對巖石偏壓隧道動態分析及相關研究

符 進

（廣東省長大公路工程有限公司，510507）

對巖石偏壓隧道動態分析及相關研究

符 進

（廣東省長大公路工程有限公司，510507）

在荷載結構法中,計算圍巖壓力的具有重要作用,目前的確定方法主要有圍巖分類確定法、普氏理論、泰沙基法等。在實際工作中還需要經過詳細研究巖石隧道,才能了解偏壓隧道的結構計算方法和圍巖壓力確定方法,并且要要對隧道襯砌結構進行動態分析,找出巖石偏壓隧道的解決方法，從而確保偏壓隧道的安全。

偏壓隧道 荷載—結構法 反演方法

1. 前言

在隧道偏壓段結構分析中,使用荷載結構法,豎直壓力假定與地面坡度一致(梯形分布),側向壓力采用朗肯主動土壓力理論,同時考慮了彈性抗力的作用;將雙層襯砌按等變形原理簡化為單層襯砌計算。采用2D-σ進行連拱隧道的二維有限元分析,其中將二襯取為實體單元。

2. 偏壓隧道的荷載計算

政府制定的公路隧道設計規范對偏壓隧道形成條件考慮了外側的圍巖覆蓋厚度(t)值、地質條件(圍巖類別)、地形(坡率n)等三個方面的因素,并且在公路隧道設計規范也規定了在不同的圍巖類別和坡率的情況下形成偏壓的上限t值,計算使用的t值是由外覆土體的負載能力來決定的。另外經過試驗證明在隧道施工中施工步驟、洞室形狀、大小也存在較大影響,其變化會在土體內部應力場的分布上改變外覆土體的承載力,從而影響外側的圍巖覆蓋厚度的大小[1]。

偏壓隧道的荷載的計算方法，常常使用反演的方法經過調整需反演參數的取值，從而獲得差異最小的實測值和正算值,同時獲得參數值就是我們所需要的反演值。這種方法由于在應用于正算過程和反分析過程時比較簡單,具有比較廣泛的適用范圍。

常用反分析的目標函數一般選擇如下形式:

其中,fi與J為待反分析參數X的函數，n為測點總數,ui為實際量測值，fi為監測量的有限元計算值。經過逐漸優化可以使目標函數獲得差異最小的數值。在隧道施工過程中,因為需要監測的項目比較多,既有有量值很大的圍巖壓力值和襯砌內力值,又有量值極小的位移,如果直接使用以上的目標函數,只能計算數值比較大的項目,而無法計算小量。所以在實際工作中把目標函數進行了適度改變,使用以下的公式:

在函數中fi與J為待反分析參數X的函數，n為測點總數,ui為實際量測值，fi為監測量的有限元計算值,其下標的意義為ni為第i個監測項目的測點，k為監測項目數,第i個監測項目的第j個測點。

3. 隧道結構正分析計算原理

使用新奧法原理進行施工時，首先要使用光面爆破開挖隧道,接著要使用合適的噴錨支護,同時對隧道內部的應變、應力、位移等進行準確計算,了解隧道內部的變形、穩定性是否達到施工的要求,掌握二次襯砌正確的時機。在計算襯砌結構數值的時候,可以分為兩個時期,其一為對襯砌進行首次計算,計算圍巖、錨桿組成噴層的受力、錨桿的受力、組合拱的受力；其二為計算二次襯砌和初期支護的聯合受力,隧道的圍巖壓力可以按照具體情況分配到這兩個時期。

在實際計算當中可以把閉合的隧道襯砌分別化為一段一段的曲梁或者直梁,而地層和襯砌的相互作用使用地層彈簧來模擬[3]。第一要計算各個梁單元的單元剛度矩陣,第二可以使用按號排列的方法組合成總體剛度矩陣,接著對將結構上的荷載進行結點轉化成右端項,第三對要許多小量的條件進行正確處理,從而最大程度地消除總剛的差異性,接著使用方程組進行求解,獲得每個結點的位移數值，然后把結點位移的數值套入每個單元的單元剛度矩陣中，才能得到梁端內力[4]。

3.1 復合襯砌的有限元處理

復合襯砌的處理方法有很多,在二維有限元分析過程中,把施工初期的支護設施處理成軸力桿單元,而二次襯砌用實體單元或者梁單元來模擬；在運用梁系有限元的時候,可按照隧道等變形的情況把二次襯砌與初期支護結合起來處理成梁單元。

因為二次襯砌與初期支護之間設置了防水板,所以初支無法向二襯傳遞剪應力，而只能傳遞法向應力,所以可以把二次襯砌當做隔離體進行單向受力。圍巖所受的壓力會因為設置初期支護而有所減少。在隧道施工時,可以利用二次襯砌與初期支護之間的壓力差，通過回歸平滑之后可以當做壓力值為二次襯砌進行計算。

3.2 中墻的有限元處理

由于襯砌都是有厚度而梁單元沒有厚度，所以,當把襯砌轉化為梁單元的時候,可以使用襯砌的軸線當做梁單元的軸線。同時在拱腳軸線和中墻軸線相交的區域就會出現了問題,它們不交于同一點。其處理方法是把左右襯砌都向中墻整體進行適度移動,讓它們可以得到相交。另外也可以在中墻兩端適當增加一根剛性梁,讓左右拱腳可以相交到剛性梁上。這樣確定了隧道結構的簡化模式和隧道的偏壓荷載之后,才能使用荷載結構法計算襯砌的變形和內力，完善隧道的設計。

4. 工程應用實例

4.1 工程概況

某隧道使用丘陵地貌,地形起伏過大,出口處坡角約為38°，進口處坡角約為23°。隧道結構使用新奧法原理進行設計,使用復合襯砌,設計型不對稱雙連拱隧道。同時因為隧道所處的地形起伏過大,其圍巖類別較低，進出口段埋深較淺，因此很大可能會出現偏壓。

4.2 荷載反分析結果

按照模型研究的結論,可以把假設作用于襯砌結構上的壓力荷載表現為拋物線分布模式，如圖2所示。這種分布模式存在普適性,不但可以使用拋物線分布模式,還可以使用矩形分布荷載和模擬梯形分布模式 ,反分析結果如表1所示.

表1 荷載反分析結果

圖 2 襯砌壓力荷載分布模式

4.3 襯砌內力計算

反分析的目的是獲取進行隧道設計計算的“等效”參數,采用這些參數進行正分析,從而預測隧道的受力變形等狀態。比如,地層參數由于圍巖的復雜性,它在空間和時間上都是變化的,之所以能用兩個參數來代表,是因為他們對隧道的作用是等效的。

5 、結束語

在實際施工過程中中,計算圍巖壓力具有重要的作用，因此本文仔細研究了巖石隧道,特別是偏壓隧道結構計算方法和圍巖壓力確定方法,可以在施工時對隧道襯砌結構進行適當動態分析,其分析方法為首先要對偏壓隧道的荷載進行計算，然后利用隧道結構正分析計算原理結合實際的隧道施工情況，并且使用荷載反分析方法，獲得調整偏壓隧道的最佳數值，這樣不僅可以確保偏壓隧道的安全，還可以維持隧道施工的進度，使隧道建設可以順利實施。

[1]張海亮,董志.黃土質偏壓隧道施工技術[J].鐵道建筑技術.2014(04):12-13.

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1007-6344（2015）12-0042-01