徐建國(guó)

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450001)

隧道圍巖材料特性參數(shù)反演是依據(jù)圍巖收斂變形觀測(cè)數(shù)據(jù)開展的圍巖材料特性參數(shù)的反分析過程。由此可以及時(shí)掌握開挖圍巖的類型和圍巖材料特性參數(shù)，對(duì)隧道的襯砌狀態(tài)進(jìn)行適時(shí)評(píng)價(jià)，為隧道設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到安全施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。目前隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以固體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以數(shù)值分析方法為手段的有限單元法在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，它可以方便地處理復(fù)雜的巖土工程問題。如巖土材料的非線性問題，巖體中節(jié)理、裂隙等不連續(xù)面對(duì)分析計(jì)算的影響，模擬分部開挖施工對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響等。數(shù)值分析方法在對(duì)原形進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，能得到原形中各點(diǎn)的位移、應(yīng)力及其變化情況。數(shù)值分析方法靈活方便、通用性強(qiáng)、便于修改、可反復(fù)試驗(yàn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。但在該方法中計(jì)算參數(shù)選擇的正確性、計(jì)算模型選用的合理性等因素都將大大地影響計(jì)算結(jié)果的精度。

現(xiàn)將近期有關(guān)隧道圍巖參數(shù)反演以及隧道開挖有限元仿真分析的文獻(xiàn)做一綜述。文獻(xiàn)［1］根據(jù)最優(yōu)化反演分析的開爾文模型，進(jìn)行隧道巖體力學(xué)參數(shù)反演;文獻(xiàn)［2］利用“試湊法”BMP90程序?qū)┲楦咚俟窚厝淼肋M(jìn)行位移反分析，得到了底層參數(shù);文獻(xiàn)［3］采用擴(kuò)張卡爾曼濾波有限元法進(jìn)行反演分析，得出圍巖內(nèi)部剪應(yīng)力和塑性區(qū)的歷時(shí)變化估計(jì);高瑋將免疫原理引入連續(xù)蟻群算法，提出免疫連續(xù)蟻群算法，提高了反演算法的效率［4-5］;文獻(xiàn)［6］對(duì)淺埋型隧道進(jìn)行二維有限元分析，數(shù)值分析結(jié)果與收斂量測(cè)結(jié)果較為一致，因而認(rèn)為數(shù)值分析結(jié)果能夠?qū)λ淼雷冃芜M(jìn)行有效的預(yù)測(cè);Karakus等建立了三維有限元模型對(duì)采用新奧法(NATM)施工的公路隧道因施工而造成的地表沉降進(jìn)行了仿真分析［7］;王祥秋等通過開展隧道施工的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，配合全過程三維彈塑性數(shù)值模擬，確定了隧道開挖對(duì)圍巖的影響范圍［8-10］;文獻(xiàn)［11］針對(duì)淺埋偏壓條件下的雙連拱隧道，分別按三導(dǎo)洞先墻后拱法和中導(dǎo)洞法對(duì)其施工過程進(jìn)行了三維彈塑性有限元模擬分析，給出了雙連拱隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形以及圍巖的塑性區(qū)分布。

本文以在建的嶺南高速公路分水嶺隧道為例，首先根據(jù)隧道圍巖收斂變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)識(shí)別靈敏度分析方法進(jìn)行圍巖材料特性參數(shù)反分析，得到諸如彈性模量、泊松比、重度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等圍巖材料特性參數(shù)。再依據(jù)圍巖材料特性參數(shù)反演分析結(jié)果，應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行隧道開挖仿真分析，搞清隧道施工過程的位移場(chǎng)和內(nèi)力場(chǎng)變化規(guī)律、邊坡穩(wěn)定安全性等，從而更好地指導(dǎo)安全監(jiān)控工作和現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 工程概況

分水嶺隧道位于南陽(yáng)和平頂山的分界線上，同時(shí)也是黃河與淮河水系的分界點(diǎn)，為分水嶺—南陽(yáng)高速公路(簡(jiǎn)稱嶺南高速)隧道。隧道按分離式雙向四車道設(shè)計(jì)，左線全長(zhǎng)724.193 m;右線全長(zhǎng)759.053 m。隧道隧址區(qū)地貌形態(tài)為低山地形，地面高程介于483.40～510.00 m之間，相對(duì)高差 37.00 m，坡度10°～50°，隧道左線最大埋深55.0 m，隧道右線最大埋深22.5 m，屬淺埋式隧道。隧道進(jìn)口位置地形較陡，表層覆蓋薄層花崗巖全風(fēng)化殘積礫砂夾亞黏土，植被發(fā)育較差。洞身段圍巖為元古代強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖和大理巖，塊石狀鑲嵌構(gòu)造，節(jié)理以閉合發(fā)育為主。出口段位于一斜坡上，斜坡自然坡角30°～40°，圍巖為元古代全～強(qiáng)風(fēng)化大理巖，松散結(jié)構(gòu)，巖體破碎，節(jié)理較發(fā)育，整體性差。

2 基于系統(tǒng)識(shí)別靈敏度分析的材料反演

根據(jù)隧道量測(cè)斷面收斂變形值，斷面圍巖特性參數(shù)(彈性模量、泊松比、重度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等)為待識(shí)別的結(jié)構(gòu)模型參數(shù)，進(jìn)行圍巖特性參數(shù)的反演分析。其原理是根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出反應(yīng)來確定系統(tǒng)的特性。隧道圍巖特性參數(shù)識(shí)別過程是:首先根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)形式和邊界條件建立合理的力學(xué)模型，通過模型的有限元分析，得出隧道開挖后的收斂變形值wi=Wi(x1，x2，…，xi，…，xm)，(i=1，2，…，n)，其中 wi為相應(yīng)位置的收斂變形值;Wi為收斂函數(shù);x1，x2，…，xm為待識(shí)別的材料特性參數(shù)。將有限元模型計(jì)算得到的圍巖收斂變形值{w}與檢測(cè)得到的收斂變形值{w'}進(jìn)行對(duì)比，建立的目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足不等式

構(gòu)建靈敏度方程{Δw}=D·{Δx}，式中D為靈敏度矩陣，且

通過不斷調(diào)整模型參數(shù){x}k，使目標(biāo)函數(shù)滿足不等式(1)。按交通部頒《公路隧道技術(shù)規(guī)范》(JTJ D70—2004)中提供的圍巖力學(xué)參數(shù)參考值范圍，依據(jù)收斂實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)分水嶺隧道圍巖參數(shù)進(jìn)行反演分析，確定了較為合理的參數(shù)值，最終確定圍巖特性參數(shù)見表1。

表1 圍巖材料特性參數(shù)反演結(jié)果

3 隧道有限元分析模型

本文主要按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的地層結(jié)構(gòu)法方法，采用巖體力學(xué)模型，運(yùn)用平面有限元分析對(duì)隧道施工進(jìn)行數(shù)值仿真，以了解圍巖變位情況以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和安全狀況。

根據(jù)嶺南隧道各個(gè)標(biāo)段施工進(jìn)度、圍巖級(jí)別等情況，選取柴家莊隧道出口RK6+707.2處作為分析斷面。建立計(jì)算模型時(shí)，錨桿采用全長(zhǎng)黏結(jié)的桿單元模擬，支護(hù)采用梁?jiǎn)卧M，圍巖采用三角單元模擬，在進(jìn)行圍巖參數(shù)選取時(shí)，主要依照前述的反演分析數(shù)值結(jié)果。初次支護(hù)噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，厚度26 cm，工鋼型號(hào)為I20a，間距0.75 m;噴射混凝土C25的彎曲抗壓強(qiáng)度13.5 MPa，抗拉強(qiáng)度1.2 MPa，彈性模量23.0 GPa，泊松比0.2;工字鋼彈模206.0 GPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度215.0 MPa。

4 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移

自然的巖土體在開挖以前處于一定的初始應(yīng)力狀態(tài)，而開挖導(dǎo)致開挖邊界上的應(yīng)力釋放，并由此引起周圍巖土體的變形及其中應(yīng)力場(chǎng)的變化。在有限元計(jì)算中，可通過去掉被挖去部分的單元，并將由于開挖而產(chǎn)生的“釋放荷載”作用于開挖邊界面的方法來模擬其開挖過程。圍巖和襯砌最后的應(yīng)力和位移值為各個(gè)施工階段相應(yīng)值疊加的結(jié)果。

4.1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移

采用上述巖體力學(xué)模型，計(jì)算得到各施工步序時(shí)豎向位移場(chǎng)。上臺(tái)階開挖中的拱頂下沉為2.55 mm，下臺(tái)階開挖過程中拱頂累計(jì)下沉量為2.70 mm。計(jì)算得到的拱頂下沉量和實(shí)際監(jiān)測(cè)到的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值比較接近，開挖引起的拱頂累計(jì)下沉量值比較小，主要原因是開挖過程的荷載釋放影響程度和范圍均較小。在開挖過程中地層移動(dòng)情況如圖1～圖4所示。

由于圍巖側(cè)壓力系數(shù)較小，支護(hù)結(jié)構(gòu)以豎向變形為主，水平變形較小。由于隧道處于邊坡上，隧道所受圍巖壓力左右不對(duì)稱，隧道上、下臺(tái)階開挖過程中，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)以及隧道上部巖體有向右移動(dòng)的趨勢(shì)，需要對(duì)隧道所處邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

4.2 初支內(nèi)力

下臺(tái)階開挖后，采用上述巖體力學(xué)模型，計(jì)算得拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如圖5～圖6所示。

從拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布看，因隧道偏壓，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力明顯不對(duì)稱，左側(cè)相對(duì)受力較大，對(duì)初支按受力最大部位進(jìn)行強(qiáng)度檢算，檢算結(jié)果如表2所示。

圖1 下臺(tái)階開挖后地層移動(dòng)示意

圖2 上臺(tái)階開挖后的水平位移示意

圖3 下臺(tái)階開挖后的水平位移場(chǎng)(左拱腳最大0.3 mm)

圖4 下臺(tái)階開挖后豎向位移場(chǎng)(單位:m)

圖5 支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力(單位:MN)

支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求(＞2.0)。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩(單位:MN·m)

表2 初支承載能力檢算

5 邊坡穩(wěn)定性分析

對(duì)隧道開挖過程的模擬計(jì)算結(jié)果表明，在隧道上下臺(tái)階開挖中，隧道所處邊坡有整體外移的趨勢(shì)，因此，需要對(duì)邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

采用Janbu普遍條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分析斷面為柴家莊隧道出口RK6+707.2。主要計(jì)算參數(shù):圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí);內(nèi)摩擦角為 27°;黏聚力為0.2 MPa，邊坡最小安全系數(shù)及對(duì)應(yīng)的滑裂面如圖7。

計(jì)算表明隧道處在該最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑裂體內(nèi)，如圖8所示。

圖7 邊坡最小安全系數(shù)及對(duì)應(yīng)的滑裂面

圖8 隧道與滑裂面的關(guān)系

鑒于隧道處于最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑裂面內(nèi)，且邊坡的穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較小，建議對(duì)邊坡作必要治理，并且隧道施工時(shí)要采取弱爆破措施，同時(shí)加強(qiáng)施工用水管理，保持隧道內(nèi)排水系統(tǒng)通暢，最大限度減小隧道施工對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

6 結(jié)論和建議

1)采用系統(tǒng)識(shí)別靈敏度分析方法，基于實(shí)測(cè)的巖體收斂變形值，開展巖體材料特性參數(shù)反演分析計(jì)算，所得數(shù)據(jù)可為有限元結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算采用。

2)運(yùn)用巖體力學(xué)模型計(jì)算分析，說明該隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)水平收斂值較小，主要以豎向變形為主。

3)通過典型斷面的數(shù)值模擬以及監(jiān)控量測(cè)，說明該隧道群的支護(hù)變形量較小，在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力檢算表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

5)通過Janbu普遍條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，說明該隧道處于最小安全系數(shù)對(duì)應(yīng)的滑裂面內(nèi)，建議對(duì)邊坡作必要治理，并且在隧道施工時(shí)要采取相應(yīng)針對(duì)性措施，減小隧道施工對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。

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