李江沙，周 榮

(湖北省地質(zhì)局地球物理勘探大隊(duì)，湖北 武漢 430056)

0 引 言

隧道在縱向開(kāi)挖的過(guò)程中將會(huì)引起地表沉降，進(jìn)而造成地表建筑物的形變，對(duì)人類的生命及財(cái)產(chǎn)安全形成較大的威脅，影響整體地表上方正?；顒?dòng)。為此，需對(duì)隧道縱向開(kāi)挖變形位移進(jìn)行相應(yīng)監(jiān)測(cè)，提前獲取位移信息，避免危險(xiǎn)的發(fā)生，進(jìn)一步確保地表及上方建筑物的安全。張英杰[1]基于BIM模型對(duì)隧道縱向開(kāi)挖工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升整體監(jiān)控的有效性，進(jìn)一步分析隧道縱向形變?cè)?，并分析不同高程和軸向的隧道內(nèi)部空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)中心結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的調(diào)整力度，設(shè)置縱向軸網(wǎng)管理變形位移數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化標(biāo)高信息，標(biāo)記不同區(qū)域的位移變化數(shù)值，判斷區(qū)域內(nèi)部的位移變化程度，標(biāo)記變化信息，強(qiáng)化對(duì)位移數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)掌控，提高整體數(shù)值仿真分析的精準(zhǔn)度，該方法能夠同時(shí)應(yīng)用于不同的施工場(chǎng)景，具有較強(qiáng)的可操作性，但對(duì)于數(shù)值采集的程序較為繁瑣，數(shù)值分析的效率較低。楊三強(qiáng)等[2]針對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的地表形變狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)與控制，基于隨機(jī)介質(zhì)理論與軟件程序編寫(xiě)分析系統(tǒng)，對(duì)不同形變產(chǎn)生的位置進(jìn)行追蹤，進(jìn)一步研究變形區(qū)域與隧道挖深之間的關(guān)系，匹配關(guān)系數(shù)值，構(gòu)建反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)隧道斷面的變形值，同時(shí)離散分析取值信息，調(diào)整收縮面積數(shù)值，利用滾動(dòng)預(yù)測(cè)的方式構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究平臺(tái)，將收集的位移監(jiān)測(cè)數(shù)值錄入平臺(tái)中，等待隨機(jī)處理，該方法具有較高的監(jiān)測(cè)效率，但無(wú)法精準(zhǔn)獲取所需的監(jiān)測(cè)數(shù)值，數(shù)值仿真的精準(zhǔn)度較低。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文根據(jù)不同區(qū)域的隧道變形特征，對(duì)其地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并由此設(shè)置數(shù)值仿真參數(shù)，加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部隧道開(kāi)挖結(jié)構(gòu)的處理力度，調(diào)整參數(shù)預(yù)測(cè)信息，提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)程度，進(jìn)一步強(qiáng)化模型空間構(gòu)建平臺(tái)，完善基礎(chǔ)數(shù)值錄入與分析性能，判定位移變形位置，達(dá)到信息監(jiān)測(cè)的目的，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)值仿真分析處理。

1 工程依托

所研究的隧道為城市公路隧道，沿線為城市主要干道路線，隧道中心襯砌管環(huán)為預(yù)制裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屬于淺埋暗挖隧道，采取機(jī)械挖掘與預(yù)裂挖掘相結(jié)合的方式開(kāi)挖[3]。內(nèi)部圍巖主要組成成分為混合花崗巖，局部區(qū)域分布較軟巖，巖體整體較為破碎，內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，主要結(jié)構(gòu)為破碎狀。

對(duì)隧道縱向開(kāi)挖變形位移數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并構(gòu)建仿真模型[4]。在構(gòu)建模型的初始階段首先需要設(shè)置相應(yīng)的模型參數(shù)，根據(jù)隧道開(kāi)挖的具體特征劃分為地基參數(shù)與隧道參數(shù)，進(jìn)一步整合參數(shù)信息，預(yù)測(cè)變形位移數(shù)據(jù)，減少仿真模型構(gòu)建時(shí)的誤差，并建立最終的仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真分析。

在距離研究區(qū)域西側(cè)150 m處設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面(DM-1～DM-5)，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的間隔為15 m，分別標(biāo)記監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置(D-1～D-11)，并收集監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息。在監(jiān)測(cè)斷面中存在12個(gè)相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離為5 m，其距隧道中心線的距離相等。調(diào)整監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的定位信息，并采用軟件程序編寫(xiě)分析系統(tǒng)，利用函數(shù)信息對(duì)實(shí)際測(cè)量的地表狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取處理，進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析研究。監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局見(jiàn)圖2。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局

2 隧道縱向開(kāi)挖變形位移監(jiān)測(cè)數(shù)值仿真模型建立

2.1 地基模型參數(shù)構(gòu)建

在地基模型上添加無(wú)法進(jìn)行壓縮的剪切層，同時(shí)改善剪切層的土壤信息?？紤]土體彈簧之間的相互剪切作用，并配置相關(guān)的缺陷檢驗(yàn)公式，即

(1)

式中，q為隧道地表上層施加的壓力數(shù)值；t、u分別為隧道中地基彈簧門(mén)限上、下限；D為隧道中地表剪切層的剪切剛度。根據(jù)剪切作用分析隧道地表的壓力數(shù)值，補(bǔ)充隧道外部連接區(qū)域的土層信息，設(shè)置數(shù)據(jù)采集平臺(tái)管理收集的壓力數(shù)值信息，模擬地基梁信息。針對(duì)地基剪力彈簧系數(shù)檢驗(yàn)變形位移距離，并設(shè)置剪力模擬數(shù)值驗(yàn)算公式，即

(2)

式中，DF為剪力模擬數(shù)值驗(yàn)算值；Ps為隧道中心土層彈性模擬驗(yàn)算值；dp為隧道地基剪切層的厚度；η為隧道地基土層受力比值。按照隧道地面的長(zhǎng)梁參數(shù)計(jì)算地基梁的埋深，進(jìn)而獲取位移的距離參數(shù)，考慮地應(yīng)力之間的平衡，減少建筑物對(duì)隧道開(kāi)挖應(yīng)力場(chǎng)的影響[5]。整合隧道內(nèi)部的應(yīng)力參數(shù)信息，估計(jì)一定埋深的地基網(wǎng)格數(shù)據(jù)，判斷地基量的基床系數(shù)，其計(jì)算公式為

(3)

式中，s為基床系數(shù)；svesic為基床系數(shù)模擬標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)值；QI為相關(guān)地基網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

為進(jìn)一步模擬隧道中的土體狀態(tài)，根據(jù)施工方案對(duì)隧道內(nèi)挖掘壓力與地表面壓力進(jìn)行測(cè)量，去除與隧道地表關(guān)系較大的注漿壓力值，并在隧道管片中施加頂推力，計(jì)算隧道頂推力模擬數(shù)值[6-7]。在隧道管片橫斷面中取得地層損失信息，計(jì)算損失系數(shù)和隧道地表收縮系數(shù)，控制模擬地表缺陷數(shù)值，獲取地層損失率參數(shù)，將其與推薦數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，并模擬界面收縮率參數(shù)。設(shè)置相應(yīng)的土層斷面收縮，見(jiàn)圖3。圖3中，H為隧道頂高；SD為斷面收縮損失點(diǎn)；Hg為斷面收縮損失點(diǎn)到隧道頂部距離。

圖3 隧道開(kāi)挖斷面收縮示意

分析土層中不同微元體的受力狀況，并在受力集中區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距處于相同的數(shù)值范圍內(nèi)，微元體受力分析見(jiàn)圖4。圖4中，Z為頂部受力方向；M為微緣體受力中點(diǎn)；dx為受力范圍；Q為剪力夾角。按照分析的受力狀態(tài)調(diào)節(jié)地基模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并匹配模型簡(jiǎn)化機(jī)制，避免無(wú)關(guān)因素對(duì)整體模型參數(shù)構(gòu)建的影響，完成地基模型參數(shù)設(shè)置操作。

圖4 微元體受力分析

2.2 隧道模型參數(shù)構(gòu)建

針對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)計(jì)算其在開(kāi)挖過(guò)程中的變形與內(nèi)力，加強(qiáng)對(duì)隧道等效彎曲度與剪切剛度數(shù)據(jù)的收集，并調(diào)整不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的空間位置，簡(jiǎn)化模型計(jì)算程序，在橫向修正慣數(shù)的條件下處理橫向剛度變化參數(shù)，設(shè)置等效抗彎剛度計(jì)算公式，即

(4)

式中，Erp為等效抗彎剛度；Eb為隧道中管片彈性模量；m為隧道縱向開(kāi)挖過(guò)程中使用的螺栓總體個(gè)數(shù)；Ha為隧道縱向平均線高度數(shù)值；ks為螺栓相應(yīng)長(zhǎng)度數(shù)值；FD1為隧道橫斷面受力數(shù)據(jù)。

根據(jù)隧道中不同區(qū)域的土質(zhì)分布情況分析地表沉降狀態(tài)，并記錄沉降數(shù)值[8]。在地層中構(gòu)建整體大地坐標(biāo)系，加強(qiáng)對(duì)隧道內(nèi)部中心結(jié)構(gòu)的控制，同時(shí)管理地表隧道之間的土壤濕度參數(shù)，計(jì)算管片混凝土的彈性模量，并集中收集隧道中心區(qū)域的地層影響角數(shù)值[9]。在土體中設(shè)置三角單元，計(jì)算單元體與開(kāi)挖變形中心區(qū)域的距離?？刂撇煌绊懡堑脑O(shè)置高度，調(diào)節(jié)中心角的位置，計(jì)算此時(shí)位移土層的等效剪切剛度，并設(shè)置其表達(dá)式，即

(5)

式中，A?rp為位移土層的等效剪切剛度；ξ為隧道內(nèi)部開(kāi)挖結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)修正的摩擦系數(shù)；Ds為隧道中心螺栓剪切模量；Es為管片環(huán)剪切系數(shù)；?為隧道中管片剪切模量。將經(jīng)過(guò)剪切處理的隧道模型參數(shù)進(jìn)行土層狀態(tài)分析，對(duì)隧道斷面收縮不均勻狀況進(jìn)行調(diào)整。不均勻收縮示意見(jiàn)圖5。圖5中，a～g為設(shè)置的7個(gè)隧道斷面不均勻收縮監(jiān)測(cè)點(diǎn)；x為隧道水平位面；R為點(diǎn)f到點(diǎn)d之間的收縮夾角。調(diào)整斷面收縮范圍，得到所需的隧道模型參數(shù)。

圖5 隧道斷面不均勻收縮

2.3 開(kāi)挖變形位移數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)

在獲取仿真參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道開(kāi)挖變形位移數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)處理，判斷位移產(chǎn)生的位置范圍，同時(shí)設(shè)定位置檢測(cè)參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行集中調(diào)整[10]。模擬不同區(qū)域的位移信息采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練處理，設(shè)置訓(xùn)練目標(biāo)最小誤差數(shù)值，并將其組合成訓(xùn)練樣本[11]。預(yù)測(cè)實(shí)際位移數(shù)據(jù)與設(shè)置數(shù)據(jù)之間的差異，采用網(wǎng)絡(luò)相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型，并設(shè)置其位移系數(shù)評(píng)價(jià)公式，即

(6)

式中，S為位移系數(shù)評(píng)價(jià)等級(jí)；Wi為不同數(shù)據(jù)之間的誤差參數(shù)；N為評(píng)價(jià)門(mén)限；i為評(píng)價(jià)初始數(shù)值。經(jīng)過(guò)系數(shù)評(píng)價(jià)后，調(diào)節(jié)不同預(yù)測(cè)參數(shù)之間的匹配關(guān)系信息，并加強(qiáng)對(duì)訓(xùn)練集的集中處理，簡(jiǎn)化內(nèi)部處理操作，縮短預(yù)測(cè)時(shí)間，提升整體仿真分析的效率。進(jìn)一步計(jì)算平均評(píng)價(jià)數(shù)值，其計(jì)算公式為

(7)

式中，Se為位移平均評(píng)價(jià)數(shù)值；M為訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)總量。調(diào)整預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的位置信息，同時(shí)針對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生形變的位置變化狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)記處理。描述地表沉降相對(duì)間距參數(shù)，設(shè)置臨界值，將該值作為預(yù)測(cè)訓(xùn)練集與實(shí)際數(shù)據(jù)集合之間的距離遠(yuǎn)近的判斷依據(jù)，其臨界判斷公式為

(8)

式中，Q為斷面縱向收縮臨界值；I為隧道內(nèi)部軸線間距數(shù)值；n為隧道開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降槽水平寬度臨界值；Z為相關(guān)地表沉降槽寬度參數(shù)；O為隧道開(kāi)挖深度；λ為隧道土體內(nèi)部摩擦角系數(shù)。在計(jì)算臨界數(shù)值后，分析土體附加應(yīng)力，獲取所需的預(yù)測(cè)參數(shù)，由此實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖變形位移數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)處理。土體附加應(yīng)力分析見(jiàn)圖6。圖6中，A為斷面縱向2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)Z1、Z2的土體應(yīng)力夾角；B為斷面水平2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)X1、X2的土體應(yīng)力夾角。

2.4 數(shù)值仿真模型構(gòu)建

將預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)集中收錄至仿真模型構(gòu)建系統(tǒng)中等待模型建立[12]。將數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)不同的仿真微元體進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理[13-15]。標(biāo)記地層整體坐標(biāo)，并對(duì)隧道開(kāi)挖時(shí)的地表整體沉降狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，設(shè)置其模擬公式，即

(9)

式中，I(X)為隧道開(kāi)挖時(shí)的地表整體沉降狀態(tài)的仿真模擬數(shù)值；α為隧道開(kāi)挖地層影響角數(shù)據(jù)；μ為設(shè)置的數(shù)據(jù)體集合距地表中心的距離數(shù)據(jù)；ζ為隧道中心距離寬度參數(shù)；R為隧道中心沉降水平距離參數(shù)；d為隧道直徑。經(jīng)過(guò)模擬后調(diào)整不同區(qū)域土體的挖掘狀態(tài)，并加強(qiáng)對(duì)中心隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)處理，擬合隧道挖掘變形位移狀況，并提取隧道中開(kāi)挖施工相互作用影響信息。內(nèi)部施工相互作用影響見(jiàn)圖7。

圖7 隧道開(kāi)挖相互作用影響

根據(jù)影響信息匹配仿真參數(shù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)隧道土體與表層墻體之間的擾動(dòng)關(guān)系，標(biāo)記沉降點(diǎn)信息，構(gòu)建擾動(dòng)比值計(jì)算公式，即

(10)

3 數(shù)值仿真結(jié)果分析

3.1 隧道地表沉降

為有效驗(yàn)證研究方法監(jiān)測(cè)的有效性，對(duì)數(shù)值仿真進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)比處理，將不同方法得到的地表沉降數(shù)值與實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行比較，并分析其比較結(jié)果。不同方法地表沉降數(shù)值結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可知，當(dāng)距隧道中線距離為0時(shí)，實(shí)際監(jiān)測(cè)的地表沉降數(shù)值為-0.014 5 m，本文方法為-0.014 6 m，基于BIM模型方法為-0.012 5 m，基于隨機(jī)介質(zhì)理論方法為-0.012 m。由此可知，本文方法地表沉降數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值之間的差異最小，整體誤差率為0.005%，具有良好的監(jiān)測(cè)效果。

圖8 不同方法地表沉降數(shù)值對(duì)比

3.2 隧道隆起

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同方法數(shù)值仿真分析的精確度，對(duì)隧道隆起變形進(jìn)行對(duì)比分析。不同方法得到的隧道隆起變形對(duì)比見(jiàn)圖9。從圖9可知，本文方法隧道縱向開(kāi)挖變形位移的隆起數(shù)值變化曲線與實(shí)測(cè)值相一致。當(dāng)隧道于基坑中心距離為0時(shí)，實(shí)測(cè)隧道隆起數(shù)值為2.6 mm，本文方法為2.7 mm，基于BIM模型方法為2.9 mm，基于隨機(jī)介質(zhì)理論方法為2.0 mm。由此可知，所研究方法的隧道隆起數(shù)值與實(shí)測(cè)值的差距最小，整體誤差率為0.001%，能夠有效監(jiān)測(cè)隧道縱向開(kāi)挖造成的變形位移，具有良好的分析效果。

圖9 不同方法隧道隆起變形結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)隧道縱向開(kāi)挖變形位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)值仿真分析，在獲取變形位移數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上設(shè)置相應(yīng)的仿真模型參數(shù)，構(gòu)建模型數(shù)據(jù)，以達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)的目的，得到以下結(jié)論：

(1)由于隧道地表的變形主要呈現(xiàn)反對(duì)稱分布狀態(tài)，其變化大小隨著地層的深度而變化，在實(shí)際監(jiān)測(cè)的過(guò)程中需加強(qiáng)對(duì)中心區(qū)域的結(jié)構(gòu)化處理，避免地層數(shù)據(jù)對(duì)仿真結(jié)果的影響。

(2)在進(jìn)行變形位移數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，需時(shí)刻監(jiān)控地表參數(shù)的變化狀況，發(fā)生不良反應(yīng)時(shí)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)收錄處理，避免無(wú)關(guān)因素的影響，進(jìn)而提升整體研究的精準(zhǔn)度。

(3)在掌控隧道特征信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值仿真能有效提升仿真的效率，并獲取可靠度較高的仿真數(shù)值，提升了數(shù)值仿真的科學(xué)性。