广西某高速公路基于切线角理论的隧道变形监测预警应用研究.pdf

2023年6 月第43卷第2 期四川地质学报Vol.43No.2Jun.,2023广西某高速公路基于切线角理论的隧道变形监测预警应用研究冉孟坤3，韦港荣”，熊春发1.34.5，卢超波1.3.4.5，秦梓航1.3（1.广西交科集团有限公司，南宁5 30 0 0 7；2.广西北部湾投资集团有限公司，南宁5 30 0 2 9；3.广西壮族自治区公路隧道安全预警研究中心，南宁5 30 0 0 7；4.广西道路结构与材料重点实验室，南宁5 30 0 0 7;5.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心，南宁5 30 0 0 7)摘要：经典边坡变形曲线“三段式”由日本学者斋藤提出，即位移-时间曲线上的三个典型阶段：初始变化阶段、等速变化阶段及加速变化阶段。前人根据三个不同变形阶段的位移-时间曲线斜率变化关系提出了切线角的概念，基于此建立了边坡监测预警判断系统。施工期隧道围岩变形监测位移-时间变化曲线同样满足“三段式”，引入位移切线角概念进行隧道围岩变形监测预警，保证位移与时间曲线的坐标度量单位不同，在计算时容易造成定义上的不严谨，数值分析结果不确定的特点，通过对位移时间曲线做变化，实现横纵坐标轴量纲一致，通过离散小波分析方法分析位移三阶段，计算位移速率，进而求取切线角。构建隧道围岩变形曲线“三段式”预警定量分级标准，给出隧道围岩变形预警判断依据。对已有的隧道围岩变形实例研究结果表明，引入切线角进行隧道围岩变形监测预警中具有较大的应用价值。关键词：隧道围岩；切线角；隧道预警；沉降监测；变形速率。加速变形阶段中图分类号：U412DOI:10.3969/j.issn.1006-0995.2023.02.018隧道围岩沉降变形大部分满足指数模型，即累计位移（S）与时间（t）曲线的关系一般呈现出初始加速变化阶段(徐干成等，2 0 0 9；谭代明等，2 0 0 8；王一帆，2 0 2 1)，后期为匀速变化阶段，故有学者研究使用指数函数来对隧道围岩变形变化数据进行拟合（高科等，2 0 0 9；刘高，2 0 0 2），并最终预测隧道围岩变化的稳定终值。但对于隧道围岩变形较大发展到危险状态时，位移-时间曲线满足“三段式”模型，即所谓的变形演化三阶段规律（黄达，2 0 18）。从图1中看出，在隧道围岩变形从初始到发生突破预警时，位移时间曲线斜率从开始的平缓向陡峭变化，尤其当隧道围岩变形加剧时，曲线斜率往往都在持续增加，变形曲线斜率与横坐标的夹角逐渐增大。根据围岩位移变化过程的变形特征，本文提出引人边坡变形预测预报的切线角方法进行隧道变形监测预警。1隧道围岩变化三阶段隧道开挖引起的围岩变形是一个复杂过程，受到多种因素影响和制约。隧道围岩变形与岩石特性、岩石结构面特性、地应力状态、地下水状态、隧道断面尺寸和形状、开挖工法、支护措施、辅助工法以及支护施作时机等因素密切相关（赵勇，2 0 12）。在隧道围岩变形经历这三个阶段时内部与外部往往会表现不同的特征（谢小国，2 0 2 1），内部一般受地下水、软弱围岩、破碎围岩、高地应力等复杂地质情况引起平衡破坏，改变重力场与应力场分布从而收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 5基金项目：广西重点研发计划项目（桂科AB21220069）；广西交通投资集团有限公司自主立项项目：公路下伏采空区安全分析、治理技术及长期性能观测研究作者简介：冉孟坤（19 9 6 一），男，贵州省铜仁人，研究方向：物探方向，主要从事高速公路咨询与试验检测工作302文献标识码：A位移S+初始变形阶段；A1to图1隧道围岩失稳变形曲线文章编号：10 0 6-0 9 9 5（2 0 2 3）0 2-0 30 2-0 5:D等速变形阶段1t2t3时间位移T广西某高速公路基于切线角理论的隧道变形监测预警应用研究出现沉降和水平收敛，外部则表现为断面裂缝的拉裂、前缘的鼓起以及局部或整体位移的宏观迹象(Yoshinaka,TVet al.，19 9 8;Pie t r o L u n a r d i.,2 0 0 8）。围岩内部的变化往往很难获得，而外部的宏观变化迹象可以通过监测仪器获得，因此累计位移曲线是目前最能直接反应隧道开挖过程中宏观变化迹象的一种表达形式。AB段为隧道断面刚开挖的初始变形阶段：此阶段开始产生位移的阶段，隧道开挖后围岩内原始应力场被破坏，引起一定范围内的围岩应力重新分布和局部底壳残余应力的释放，围岩在松弛压力和形变压力等因素的共同影响下，一定范围内的围岩逐渐产生位移，在位移的过程中内部应力随之变化，这一过程为围岩的初始变形阶段。此阶段，在浅埋段降雨等因素，可能使围岩发生明显的位移突变现象，随着隧道后期支护的建立而减小或消失，围岩的变形随之减弱，整体来看，此阶段的变形表现为“收敛型”曲线。BC段为围岩的等速变形阶段：此阶段围岩表现为匀速变化，岩体松弛压力和形变压力由于支护结构、衬砌结构与仰拱的建立而趋于稳定。此阶段围岩所受重力、应力与支护抵抗力已经接近相等，由于岩土体力学形式表现为弹塑性的特点，此时围岩在重力的作用下表现出弹性变形的特性。围岩等速变形阶段的累计位移曲线为近似“直线型”，但在外界因素的干扰下会出现上下波动的现象，其变形速率也稳定在一定的范围以内。CD段为围岩的加速变形阶段：围岩经过等速变形阶段后，由于岩土体性质、地应力、边界条件、施工过程等方面的复杂性和随机性，支护结构在围岩压力作用下其荷载已经达到最大值，此时围岩压力大于支护所能承受的荷载，围岩的变形速率随着隧道支护荷载的减小而增加。由于增加的过程并非为线性增加即加速度并非一个恒定的值，此时围岩的累计位移曲线表现为“上凹型”。2切线角在平面坐标系中，以y轴正方向为参考方向，曲线上某点的切线方向与y轴正方向的夹角为该点的切线方位角，在位移-时间曲线中，纵轴坐标为位移，横轴坐标为时间，两者量纲不同，直接通过两点坐标求解切线角容易出现定义不严谨、存在不定值的缺点，为解决纵横坐标量纲不一致的问题，需要对坐标系作适当的变换处理，使其纵横坐标的量纲一致。从图1所示的位移-时间曲线反映出隧道围岩位移在变化过程中BC 段为等速变形阶段。在此变形阶段，隧道围岩变形速率基本保持不变，位移(S)与时间(t)之间呈线性关系，即S=ut，v 是等速变形阶段的位移速率。其余AB与CD两个阶段的位移与时间之间均呈非线性关系。即对于某一个隧道围岩变形来说。等速变形阶段的位移速率v波动不大，可以认定为定值，那么通过用位移除以此刻的位移速率v的办法，使位移-时间曲线的纵坐标变换为时间，从而使得横纵坐标量纲统一。即定义：(1)其中AS(i）某一单位时间段（一个监测周期，如一天、一周、一个月等）内隧道围岩位移的变化量；v是等速变形阶段的位移速率，T(i)为变换后与时间相同量纲的纵坐标值。图2 为纵坐标转换后与图1对应的Tt 曲线（数据经过插值、平滑、归一化等处理）。根据Tt 曲以得到切线角(i)的表达式：（2)ti-ti-1t加速变形阶段D等速变形阶段初始变形阶段；111BAtot图2 经转换后的隧道T-t曲线T(i)=4S()(i)=arctan,T()-T(i-1)=AT-t2t3时间3032023年6 月第43卷第2 期其中(i)是对应于某个监测时刻的切线角；t;为某个监测时刻；ti-1为t;的前一个监测时刻；t为AS(i)位移变化量的单位时间段；T单位时间段内的位移变化量的量纲转换值。在实际研究中，隧道岩体岩土体性质、地应力、边界条件、施工过程以及外部变化等多种因素共同影响，累计位移曲线在不同阶段可能会有区别。例如在泥岩或浅埋段，隧道的位移曲线可能受雨季周期的影响从而呈现周期性变化，或者在对隧道监测过程中，由于仪器误差、环境干扰以及人为误差等，往往不能获得隧道变形过程的真实变化曲线，使得隧道的监测曲线具有多种类型，每种类型的监测曲线特征对应的隧道所处阶段可能有所不同，如图4（数据经过插值、平滑、归一化等处理）。通过对大量隧道监测资的统计整理与总结分析，隧道常见的累计位移曲线大致可分为如图3的三种类型：收敛型、平稳型、增长型。三种隧道围岩变化特点如表1。表 1隧道位移 T-t分类特征表曲线类型阶段初始变形阶段、等速收敛型变形阶段前期等速变形阶段、加速平稳型变形阶段前期增长型加速变形阶段33变形阶段划分与变形速率研究由前文所述，在利用隧道T-t曲线计算切线角时，准确确定三个阶段位移变形速率是研究的重点，但在实际应用中，由于外界干扰，测量误差，人工误差等因素，各时刻围岩变形速率变化不同，一般呈现出在一定区间内上下波动的特征，难以准确的划分变形过程中的各个变形阶段。离散小波变换方法可以实现对数据的变形特征提取，借助于小波变换的局部时频分析特性，前人进行了大量变形信号的处理与特征提取分析研究，该方法可以抓住监测曲线中的细节部分，即使严重的外界干扰影响下，也能够提取数据变形特征信息。图4是利用小波变化处理的某高速公路隧道监测数据分析结果。原始数据（a）中不能明显看出变形特征与变形阶段，通过小波变化，分解低频信号数据，提取高频信号数据后，很容易通过（c）与（d）分析得到变形特征与划分变形阶段。304四川地质学报位移T+初始变形阶段；1111B收敏型Ato成因初始变形阶段，隧道断面刚开挖，原有应力场破坏，随着应力变化围岩逐渐趋于稳定；正在变形的隧道通过初次支护，增加隧道的荷载使得稳定性明显增加，隧道的变形趋于稳定在变形发展阶段不定期受到外界因素影响，总体偏向稳定，不会使隧道发生较大的变化容易出现在浅埋段受天气影响变形随时间逐渐增加4020100b5001-12dp/uu0-20Vol.43No.2Jun.,2023加速变形阶段D增长型等速变形阶段C平稳型1t2图3隧道T-t曲线与变形类型关系图变化情况变形速率先增加后逐渐减小变形速率较为稳定变形速率逐渐增加60a初始变形阶段2040图4隧道监测数据小波分解及变形速率t3时间原始数据低频信号高频信号变形速率匀速变形阶段加速变形阶段6080时间（d）100120140(b)一收敛累计位移（mm）广西某高速公路基于切线角理论的隧道变形监测预警应用研究经过离散小波变换后得到各变形阶段的区分时刻，再将每个各时刻的位移变形速率做算数平均，即可得到每个阶段的位移速率V。(3）其中v;是每个监测周期内的位移变化速率（一般以1天为一个周期），m为监测频次。4广西某高速公路隧道切线角预警某高速公路隧道为洞身分离式隧道。该隧道进口及洞身段呈直线形展布，出口段呈曲线形展布，隧道总体轴线方向9 9 10 5，总长8 0 5 m，隧道最大埋深约116 m。场地区域构造上位于华南华夏系构造带至南西一段，桂东南断块区，显著而广泛发育的构造体系主要由北东向构造体系和北西向构造体系。根据钻探、物探及工程地质测绘，隧道区地层主要为第四系残破积层粉质粘土、志留系下统连滩中亚群地层砂岩、加里东期地层花岗岩，主要以中风化为主，岩质坚硬，节理裂隙发育，岩体较破碎，围岩稳定性较差。自2 0 2 1年3月份施工以来，由于进、出洞口段隧道围岩主要为全-强风化砂岩、花岗岩层，节理裂隙发育，岩体极破碎，无自稳能力，稳定性差，在进口段发生6 次较大位移变化，最大位移速率12 mm/d。为保证隧道施工安全，科学准确预警，本文利用切线角方法对某隧道3个监测断面的6 0 天监测数据进行研究。(a)70.060.050.040.030.020.010.00.00(c)70.060.050.040.030.020.010.00.00(e)50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.00图5 为某隧道2 2 5 断面、2 30 断面35 0 断面的拱顶下沉与水平收敛累计位移曲线图，表2 是根据图5累计位移曲线进行量纲转换后计算得到的该隧道三个断面的切线角结果。305一拱顶累计沉降量（mm）10201020102060.050.040.030.020.010.00.03040时间（d)3040时间（d)拱顶累计沉降量（mm）3040时间(d)图5某隧道3个断面累计位移-时间曲线图50拱顶累计沉降量（mm）50605060607070700(d)50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.00(f)(wu)35.030.025.020.015.010.05.00.0010101020202030时间（d)3040时间（d）收敛累计位移（mm）3040时间（d）4050收敛累计位移（mm）50605060607070702023年6 月第43卷第2 期根据铁路隧道监控量测技术规程Q/CR9218-2015）；公路隧道施工技术规范JTG/T3660-2022）规范规定，围岩处于稳定中时du/dt0时，表明围岩进行危险状态。根据某高速公路隧道位移速率计算，当围岩变形未达到5 mm时，du/dt0，对应的切线角为5 0.19（图5 中（a）2 2 5 拱顶下沉），当位移变化量达到8 mm时，此时围岩加速变形，切线角为7 4.8 8（图5 中（f）2 35 水平收敛），而当围岩急剧变形，当日位移变化量达到12 mm时，切线角为83.38（图5 中（d）2 30 水平收敛）。通过研究，可以利用切线角给出围岩位移变形预警判断定量划分标准，即：位移变化量小于5 mm时，切线角小于45。围岩位移变形处于稳定中为等速变形阶段；位移变化量大于5 mm时,切线角大于45；围岩变形进入加速变形阶段；位移变化量大于8 mm时，切线角大于7 0，围岩变形急剧。为了进一步检验和验证切线角的适用能力，本文还对国内某高速公路一标段一号隧道、某高速公路一标段二号隧道、二标段一号隧道等多个具有较为完整变形监测资料的隧道预警实例进行分析研究，结果表明，本文所使用的切线角方法对于隧道围岩位移变化预警判据具有较强适用能力，可以用于实际隧道的预测预警。5总结由于地质因素和工程活动因素的复杂性和不确定性，难以隧道围岩变形进行精确计算，然而从统计意义上来讲，隧道围岩变形在时空分布上，仍存在较强的规律性和预测性。针对现行的隧道围岩监测量程位移预警方法，本文提出应用离散小波分析结合切线角方法，同时通过对围岩位移-时间曲线进行坐标变化实现横纵坐标量纲统一，利用离散小波分析确定位移变化曲线三阶段，确定位移速率，进而求取切线角实现隧道变形预警。本文提出的基于离散小波分析结合切线角的隧道变形预警判据方法具有较强的普适性，可以用于实际隧道监控的预测预警。利用切线角本文给出了隧道变形预警定量划分标准，当切线角小于45 时，隧道围岩变形稳定，切线角大于45 围岩处于失稳中，切线角大于7 0 围岩处于危险状态，必须立即停止施工，采取有效手段，控制其变形。利用切线角进行隧道围岩变形预警符合规范规程要求。参考文献：徐干成，乔春生，刘保国等，2 0 0 9.富溪双连拱隧道围岩强度及稳定性评价 J岩土工程学报，31（2)：2 5 9-2 6 4.谭代明，漆泰岳，莫阳春，2 0 0 9 考虑时空效应的软弱围岩隧道施工稳定性研究 J水文地质工程地质，36（4)：8 5-8 9.王一帆，元星，程倩，范杰，尹念川，2 0 2 1.基于切线角预警的滑坡匀速变形速率数据处理方法 J.水利水电技术（中英文）,5 2（12）：18 5-19 0.高科，李夕兵，2 0 0 9.等效数值法在围岩稳定性评价中的应用 J南华大学学报：自然科学版，2 3（2)：18-2 1.刘高，2 0 0 2.高地应力区结构性流变围岩稳定性研究 博士学位论文D成都：成都理工大学.黄达，张晓景，顾东明，2 0 18.“三段式”岩石滑坡的锁固段破坏模式及演化机制 J岩土工程学报，40（0 9）：16 0 1-16 0 9.赵勇，2 0 12.隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究 D.北京交通大学.谢小国，李佳胜，李勇等.2 0 2 1.昔格达断裂结构探测及活动性分析 J四川地质学报，41（0 4)：5 5 5-5 6 1.Yoshinaka,T.V.Tran,M.Osada,1998.Non-linear,stress-and strain-dependent behavior of soft rocks under cyclic triaxialconditionsJJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.Pietro Lunardi.Springer.2008.Design and construction of tunnels:analysisof controlled deformation in rock and soils（A D EC O-RS).（下转第312 页）四川地质学报表2 某隧道三断面位移变形切线角225拱顶225水平监测断面下沉21.8017.7017.8213.35超过预警界50.19限前后监控69.15数据切线角47.7239.015.7630.15Vol.43No.2Jun.,2023230拱顶230水平收敛下沉14.9332.0117.70021.5417.2472.4012.7256.3624.8883.3972.2561.6851.2824.0648.4329.7929.6644.6219.7136.51235拱顶收敛下沉38.6633.6933.1132.476.2331.8369.0947.5653.0154.9282.4344.8536.0424.9330.489.338.6635.182.302.70235水平收敛18.4324.389.1641.860.0041.7672.1874.8820.5211.37306基于信息量法的霍山县地质灾害易发性评价王宁涛，彭，黎清华，等.2 0 12，基于RS和GIS的地质灾害易发性定量评价：以湖北省五峰县为例J地学前缘，19（6)：2 2 1-2 2 9.吴柏清，何政伟，刘严松。2 0 0 8，基于GIS的信息量法在九龙县地质灾害危险性评价中的应用J.测绘科学，33（4）：146-147.赵帅，赵洲2 0 19，基于信息量模型的地质灾害易发性评价J.水力发电，（3)：2 7-32.Geological Hazard Susceptibility Evaluation in Huoshan CountyBased on Information Content MethodLIU Chuan-qiLI Lan-lanLI Tao(No.313 Geological team of Anhui Bureau of Geology and Mineral Exploration,Lu an,Anhui 237000)Abstract:Taking the sample data of 288 collapse and landslide points in Huoshan County of Anhuiprovince as anexample,seven influencing factors including ground elevation,topographic slope,topographicrelief,engineering geological rock group,geological structure,vegetation cover and hydrological factors wereselected to evaluate the vulnerability of geological disasters.The extremely high and high prone areas were679.78km,accounting for 4.27%and 29.01%,respectively,and the disaster points in the high and high proneareas accounted for 8.3%and 37.5%,respectively.The results of susceptibility evaluation can be used asreference for geological disaster prevention,urban planning and colleagues in Huoshan County.Key words:Huoshan County;susceptibility evaluation;information volume model;geological disaster（上接第30 6 页）Application Research of Tunnel Deformation Monitoring and EarlyWarning Based on Tangential Angle Theory in an Expressway inGuangxiRAN Meng-kunl,3(1-Guangxi Communications Group Co.,LTD.,Nanning 530007;2-Guangxi Beibu Gulf Investment GroupCo.,LTD.,Nanning 530029;3-Highway Tunnel Safety Research Center of Guangxi Zhuang AutonomousRegion,Nanning 530007;4-Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials,Nanning 530007;5-Research and Development Center of High Grade Highway Construction and Maintenance Technology,Abstract:The classic slope deformation curve three-stage was proposed by Saito,a Japanese scholar,three typical stages on the displacement-time curve,including initial change stage,constant velocity changestage and accelerated change stage.The concept of tangential angle was put forward by predecessors accordingto the relation of slope change of displacement-time curve in three different deformation stages,based on whichthe slope monitoring and early warning system was established.Displacement-time curve of tunnel surroundingrock deformation monitoring during construction period also meets the three-stage type.The concept oftangent angle of displacement is introduced to monitor and warn tunnel surrounding rock deformation.In orderto ensure that the coordinate measurement units of displacement and time curve are different,the definition iseasy to be imprecise in calculation and the results of numerical analysis are uncertain.To achieve the horizontaland vertical axes dimensional consistency,through discrete wavelet analysis method to analyze the displacementof three stages,calculate the displacement rate,and then get the tangent angle.The quantitative classificationstandard of three-stage early warning of tunnel surrounding rock deformation curve is constructed,and thejudgment basis of tunnel surrounding rock deformation early warning is obtained.The results of the existing casestudy of tunnel surrounding rock deformation show that the introduction of tangent angle has great applicationvalue in monitoring and warning of tunnel surrounding rock deformation.Key words:tunnel surrounding rock;tangential angle;tunnel early warning;settlement monitoring;rate ofdeformation312WEI Gang-rong XIONG Chun-fal-.4.5Materials and Equipment,Nanning530007)LU Chao-bo l,3,4,5QIN Zhi-hang.1,3