隧道支護結構的變形監測及反演分析研究

賀健 袁敏

1 反演法概述

利用現場量測到的信息,或者說量測到的來自工程施工引起的結構與介質的擾動量,來反演工程介質材料的性態參數和初始荷載的方法,通常稱為反分析法。

可用作反演分析計算依據的工程現場信息稱為反分析計算研究的基礎信息,基礎信息可以分為地質信息、工程信息和現場量測信息三類。反分析法可分為應力反分析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移量測比應力量測更經濟、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。隧道左、右兩洞軸線最大間距為15.5 m～43.5 m,隧道進出口段受地形限制為小間距隧道。隧道右線進口里程為YK37+326.676,出口里程為YK40+685,右線隧道全長3358.324 m。2)地層巖性。據川東南地質工程勘察院初勘報告及本次詳勘資料,工作區內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。依據隧址區不同巖石的力學性質,首先進行巖石等級劃分,而后考慮到圍巖受地質構造的影響和圍巖節理裂隙發育程度,同時考慮到各種圍巖的風化特征對圍巖強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、鉆探資料及地調成果,本隧道圍巖可分為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級。4)隧道支護結構。根據隧道的工程地質條件,結合隧道新奧法施工原理,隧道支護采用復合式支護形式。隧道初期支護以C20噴射混凝土、錨桿、鋼筋網以及鋼支撐為主要支護手段;二次襯砌采用C25混凝土或鋼筋混凝土。5)圍巖監控量測斷面的選取。在監控量測過程中,不可能對隧道的所有斷面進行量測,需要選取一些有代表性的斷面進行監測。一般而言,對于Ⅳ級圍巖,可按隧道長度方向每隔30 m～50 m布置一個位移量測斷面,而對于Ⅴ級圍巖,由于此類圍巖往往出現在隧道的進出口、斷層、煤層等巖性較差的地段,此時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應力應變量測斷面。

3 隧道支護體應力分析

1)鋼拱架應力分析。通過近60 d的連續觀測,初襯鋼架內應力處于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,內力處于增長期,之后鋼架內應力趨于穩定。拱頂GJ3的鋼架內應力最大,達到131.5370 MPa,處于受壓狀態。其余測點鋼架內應力均為正值,處于受壓狀態。從后續的觀測得出,由于近期下斷面的開挖,鋼架內應力仍有小幅度的變化,而拱腳原始支撐點被破壞,使右邊墻拱架出現拉應力。其最大值為設計值的60%左右,圍巖趨于穩定。建議仰拱開挖后,及時進行仰拱支護。

2)初襯混凝土內力分析。通過60 d的連續觀測,初襯混凝土內力處于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,內力處于增長期,之后混凝土內力趨于穩定。左拱肩處YB2的混凝土內力最大,達到10.5497 MPa,處于受壓狀態。其余測點混凝土內力為正值,處于受壓狀態。11月15日～12月10日的連續降雨,混凝土內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,混凝土內力有一定的增加,圍巖趨于穩定。

3)初襯與圍巖接觸壓力分析。通過30 d的連續觀測,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,應力處于增長期,之后圍巖應力趨于穩定。拱頂TY3處圍巖應力最大,達到0.8401 MPa。從后續的觀測得出,圍巖應力沒有繼續增加的趨勢,其絕對值相對較小,圍巖趨于穩定。

4 利用ANSYS對隧道圍巖參數的反演分析

4.1 計算方案確定

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。由于右洞的進洞時間相對較晚,故左洞斷面先行開挖支護。

表1 拱頂下沉實測及修正數據

4.2 反演計算參數取定

由于爆破完后無法及時測量,考慮到第一天的沉降量較大,以及參考后續幾天的沉降量,對拱頂累計位移增加第一天的沉降量1.5 mm。反演的參數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 平面模型材料計算參數

4.3 反分析過程描述

在ANSYS中建立要反演的計算模型,將欲反演的變量以參數形式加至模型中,參數形式需滿足APDL參數化語言的命名規則。各參數的初值取為: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,運行求解命令對隧道模型進行計算,并提取初始地應力作用下的節點力值,用于對第一步開挖后對洞周的應力加載。開挖過程中運用ANSYS的生死單元命令實現隧道的開挖,并用生死單元命令根據實際的施工情況選擇激活或殺死襯砌單元。第一步開挖后,再次運行求解命令,使用*GET命令提取反演測點位置的位移值。2)設初始地應力作用下拱頂的反演測點沉降位移為y1,現場監測獲得的反演測點沉降修正位移為 y2,用 y1,y2(已知)和變量 Dy1建立優化的目標函數,如:HS=abs(Dy1+y1+y2),HS為目標變量,以數值的最小化為目標。在優化過程中根據設定的三個設計變量,不斷調整,直至得到最佳解,即求得最佳反演結果參數。

4.4 位移反分析結果

所有優化變量和其他參數在每次迭代后將存儲在優化數據文件中,整理分析結果。其中左上臺階開挖反演的參數為: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,反演位移與實測位移之差為0.664 mm。各施工步驟所對應的最佳反演參數如表3所示。

表3 各施工步驟對應的反演參數表

4.5 結果分析

由表3可得,隧道圍巖各反演參數取: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,對圍巖的穩定性起到較大的有利影響。

5 結語

通過對隧道的分析,我們通過反演分析得到了最優參數,對隧道進行的設計優化提供了有效支持。事實證明,在實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化設計參數取得的方法。反演法是依靠實時監測得到數據的,這些數據不但可以為參數反演提供支持,還可以對整個洞室的各種模擬提供支持,對群洞效應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和依據,值得在所有的隧道施工中大量推廣。

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