū)屬丘陵地貌，海拔426m，穿越突出山脊。隧址內(nèi)上覆第四系坡殘積層粉質(zhì)粘土，下覆基巖為侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組泥巖夾砂巖，巖層層理清晰。測(cè)區(qū)內(nèi)地表水不發(fā)育，地下水有松散巖土類孔隙潛水、碎屑巖類裂隙水。
2、方案制定原則
隧道工程所處地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的不同決定了隧道監(jiān)測(cè)重點(diǎn)的不同，對(duì)于重點(diǎn)監(jiān)控部位需進(jìn)行精細(xì)的監(jiān)測(cè)。另外隧道工程涉及面廣，若每項(xiàng)都進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅增加了監(jiān)測(cè)人力、物力，還影響隧道的正常施工，造成整個(gè)工程造價(jià)的增加�？傊�，隧道監(jiān)控量測(cè)方案制定原則可概括為“難點(diǎn)重點(diǎn)突出、普測(cè)精測(cè)結(jié)合、必測(cè)選測(cè)搭配”，基于該隧道埋深較淺，監(jiān)控量測(cè)方案制定中應(yīng)重點(diǎn)突出地表下沉的監(jiān)測(cè)。
三、監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)
1、必測(cè)項(xiàng)目
必測(cè)項(xiàng)目是在復(fù)合式襯砌和噴錨襯砌隧道施工中必須進(jìn)行量測(cè)的項(xiàng)目，包括洞內(nèi)、外觀察，周邊位移、拱頂下沉和地表下沉，其中地表下沉僅限隧道洞口段和淺埋段（隧道埋深≤2倍隧道開(kāi)挖寬度條件下）為必測(cè)項(xiàng)目。洞內(nèi)、外觀察：設(shè)計(jì)人員根據(jù)地質(zhì)勘察資料進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)，而地質(zhì)勘察過(guò)程中只能通過(guò)調(diào)繪、物探、坑探、槽探、鉆探等方法和手段對(duì)隧道所穿過(guò)的地質(zhì)情況初步了解［5］，其具體情況不一定與勘察地質(zhì)報(bào)告相吻合。因此，必須在隧道開(kāi)挖后通過(guò)洞內(nèi)、外的觀察，判別真實(shí)地質(zhì)情況與地質(zhì)報(bào)告所述是否吻合，是否需對(duì)先前相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、修改。
周邊位移和拱頂下沉：該量測(cè)是為監(jiān)控隧道圍巖的變形，防止其過(guò)度變形甚至失穩(wěn)，釀成安全事故。同時(shí)也能根據(jù)變形的大小對(duì)施工方法的合理性、支護(hù)效果等進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于隧道的設(shè)計(jì)、施工。
地表下沉：隧道洞口段圍巖大多較為破碎，隧道開(kāi)挖對(duì)其擾動(dòng)大。另外當(dāng)隧道開(kāi)挖經(jīng)過(guò)隧道埋深≤2倍隧道開(kāi)挖寬度淺埋段時(shí)，隧道開(kāi)挖影響范圍將波及地表面建筑物，因此有必要通過(guò)對(duì)地表下沉的量測(cè)防止地表出現(xiàn)有害下沉甚至冒頂，危及地表建筑物[2]。
2、選測(cè)項(xiàng)目
選測(cè)項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)隧道地質(zhì)情況、埋深、支護(hù)措施、周邊鄰近物等因素綜合選擇，包括鋼架內(nèi)力及外力、支護(hù)襯砌內(nèi)應(yīng)力、圍巖體內(nèi)位移（洞內(nèi)設(shè)點(diǎn)）、圍巖壓力等11項(xiàng)。筆者僅對(duì)鋼架內(nèi)力及外力和圍巖壓力兩項(xiàng)做粗略介紹。
鋼架內(nèi)力及外力：鋼架由于其強(qiáng)度高、剛度大被用于地質(zhì)較差地段支護(hù)。往往支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)要么太小，支撐不住周邊圍巖，要么太大，造成浪費(fèi)。為合理確定鋼架支護(hù)參數(shù)，可進(jìn)行鋼架內(nèi)力及外力的量測(cè)，同時(shí)也為以后設(shè)計(jì)提供參考。
圍巖壓力:通過(guò)對(duì)圍巖壓力的量測(cè)，可以對(duì)圍巖狀況進(jìn)行相關(guān)評(píng)價(jià)，判斷施工作業(yè)的正確性以及是否需要加強(qiáng)支護(hù)等。
從該隧道監(jiān)控量測(cè)工程的目的出發(fā)，結(jié)合方案的制定原則，依據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF60-2009）和《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》（TB10121-2007），綜合抉擇，該隧道監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目包括：洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、錨桿內(nèi)力和圍巖壓力量測(cè)。
三、數(shù)據(jù)分析處理
結(jié)合該隧道工程特點(diǎn)，依據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)程，該隧道監(jiān)控量測(cè)工程監(jiān)測(cè)間距和頻率如表1所示。
結(jié)合隧道工程特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)必測(cè)項(xiàng)目和選測(cè)項(xiàng)目的量測(cè)將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。由于偶然誤差等因素，數(shù)據(jù)具有一定的離散性和波動(dòng)性，因此需對(duì)其進(jìn)行分析處理。分析處理過(guò)程，首先，應(yīng)將具有明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)去掉，若該數(shù)據(jù)重要或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)太多導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行分析，則需考慮補(bǔ)測(cè)；然后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行填表制圖、誤差處理等計(jì)算；最后，分析整理后的數(shù)據(jù)，分析的目的主要是抓住相關(guān)參數(shù)與時(shí)間之間的變化規(guī)律，從而對(duì)所測(cè)項(xiàng)目相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷設(shè)計(jì)、施工的合理性，提防潛在危險(xiǎn)，并對(duì)其預(yù)警。目前的預(yù)測(cè)方法主要有動(dòng)態(tài)方程法、時(shí)間序列法、灰色模型法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法四種。
1、動(dòng)態(tài)方程法
動(dòng)態(tài)方程法也稱為回歸分析法，是目前最主要采用的數(shù)據(jù)分析處理法。它從自變量和因變量一組數(shù)據(jù)出發(fā)，尋找一種函數(shù)模型，盡量將所測(cè)數(shù)據(jù)囊括其中并減小誤差。該方法常用函數(shù)模型有對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和雙曲線函數(shù)三種模型。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，有理函數(shù)模型等復(fù)雜模型也得到應(yīng)用。包太等人采用上述4種模型對(duì)某隧道量測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果進(jìn)行對(duì)比得出有理函數(shù)模型預(yù)測(cè)效果最佳。
2、時(shí)間序列法
該法運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，探求量測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，根據(jù)其歷史演變規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)演變規(guī)律和趨勢(shì)。相比其他預(yù)測(cè)方法而言，該法顯得更加簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。
3、灰色模型法
灰色系統(tǒng)理論在1982年由我國(guó)鄧聚龍教授提出。它能在數(shù)據(jù)信息不充分的條件下，建立用于系統(tǒng)未來(lái)行為預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。隨著在隧道監(jiān)控量測(cè)實(shí)際運(yùn)用中的不斷優(yōu)化改進(jìn)，該預(yù)測(cè)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中已獲得較高精度[3]。
4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法
20世紀(jì)80年代，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。它借鑒了人體信息傳輸系統(tǒng)學(xué)，具有在復(fù)雜條件下較好的建模能力和良好的數(shù)據(jù)擬合能力。李元松等人在溪洛渡電站4#公路隧道監(jiān)測(cè)中，通過(guò)對(duì)比動(dòng)態(tài)方程法、灰色模型法和有限單元法預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法預(yù)測(cè)效果最佳。王國(guó)欣等人在重慶紅旗河溝地下車(chē)站監(jiān)測(cè)中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法得到較好的效果。
考慮到數(shù)據(jù)分析處理的復(fù)雜程度，該隧道監(jiān)控量測(cè)工程采用目前廣泛使用的動(dòng)態(tài)方程法，利用origin軟件對(duì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。
結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)動(dòng)態(tài)方程法對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，并參考有關(guān)規(guī)范值，該隧道監(jiān)控量測(cè)工程對(duì)隧道施工進(jìn)行了實(shí)時(shí)分析和階段分析，對(duì)工程安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指導(dǎo)了隧道二襯施作時(shí)機(jī)的選擇以及優(yōu)化了施工方案.隧道監(jiān)控量測(cè)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際等因素，綜合抉擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，確保監(jiān)測(cè)項(xiàng)目能夠用于指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)、施工，減少對(duì)正常施工的影響。在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面建議采用多種方法綜合對(duì)比分析，有利于提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
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