基于灰色理论的隧道围岩变形预测

时间：2024-05-20

贾承辉

（河南省人民医院，河南郑州 450003）

基于灰色理论的隧道围岩变形预测

贾承辉

（河南省人民医院，河南郑州 450003）

河南LN高速公路某段设置一ST隧道，其为分离式隧道，采用新奥法施工。利用激光断面仪结合高精密水准仪对ST隧道断面围岩变形进行多次量测，以此为基础，探讨灰色系统理论中GM(1,1)模型和V模型对于围岩后期变形预测的适用性。结果表明，V模型预测是可行的，可用于指导施工实践。

隧道围岩；新奥法；灰色理论；变形预测

0 引言

随着现代化建设的快速发展，隧道工程在交通运输中的地位及重要性不断提高。近十几年来，我国公路隧道修筑技术，无论在设计理论还是施工方法上，都取得了质的飞跃。以前隧道设计理论以松弛荷载理论为基础，采用矿山法施工，现在岩体力学理论和新奥法[1]施工在公路隧道中得到了广泛运用。在用新奥法施工各种隧道、洞室、巷道等开挖断面时，围岩监测是其施工程序的核心之一，目前工程上常用的方法主要有应变仪、应变计及精密水准仪挂尺杆测量法等。

河南LN高速公路某段设置一ST隧道，其为分离式隧道，左右路线间距24m，隧道轴线间距35.6m，左隧道长1968m，右隧道长2079m。根据工程地质调绘及钻孔揭露，隧址区隧道进口、出口路段山坡上有少量坡洪积亚粘土，下伏基岩为中元古界汝阳群及熊耳群。利用激光断面仪结合高精密水准仪对ST隧道进行一种探索性量测，通过对隧道围岩净空定点多次量测，处理数据，分析净空收敛、拱顶下沉和围岩内部位移，以及洞内围岩偏压量测情况，及时将信息反馈于施工，评价围岩、支护结构以及承重结构的受力性能。基于激光断面仪观测的ST隧道围岩变形数据，引入灰色理论分析法，预测围岩的后期变形，以进一步指导施工实践[2]。

1 激光断面仪围岩监测

1.1 激光断面仪基本原理

激光断面仪的基本原理是用步进马达装置和激光测距装置，对选定断面进行检测，并在控制器中记录每个测点与初始方向的夹角和距离，以实现非接触性测量的方法。为使检测有可比性和便于操作，以隧道设计轴线为基准，在选定里程的轴线上测出中心桩高程，调校好激光断面仪，并测出中心桩到激光测距头旋转中心的高度，这时此旋转中心即成为一极坐标的圆心，按照与隧道轴线垂直的方向进行测量[3]。

1.2 监控量测方案

本方案采用BJSD-2型激光断面仪结合高精密水准仪定点挂尺方法，具体如下：

（1）断面布置

根据《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）[4]的要求，并结合ST隧道的具体情况，量测断面布置如下：对V级围岩，量测断面间距为10米；对IV级围岩，量测断面间距为20米；对III级围岩，量测断面间距为50米。

包含内容：①在开挖后的隧道内，利用全站仪先找到隧道中轴线；②在隧道中轴线上定出观测参照点，并测量出该点的实际高程及与隧道中轴线的偏差值。

（2）量测时间和频率

变形速度小于1mm/d时，量测频率为1次/周；变形速度大于1mm/d小于10mm/d时，量测频率为1次/天；变形速度大于10mm/d时，量测频率为2次/天。

尽量利用隧道开挖循环中立钢架阶段，对隧道断面快速进行整体及局部定点扫描，监测钢拱架、格栅支撑、锚杆和二次衬砌的变形情况，这样可保证在及时收集数据的同时又能减少频繁量测给施工进度带来的干扰。

（3）量测过程

架设BJSD-2激光断面仪于所定参照点处，进行隧道围岩周边、拱顶以及钢支撑等变形、下沉、收敛情况数据采集，且每次量测时，用精密水准仪测出参照点的高程变化值。

1.3 数据、图形的输出及处理

隧道激光断面仪由控制器存储数据，利用相应软件，由计算计直接输出，再传入计算机，以进行数据处理。开挖过程中，用激光断面仪对同一断面的围岩稳定性观测时，把多次监测数据进行比较计算出隧道的收敛位移。具体而言，就是在软件支持下，把第一次量测所得图形作为一个标准的基准图，然后把后续依次测量图与基准图比较，观察差值即可看到断面上设定的不同点的收敛变形情况。比如在数据图像比较处理时，标高坐标扣除用精密水准仪所测断面基准点围岩变形值，在比较图上就可以看到周边变形情况。如图1所示，ST隧道某里程处开挖后第四天变形与第三天比较，可看出拱顶还有约3～4mm的变形，拱肩有1～3mm的变形。

图2是ST隧道IV级围岩zk11+540.989里程处开挖后第二天拱顶变形情况，可看出此时拱顶有5mm的沉降变形。

图1 ST隧道某里程处第四天变形与第三天比较图

图2 ST隧道zk11+540.989里程处第二天拱顶变形图

2 ST隧道围岩变形预测

2.1 灰色理论原理

部分信息已知，部分信息未知的系统，称为灰色系统。灰色分析全称即为灰色系统理论分析，是由中国华中科技大学邓聚龙教授于1982年在国际经济学会议上提出的，该理论主要是针对系统模型的不明确性，信息的不完整性，进行关于系统的关联分析、模型建构、预测及决策的方法来探讨及了解系统[5]。灰色分析的优点在于：①不需要大量样本；②样本不需要有规律性分布；③计算工作量小；④定量分析结果与定性分析结果不会不一致；⑤可用于近期、短期和中长期预测；⑥灰色预测精准度高。

围岩稳定性预测研究是当前隧道地质工作中的一项重要任务，而隧道变形的定量预测是其关键之所在。这种定量预测由于资料的匮乏性而难度较大，实践性及探索性较强。20世纪80年代末以来，灰色系统理论开始引入地质领域，灰色GM(1,1)预测模型以其数量要求少，计算方便简单及预测精度高等优点被认为是解决围岩变形预测到的一种有效途径，已在一些实际工程预测中得到具体应用，并初见成效。

一切随机量都可看作是一定范围内变化的灰色量，对灰色量的处理不是找概率分布及求统计规律，而是通过数据生成来寻求数据间的规律，根据对生成数据建模实现预测目的。常用的数据生成方式有累加生成，累减生成及映射生成等几种。灰色GM(1,1)模型是常用的单变量一次累加生成预测模型，下面将采取一种较为快捷的方法，进一步探究该模型在ST隧道监控中的应用。

2.2 灰色分析预测

对ST隧道断面的量测数据如图3所示，拱顶处的变形值为3.5mm，可左右内插提取。这样，通过对同一断面进行多次观测，提取所需数值列为表1，并分别采用GM(1,1)模型和V模型进行灰色分析预测。

图3 断面仪量测数据直观图

图4 灰色分析预测值与实测值比较图

表1 ST隧道断面实测值及GM(1，1)模型和V模型预测值

2.3 预测值与实测值的比较

如图4所示，从实测值来看，240h时隧道的实际拱顶下沉量为37.5mm，而GM(1，1)模型预测的拱顶最大下沉量为33.8mm，二者基本符合。围岩变形必经要收敛于某一值，V模型预测拱顶最终收敛性较好，更能符合一般规律，而GM(1，1)模型预测值后期收敛不明显。从预测值与实测值的对比分析可以得出，采用V模型预测围岩变形是可行的，其预测结果在指导施工实践时有重要的参考作用。