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隧道施工过程中围岩的力学性态不仅受到岩石的自身条件和地质构造作用的影响,还受到隧道开挖方法、支护类型、支护时机、支护参数等的影响,因而寻求正确反映岩体性态的物理力学模型是非常困难的。而在隧道设计、施工中主要参考工程类比法与数理初步分析法,通过施工过程对围岩的实时监控,对监控数据进行分析和综合判断,进一步完善设计并采取相应的施工对策,其中,监测工作及监测结果分析就成为衡量设计、施工是否合理的一项重要工作。现场量测可以把隧道开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据,将施工监测所获得的数据加以处理,并与工程类比法等方法相结合,建立一些必要的判断准则,再利用监测结果分析及时地调整确定支护参数或进行施工决策,可以达到合理有效应用现场量测技术,从而确保施工安全、确定支护施作时机、提供修改的设计依据、判断隧道工程的最终稳定之目的。
随着地下空间开发利用程度不断扩展,长大隧道的开挖以及遇到不良岩土体的几率愈来愈大,对隧道的开挖速度和开挖安全要求也愈来愈高。因此,必须对隧道开挖和支护的安全性作出有效的监测和预报。本文在总结前人对于高速公路隧道监控量测技术与理论研究的基础上,结合湖北恩施到利川高速公路建设,对其第十合同段内3条隧道开展了大量的监控量测工作,对高速公路隧道施工监测方案的设计、参数的选取、监测内容的选择、现场测试的实施办法、监控量测数据的处理以及动态信息反馈进行了较为全面的研究。
论文的主要研究工作有以下几点:
1.隧道施工监测及动态信息反馈技术是新奥法原理的三大支柱之一,然而在我国目前公路隧道设计与施工完全按照新奥法实施的还不到60%,其中监控量测的工作实施和有效执行的更少,仍然不能得到重视,本文进一步研究说明了隧道监控量测对于设计与施工的重要意义,强调了隧道施工必须进行行之有效的监测和信息反馈措施。
2.研究了恩利高速公路第十合同段内三条隧道工程地质特征,其中寒坡岭隧道主要下伏基岩为三叠系中统巴东组三段(T2b3)及二段(T2b2)地层,存在的不良地质现象为岩溶;白果坝1号隧道主要下伏基岩为三叠系下统嘉陵江组中段(T1j2)灰岩,主要不良地质现象是岩溶和软弱夹层;白果坝2号隧道下伏基岩为三叠系中统巴东组一段(T2b1)及二段(T2b2)地层,主要不良地质现象也是存在岩溶,另外巴东组二段(T2b2)的粉砂质泥岩、泥岩易风干碎裂,且风化程度越高,裂隙越多,泥质含量越高,这种现象越明显。该岩石强度相对较低,但是T2b2地层为相对隔水层,新鲜地层整体性较好,地下深处地下水活动微弱,在弱风化、微风化T2b2地层中,只要对围岩采取相应的加固措施,作为隧道围岩是适宜的。
3.研究了高速公路隧道施工监测方案制定的原则、监测项目的选取,优化了监测方案的编制步骤、实施方法以及注意事项。
4.详细介绍了论文所依托的工程实例隧道施工过程中所采取的监控量测工作,文中监控量测项目分为必测项目和选测项目,其中必测项目包括地质和支护结构观察、地表下沉、周边收敛监测、拱顶下沉监测;选测项目主要包括围岩内部位移、钢支撑和锚杆内力、喷混凝土应力、二次衬砌压应力监测。结合国内外的有关规定、标准和其他工程经验提出了监控量测控制基准值,采用了Ⅲ级监测管理作为监测管理基准,进行监测警戒,将允许值的三分之二作为警告值,允许值的三分之一作为基准值,将警告值和容许值之间称为警告范围,根据监测预警境况采取相应有效措施,最后提出了测点放弃判据。
5.研究了监控量测数据处理和信息反馈的方法,主要采用了统计学中的回归分析和灰色系统理论;介绍了包括有限元法、参数控制法、收敛限制法、反分析方法等在内的确定性方法进行信息反馈。
6.应用非线性回归分析方法对隧道监测数据进行处理,进而进行预测、反馈施工,提出了隧道监测中常用的三种回归函数模型。
7.对于人员和设备投入相对较少的地质和支护结构观察信息反馈施工的应用进行了详细研究,揭示了这种目测观察方式在监测工作中的重要意义,体现了人的能动性对于监测工作仍然是最重要的,也进一步提出了对于监测人员必须具有丰富的专业知识和工程经验。
8.对工程中其他各种监控量项目进行信息反馈研究,特别引入灰色系统模型对隧道位移量测进行分析与信息反馈,文中应用了GM(1,1)模型、无偏GM(1,1)模型以及Verhulst模型用于隧道位移量测分析与反馈,达到了应用短期数据进行长期预测的目的。并且发现在这三种模型中,GM(1,1)模型和无偏GM(1,1)对于监测前期和中期监测数据较少的情况下,预测的准确性更高,而Verhulst模型在前期监测数据较少的情况下,预测效果较差,而后期预测精度大幅度提高。
最后结合论文的主要研究内容与结论,给出了进一步研究工作的相关建议。