賈承輝
（河南省人民醫院，河南 鄭州 450003）
【摘 要】河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，採用新奧法施工。利用雷射斷面儀結合高精密水準儀對ST隧道斷面圍岩變形進行多次量測，以此為基礎，探討灰色系統理論中GM(1, 1)模型和V模型對於圍岩後期變形預測的適用性。結果表明，V模型預測是可行的，可用於指導施工實踐。
關鍵詞 隧道圍岩；新奧法；灰色理論；變形預測
0 引言
隨著現代化建設的快速發展，隧道工程在交通運輸中的地位及重要性不斷提高。近十幾年來，我國公路隧道修築技術，無論在設計理論還是施工方法上，都取得了質的飛躍。以前隧道設計理論以鬆弛荷載理論為基礎，採用礦山法施工，現在岩體力學理論和新奧法[1]施工在公路隧道中得到了廣泛運用。在用新奧法施工各種隧道、洞室、巷道等開挖斷面時，圍岩監測是其施工程序的核心之一，目前工程上常用的方法主要有應變儀、應變計及精密水準儀掛尺杆測量法等。
河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，左右路線間距24m，隧道軸線間距35.6m，左隧道長1968m，右隧道長2079m。根據工程地質調繪及鑽孔揭露，隧址區隧道進口、出口路段山坡上有少量坡洪積亞粘土，下伏基岩為中元古界汝陽群及熊耳群。利用雷射斷面儀結合高精密水準儀對ST隧道進行一種探索性量測，通過對隧道圍岩凈空定點多次量測，處理數據，分析凈空收斂、拱頂下沉和圍岩內部位移，以及洞內圍岩偏壓量測情況，及時將信息反饋於施工，評價圍岩、支護結構以及承重結構的受力性能。基於雷射斷面儀觀測的ST隧道圍岩變形數據，引入灰色理論分析法，預測圍岩的後期變形，以進一步指導施工實踐[2]。
1 雷射斷面儀圍岩監測
1.1 雷射斷面儀基本原理
雷射斷面儀的基本原理是用步進馬達裝置和雷射測距裝置，對選定斷面進行檢測，並在控制器中記錄每個測點與初始方向的夾角和距離，以實現非接觸性測量的方法。為使檢測有可比性和便於操作，以隧道設計軸線為基準，在選定里程的軸線上測出中心樁高程，調校好雷射斷面儀，並測出中心樁到雷射測距頭旋轉中心的高度，這時此旋轉中心即成為一極坐標的圓心，按照與隧道軸線垂直的方向進行測量[3]。
1.2 監控量測方案
本方案採用BJSD-2型雷射斷面儀結合高精密水準儀定點掛尺方法，具體如下：
（1）斷面布置
根據《公路隧道施工技術規範》（JTJ042-94）[4]的要求，並結合ST隧道的具體情況，量測斷面布置如下：對V級圍岩，量測斷面間距為10米；對IV級圍岩，量測斷面間距為20米；對III級圍岩，量測斷面間距為50米。
包含內容：①在開挖後的隧道內，利用全站儀先找到隧道中軸線；②在隧道中軸線上定出觀測參照點，並測量出該點的實際高程及與隧道中軸線的偏差值。
（2）量測時間和頻率
變形速度小於1mm/d時，量測頻率為1次/周；變形速度大於1mm/d小於10mm/d時，量測頻率為1次/天；變形速度大於10mm/d時，量測頻率為2次/天。
儘量利用隧道開挖循環中立鋼架階段，對隧道斷面快速進行整體及局部定點掃描，監測鋼拱架、格柵支撐、錨杆和二次襯砌的變形情況，這樣可保證在及時收集數據的同時又能減少頻繁量測給施工進度帶來的干擾。
（3）量測過程
架設BJSD-2雷射斷面儀於所定參照點處，進行隧道圍岩周邊、拱頂以及鋼支撐等變形、下沉、收斂情況數據採集，且每次量測時，用精密水準儀測出參照點的高程變化值。
1.3 數據、圖形的輸出及處理
隧道雷射斷面儀由控制器存儲數據，利用相應軟體，由計算計直接輸出，再傳入計算機，以進行數據處理。開挖過程中，用雷射斷面儀對同一斷面的圍岩穩定性觀測時，把多次監測數據進行比較計算出隧道的收斂位移。具體而言，就是在軟體支持下，把第一次量測所得圖形作為一個標準的基準圖，然後把後續依次測量圖與基準圖比較，觀察差值即可看到斷面上設定的不同點的收斂變形情況。比如在數據圖像比較處理時，標高坐標扣除用精密水準儀所測斷面基準點圍岩變形值，在比較圖上就可以看到周邊變形情況。如圖1所示，ST隧道某里程處開挖後第四天變形與第三天比較，可看出拱頂還有約3~4mm的變形，拱肩有1~3mm的變形。
圖2是ST隧道IV級圍岩zk11+540.989里程處開挖後第二天拱頂變形情況，可看出此時拱頂有5mm的沉降變形。
2 ST隧道圍岩變形預測
2.1 灰色理論原理
部分信息已知，部分信息未知的系統，稱為灰色系統。灰色分析全稱即為灰色系統理論分析，是由中國華中科技大學鄧聚龍教授於1982年在國際經濟學會議上提出的，該理論主要是針對系統模型的不明確性，信息的不完整性，進行關於系統的關聯分析、模型建構、預測及決策的方法來探討及了解系統[5]。灰色分析的優點在於：①不需要大量樣本；②樣本不需要有規律性分布；③計算工作量小；④定量分析結果與定性分析結果不會不一致；⑤可用於近期、短期和中長期預測；⑥灰色預測精準度高。
圍岩穩定性預測研究是當前隧道地質工作中的一項重要任務，而隧道變形的定量預測是其關鍵之所在。這種定量預測由於資料的匱乏性而難度較大，實踐性及探索性較強。20世紀80年代末以來，灰色系統理論開始引入地質領域，灰色GM(1, 1)預測模型以其數量要求少，計算方便簡單及預測精度高等優點被認為是解決圍岩變形預測到的一種有效途徑，已在一些實際工程預測中得到具體應用，並初見成效。
一切隨機量都可看作是一定範圍內變化的灰色量，對灰色量的處理不是找機率分布及求統計規律，而是通過數據生成來尋求數據間的規律，根據對生成數據建模實現預測目的。常用的數據生成方式有累加生成，累減生成及映射生成等幾種。灰色GM(1, 1)模型是常用的單變量一次累加生成預測模型，下面將採取一種較為快捷的方法，進一步探究該模型在ST隧道監控中的應用。
2.2 灰色分析預測
對ST隧道斷面的量測數據如圖3所示，拱頂處的變形值為3.5mm，可左右內插提取。這樣，通過對同一斷面進行多次觀測，提取所需數值列為表1，並分別採用GM(1, 1)模型和V模型進行灰色分析預測。
2.3 預測值與實測值的比較
如圖4所示，從實測值來看，240h時隧道的實際拱頂下沉量為37.5mm，而GM(1，1)模型預測的拱頂最大下沉量為33.8mm，二者基本符合。圍岩變形必經要收斂於某一值，V模型預測拱頂最終收斂性較好，更能符合一般規律，而GM(1，1)模型預測值後期收斂不明顯。從預測值與實測值的對比分析可以得出，採用V模型預測圍岩變形是可行的，其預測結果在指導施工實踐時有重要的參考作用。
3 結論
以雷射斷面儀對ST隧道圍岩變形的大量觀測數據為基礎，採用灰色系統理論中的GM(1, 1)模型和V模型分別對圍岩的後期變形進行預測，比較發現V模型預測是可行的，其預測結果對指導施工實踐有著重要的參考作用。
參考文獻
［１］林勇.對公路隧道新奧法施工監控技術的展望[J].公路交通技術,2004(8):84-87,109.
［２］賈承輝.基於斷面儀及雷達對隧道施工監測方法的研究[D].鄭州:鄭州大學,2008.
［３］北京光電技術研究所斷面儀使用手冊[Z].2005.
［４］重慶公路科學研究所.JTJ042-94公路隧道施工技術規範[S].北京:人民交通出版社,1995
［５］鄧聚龍.灰色系統論文集[M].武漢:華中理工大學出版社,1989.
［責任編輯：楊玉潔］
（河南省人民醫院，河南 鄭州 450003）
【摘 要】河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，採用新奧法施工。利用雷射斷面儀結合高精密水準儀對ST隧道斷面圍岩變形進行多次量測，以此為基礎，探討灰色系統理論中GM(1, 1)模型和V模型對於圍岩後期變形預測的適用性。結果表明，V模型預測是可行的，可用於指導施工實踐。
關鍵詞 隧道圍岩；新奧法；灰色理論；變形預測
0 引言
隨著現代化建設的快速發展，隧道工程在交通運輸中的地位及重要性不斷提高。近十幾年來，我國公路隧道修築技術，無論在設計理論還是施工方法上，都取得了質的飛躍。以前隧道設計理論以鬆弛荷載理論為基礎，採用礦山法施工，現在岩體力學理論和新奧法[1]施工在公路隧道中得到了廣泛運用。在用新奧法施工各種隧道、洞室、巷道等開挖斷面時，圍岩監測是其施工程序的核心之一，目前工程上常用的方法主要有應變儀、應變計及精密水準儀掛尺杆測量法等。
河南LN高速公路某段設置一ST隧道，其為分離式隧道，左右路線間距24m，隧道軸線間距35.6m，左隧道長1968m，右隧道長2079m。根據工程地質調繪及鑽孔揭露，隧址區隧道進口、出口路段山坡上有少量坡洪積亞粘土，下伏基岩為中元古界汝陽群及熊耳群。利用雷射斷面儀結合高精密水準儀對ST隧道進行一種探索性量測，通過對隧道圍岩凈空定點多次量測，處理數據，分析凈空收斂、拱頂下沉和圍岩內部位移，以及洞內圍岩偏壓量測情況，及時將信息反饋於施工，評價圍岩、支護結構以及承重結構的受力性能。基於雷射斷面儀觀測的ST隧道圍岩變形數據，引入灰色理論分析法，預測圍岩的後期變形，以進一步指導施工實踐[2]。
1 雷射斷面儀圍岩監測
1.1 雷射斷面儀基本原理
雷射斷面儀的基本原理是用步進馬達裝置和雷射測距裝置，對選定斷面進行檢測，並在控制器中記錄每個測點與初始方向的夾角和距離，以實現非接觸性測量的方法。為使檢測有可比性和便於操作，以隧道設計軸線為基準，在選定里程的軸線上測出中心樁高程，調校好雷射斷面儀，並測出中心樁到雷射測距頭旋轉中心的高度，這時此旋轉中心即成為一極坐標的圓心，按照與隧道軸線垂直的方向進行測量[3]。
1.2 監控量測方案
本方案採用BJSD-2型雷射斷面儀結合高精密水準儀定點掛尺方法，具體如下：
（1）斷面布置
根據《公路隧道施工技術規範》（JTJ042-94）[4]的要求，並結合ST隧道的具體情況，量測斷面布置如下：對V級圍岩，量測斷面間距為10米；對IV級圍岩，量測斷面間距為20米；對III級圍岩，量測斷面間距為50米。
包含內容：①在開挖後的隧道內，利用全站儀先找到隧道中軸線；②在隧道中軸線上定出觀測參照點，並測量出該點的實際高程及與隧道中軸線的偏差值。
（2）量測時間和頻率
變形速度小於1mm/d時，量測頻率為1次/周；變形速度大於1mm/d小於10mm/d時，量測頻率為1次/天；變形速度大於10mm/d時，量測頻率為2次/天。
儘量利用隧道開挖循環中立鋼架階段，對隧道斷面快速進行整體及局部定點掃描，監測鋼拱架、格柵支撐、錨杆和二次襯砌的變形情況，這樣可保證在及時收集數據的同時又能減少頻繁量測給施工進度帶來的干擾。
（3）量測過程
架設BJSD-2雷射斷面儀於所定參照點處，進行隧道圍岩周邊、拱頂以及鋼支撐等變形、下沉、收斂情況數據採集，且每次量測時，用精密水準儀測出參照點的高程變化值。
1.3 數據、圖形的輸出及處理
隧道雷射斷面儀由控制器存儲數據，利用相應軟體，由計算計直接輸出，再傳入計算機，以進行數據處理。開挖過程中，用雷射斷面儀對同一斷面的圍岩穩定性觀測時，把多次監測數據進行比較計算出隧道的收斂位移。具體而言，就是在軟體支持下，把第一次量測所得圖形作為一個標準的基準圖，然後把後續依次測量圖與基準圖比較，觀察差值即可看到斷面上設定的不同點的收斂變形情況。比如在數據圖像比較處理時，標高坐標扣除用精密水準儀所測斷面基準點圍岩變形值，在比較圖上就可以看到周邊變形情況。如圖1所示，ST隧道某里程處開挖後第四天變形與第三天比較，可看出拱頂還有約3~4mm的變形，拱肩有1~3mm的變形。
圖2是ST隧道IV級圍岩zk11+540.989里程處開挖後第二天拱頂變形情況，可看出此時拱頂有5mm的沉降變形。
2 ST隧道圍岩變形預測
2.1 灰色理論原理
部分信息已知，部分信息未知的系統，稱為灰色系統。灰色分析全稱即為灰色系統理論分析，是由中國華中科技大學鄧聚龍教授於1982年在國際經濟學會議上提出的，該理論主要是針對系統模型的不明確性，信息的不完整性，進行關於系統的關聯分析、模型建構、預測及決策的方法來探討及了解系統[5]。灰色分析的優點在於：①不需要大量樣本；②樣本不需要有規律性分布；③計算工作量小；④定量分析結果與定性分析結果不會不一致；⑤可用於近期、短期和中長期預測；⑥灰色預測精準度高。
圍岩穩定性預測研究是當前隧道地質工作中的一項重要任務，而隧道變形的定量預測是其關鍵之所在。這種定量預測由於資料的匱乏性而難度較大，實踐性及探索性較強。20世紀80年代末以來，灰色系統理論開始引入地質領域，灰色GM(1, 1)預測模型以其數量要求少，計算方便簡單及預測精度高等優點被認為是解決圍岩變形預測到的一種有效途徑，已在一些實際工程預測中得到具體應用，並初見成效。
一切隨機量都可看作是一定範圍內變化的灰色量，對灰色量的處理不是找機率分布及求統計規律，而是通過數據生成來尋求數據間的規律，根據對生成數據建模實現預測目的。常用的數據生成方式有累加生成，累減生成及映射生成等幾種。灰色GM(1, 1)模型是常用的單變量一次累加生成預測模型，下面將採取一種較為快捷的方法，進一步探究該模型在ST隧道監控中的應用。
2.2 灰色分析預測
對ST隧道斷面的量測數據如圖3所示，拱頂處的變形值為3.5mm，可左右內插提取。這樣，通過對同一斷面進行多次觀測，提取所需數值列為表1，並分別採用GM(1, 1)模型和V模型進行灰色分析預測。
2.3 預測值與實測值的比較
如圖4所示，從實測值來看，240h時隧道的實際拱頂下沉量為37.5mm，而GM(1，1)模型預測的拱頂最大下沉量為33.8mm，二者基本符合。圍岩變形必經要收斂於某一值，V模型預測拱頂最終收斂性較好，更能符合一般規律，而GM(1，1)模型預測值後期收斂不明顯。從預測值與實測值的對比分析可以得出，採用V模型預測圍岩變形是可行的，其預測結果在指導施工實踐時有重要的參考作用。
3 結論
以雷射斷面儀對ST隧道圍岩變形的大量觀測數據為基礎，採用灰色系統理論中的GM(1, 1)模型和V模型分別對圍岩的後期變形進行預測，比較發現V模型預測是可行的，其預測結果對指導施工實踐有著重要的參考作用。
參考文獻
［１］林勇.對公路隧道新奧法施工監控技術的展望[J].公路交通技術,2004(8):84-87,109.
［２］賈承輝.基於斷面儀及雷達對隧道施工監測方法的研究[D].鄭州:鄭州大學,2008.
［３］北京光電技術研究所斷面儀使用手冊[Z].2005.
［４］重慶公路科學研究所.JTJ042-94公路隧道施工技術規範[S].北京:人民交通出版社,1995
［５］鄧聚龍.灰色系統論文集[M].武漢:華中理工大學出版社,1989.
［責任編輯：楊玉潔］
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