隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測及反演分析研究

賀健 袁敏

1 反演法概述

利用現(xiàn)場量測到的信息,或者說量測到的來自工程施工引起的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的擾動量,來反演工程介質(zhì)材料的性態(tài)參數(shù)和初始荷載的方法,通常稱為反分析法。

可用作反演分析計(jì)算依據(jù)的工程現(xiàn)場信息稱為反分析計(jì)算研究的基礎(chǔ)信息,基礎(chǔ)信息可以分為地質(zhì)信息、工程信息和現(xiàn)場量測信息三類。反分析法可分為應(yīng)力反分析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移量測比應(yīng)力量測更經(jīng)濟(jì)、方便,且較易獲取,故位移反分析法更為工程所廣泛采用[3]。

2 反演法在某公路隧道中的應(yīng)用分析

1)工程概況。某隧道為雙洞四車道高速公路隧道,按上下行分離式形式布置。隧道位于重慶市秀山縣境內(nèi)。隧道左、右兩洞軸線最大間距為15.5 m～43.5 m,隧道進(jìn)出口段受地形限制為小間距隧道。隧道右線進(jìn)口里程為YK37+326.676,出口里程為YK40+685,右線隧道全長3358.324 m。2)地層巖性。據(jù)川東南地質(zhì)工程勘察院初勘報(bào)告及本次詳勘資料,工作區(qū)內(nèi)出露地層主要以海相沉積的碳酸鹽巖為主,間夾少量陸相沉積碎屑巖類。3)隧道圍巖分級及分布。依據(jù)隧址區(qū)不同巖石的力學(xué)性質(zhì),首先進(jìn)行巖石等級劃分,而后考慮到圍巖受地質(zhì)構(gòu)造的影響和圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度,同時(shí)考慮到各種圍巖的風(fēng)化特征對圍巖強(qiáng)度的影響以及地下水對圍巖的危害性作出圍巖綜合分級。綜合物探、鉆探資料及地調(diào)成果,本隧道圍巖可分為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。4)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)隧道的工程地質(zhì)條件,結(jié)合隧道新奧法施工原理,隧道支護(hù)采用復(fù)合式支護(hù)形式。隧道初期支護(hù)以C20噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)以及鋼支撐為主要支護(hù)手段;二次襯砌采用C25混凝土或鋼筋混凝土。5)圍巖監(jiān)控量測斷面的選取。在監(jiān)控量測過程中,不可能對隧道的所有斷面進(jìn)行量測,需要選取一些有代表性的斷面進(jìn)行監(jiān)測。一般而言,對于Ⅳ級圍巖,可按隧道長度方向每隔30 m～50 m布置一個(gè)位移量測斷面,而對于Ⅴ級圍巖,由于此類圍巖往往出現(xiàn)在隧道的進(jìn)出口、斷層、煤層等巖性較差的地段,此時(shí)就需要加密選擇位移的量測斷面,并可選擇在此類圍巖地段布設(shè)應(yīng)力應(yīng)變量測斷面。

3 隧道支護(hù)體應(yīng)力分析

1)鋼拱架應(yīng)力分析。通過近60 d的連續(xù)觀測,初襯鋼架內(nèi)應(yīng)力處于131.5370 MPa～-4.3297 MPa之間,其中右拱肩GJ3變化范圍最大。在11月18日之前,內(nèi)力處于增長期,之后鋼架內(nèi)應(yīng)力趨于穩(wěn)定。拱頂GJ3的鋼架內(nèi)應(yīng)力最大,達(dá)到131.5370 MPa,處于受壓狀態(tài)。其余測點(diǎn)鋼架內(nèi)應(yīng)力均為正值,處于受壓狀態(tài)。從后續(xù)的觀測得出,由于近期下斷面的開挖,鋼架內(nèi)應(yīng)力仍有小幅度的變化,而拱腳原始支撐點(diǎn)被破壞,使右邊墻拱架出現(xiàn)拉應(yīng)力。其最大值為設(shè)計(jì)值的60%左右,圍巖趨于穩(wěn)定。建議仰拱開挖后,及時(shí)進(jìn)行仰拱支護(hù)。

2)初襯混凝土內(nèi)力分析。通過60 d的連續(xù)觀測,初襯混凝土內(nèi)力處于3.8718 MPa～10.5497 MPa之間,其中左拱肩YB2變化范圍最大。在11月8日之前,內(nèi)力處于增長期,之后混凝土內(nèi)力趨于穩(wěn)定。左拱肩處YB2的混凝土內(nèi)力最大,達(dá)到10.5497 MPa,處于受壓狀態(tài)。其余測點(diǎn)混凝土內(nèi)力為正值,處于受壓狀態(tài)。11月15日～12月10日的連續(xù)降雨,混凝土內(nèi)力有不同程度的增加,其中左拱肩YB2的變化最大。由于近期開挖仰拱,混凝土內(nèi)力有一定的增加,圍巖趨于穩(wěn)定。

3)初襯與圍巖接觸壓力分析。通過30 d的連續(xù)觀測,初襯圍巖的接觸壓力處于0.1469MPa～0.8401 MPa之間,其中拱頂處TY3變化范圍最大。在11月16日之前,應(yīng)力處于增長期,之后圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。拱頂TY3處圍巖應(yīng)力最大,達(dá)到0.8401 MPa。從后續(xù)的觀測得出,圍巖應(yīng)力沒有繼續(xù)增加的趨勢,其絕對值相對較小,圍巖趨于穩(wěn)定。

4 利用ANSYS對隧道圍巖參數(shù)的反演分析

4.1 計(jì)算方案確定

隧道的圍巖屬Ⅳ級圍巖,隧道開挖采用鉆爆法,由于隧道斷面較大,開挖采取上下臺階開挖方案。其過程為:左洞上半斷面開挖→左洞下半斷面開挖→右洞上半斷面開挖→右洞下半斷面開挖。由于右洞的進(jìn)洞時(shí)間相對較晚,故左洞斷面先行開挖支護(hù)。

表1 拱頂下沉實(shí)測及修正數(shù)據(jù)

4.2 反演計(jì)算參數(shù)取定

由于爆破完后無法及時(shí)測量,考慮到第一天的沉降量較大,以及參考后續(xù)幾天的沉降量,對拱頂累計(jì)位移增加第一天的沉降量1.5 mm。反演的參數(shù)選取為圍巖彈性模量E1,加固圈的彈性模量 E2,圍巖的泊松比 μ(見表1,表2)。

表2 平面模型材料計(jì)算參數(shù)

4.3 反分析過程描述

在ANSYS中建立要反演的計(jì)算模型,將欲反演的變量以參數(shù)形式加至模型中,參數(shù)形式需滿足APDL參數(shù)化語言的命名規(guī)則。各參數(shù)的初值取為:圍巖的彈性模量 E1=3.5 GPa;加固圈的彈性模量 E2=3.5 GPa;圍巖及加固圈的泊松比μ=0.325。

1)建立模型并約束加載后,運(yùn)行求解命令對隧道模型進(jìn)行計(jì)算,并提取初始地應(yīng)力作用下的節(jié)點(diǎn)力值,用于對第一步開挖后對洞周的應(yīng)力加載。開挖過程中運(yùn)用ANSYS的生死單元命令實(shí)現(xiàn)隧道的開挖,并用生死單元命令根據(jù)實(shí)際的施工情況選擇激活或殺死襯砌單元。第一步開挖后,再次運(yùn)行求解命令,使用*GET命令提取反演測點(diǎn)位置的位移值。2)設(shè)初始地應(yīng)力作用下拱頂?shù)姆囱轀y點(diǎn)沉降位移為y1,現(xiàn)場監(jiān)測獲得的反演測點(diǎn)沉降修正位移為 y2,用 y1,y2(已知)和變量 Dy1建立優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù),如:HS=abs(Dy1+y1+y2),HS為目標(biāo)變量,以數(shù)值的最小化為目標(biāo)。在優(yōu)化過程中根據(jù)設(shè)定的三個(gè)設(shè)計(jì)變量,不斷調(diào)整,直至得到最佳解,即求得最佳反演結(jié)果參數(shù)。

4.4 位移反分析結(jié)果

所有優(yōu)化變量和其他參數(shù)在每次迭代后將存儲在優(yōu)化數(shù)據(jù)文件中,整理分析結(jié)果。其中左上臺階開挖反演的參數(shù)為:圍巖彈性模量 E1=2.81 GPa,圍巖加固圈彈性模量 E2=9.17 GPa,泊松比μ=0.32911,反演位移與實(shí)測位移之差為0.664 mm。各施工步驟所對應(yīng)的最佳反演參數(shù)如表3所示。

表3 各施工步驟對應(yīng)的反演參數(shù)表

4.5 結(jié)果分析

由表3可得,隧道圍巖各反演參數(shù)取:圍巖彈性模量E1=2.955 GPa,加固圈彈性模量 E2=8.7975 GPa,圍巖泊松比 μ=0.32472。反演所得的位移與實(shí)測位移差值的平均值為0.5813 mm,平均相對誤差僅為3.12%,總的來說與實(shí)際值基本符合。隧道圍巖加固圈由于有注漿錨桿的作用,其彈性模量增幅較大,對圍巖的穩(wěn)定性起到較大的有利影響。

5 結(jié)語

通過對隧道的分析,我們通過反演分析得到了最優(yōu)參數(shù),對隧道進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有效支持。事實(shí)證明,在實(shí)際工程中反演法是隧道新奧法施工中非常有效而成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)取得的方法。反演法是依靠實(shí)時(shí)監(jiān)測得到數(shù)據(jù)的,這些數(shù)據(jù)不但可以為參數(shù)反演提供支持,還可以對整個(gè)洞室的各種模擬提供支持,對群洞效應(yīng)的研究和模擬尤其有效,所以對工程施工提供了全程的指導(dǎo)和依據(jù),值得在所有的隧道施工中大量推廣。

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