基于監(jiān)測(cè)位移的圍巖參數(shù)反演和變形預(yù)測(cè)

劉 峰 銀

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于監(jiān)測(cè)位移的圍巖參數(shù)反演和變形預(yù)測(cè)

劉 峰 銀

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

結(jié)合寧波某隧道工程實(shí)例，基于位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了正交反演試驗(yàn)，并采用ABAQUS軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬正算，對(duì)比了未開挖圍巖預(yù)測(cè)的位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)位移數(shù)據(jù)，指出采用反演值進(jìn)行數(shù)值模擬具有較高的可靠性。

隧道，正交試驗(yàn)，ABAQUS，圍巖，位移

0 引言

目前對(duì)圍巖參數(shù)的反演有許多，但操作性復(fù)雜，計(jì)算量大，需要很深的數(shù)學(xué)功底，不易于工程應(yīng)用。正交反演法，就是利用正交試驗(yàn)的方法，在全面試驗(yàn)中挑選出最具有代表性和可比性的因素進(jìn)行試驗(yàn)，大大減少試驗(yàn)次數(shù)，通過將圍巖各水平參數(shù)進(jìn)行正交組合，通過數(shù)值分析進(jìn)行模擬計(jì)算，將原本復(fù)雜的反演問題，轉(zhuǎn)化為求試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)的組合。此方法具有簡(jiǎn)單，易上手等特點(diǎn)，符合實(shí)際工程中的應(yīng)用。

以寧波市某隧道為工程背景，基于位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬正算，對(duì)圍巖參數(shù)反演和變形預(yù)測(cè)。

1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

隧道為特長(zhǎng)公路山嶺隧道，為左右分離式隧道。采用新奧法施工的方法。此次反演分析取左邊隧道，進(jìn)洞約560 m處斷面對(duì)圍巖進(jìn)行反演分析。該處圍巖綜合評(píng)定為Ⅳ級(jí)。采取全斷面開挖，每天開挖平均為2 m,在左洞開挖至該斷面時(shí)，右邊隧道大約多開挖30 m，開挖速度約為2 m/d。隧道從開挖到立拱架做初襯約相差12 h。該處隧道初期支護(hù)采用立鋼拱架，噴射速凝混凝土的方式進(jìn)行支護(hù)。

該斷面主要取三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(如圖1所示)，作為參數(shù)反演的依據(jù)。本次監(jiān)測(cè)采用單點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，隧道開挖第一天位移為監(jiān)測(cè)初始值。

1.2 正交試驗(yàn)基礎(chǔ)理論

對(duì)于多因素的試驗(yàn)，若對(duì)每種組合都進(jìn)行試驗(yàn)(即全面試驗(yàn))，如4個(gè)因素4水平的全面試驗(yàn)的次數(shù)是256次，5個(gè)因素4水平全面試驗(yàn)的次數(shù)為1 024次，隨著因素的增加，全面試驗(yàn)明顯工作量過大。正交試驗(yàn)是在全面試驗(yàn)中挑選出最具有代表性和可比性的因素組合進(jìn)行試驗(yàn)，而大大減少試驗(yàn)次數(shù)，從而高效的得到滿足試驗(yàn)要求的組合[1]。

圖2為正交反演試驗(yàn)主要流程。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圍巖的力學(xué)參數(shù)有許多，在反演圍巖的參數(shù)時(shí)，理論上所選取的參數(shù)越多越能真實(shí)的反映圍巖的實(shí)際狀況，但過多的力學(xué)參數(shù)會(huì)大大的增加計(jì)算成本。在圍巖的數(shù)值模擬中，圍巖主要力學(xué)參數(shù)有彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ、重度γ、彈性抗力系數(shù)k、計(jì)算摩擦角φc。

本次分析圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，取彈性模量E、泊松比μ、粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ為反演參數(shù)。根據(jù)鐵路設(shè)計(jì)隧道規(guī)范Ⅳ級(jí)各力學(xué)參數(shù)如下[3]：

變形模量E:1.3 GPa～6 GPa，泊松比μ:0.3～0.35，內(nèi)摩擦角φ:27°～39°，粘聚力C:0.2 MPa～0.7 MPa。

各因素水平取值見表1。

表1 各因素水平取值

取L16(45)4因素5水平標(biāo)準(zhǔn)正交表，其試驗(yàn)組合如表2所示。

采用目標(biāo)函數(shù)δ2=∑(xi-ui)2作為本實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

式中：xi——每次試驗(yàn)所對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位移值；

ui——實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)實(shí)測(cè)值；

i——開挖天數(shù)。

1.4 參數(shù)反演結(jié)果分析

采用ABAQUS進(jìn)行上述模擬試驗(yàn),ABAQUS模擬見圖3。由于開始監(jiān)測(cè)時(shí)間為開挖后開始監(jiān)測(cè)，在軟件模擬中模擬的是開挖全過程的位移變化情況，故在數(shù)據(jù)進(jìn)行比較之前，應(yīng)將試驗(yàn)取開挖當(dāng)天的位移值作為初始值進(jìn)行比較。

表2 各試驗(yàn)參數(shù)組合

2 對(duì)未開挖圍巖位移的預(yù)測(cè)和分析

通常在實(shí)際工程中對(duì)巖體的參數(shù)反演并不是真正目的，通過反演值能有效應(yīng)用于實(shí)際工程中才為最終目的。在隧道施工過程中，考慮到各種因素的影響，經(jīng)常對(duì)施工方案進(jìn)行更改，為了對(duì)施工方案合理性的驗(yàn)證，尤其是對(duì)還未開挖的圍巖的變形和穩(wěn)定性進(jìn)一步進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過目前已監(jiān)測(cè)的斷面，對(duì)其進(jìn)行參數(shù)的反演，結(jié)合相應(yīng)的施工計(jì)劃，可以采用數(shù)值模擬的方法對(duì)圍巖情況基本相同的斷面在其未開挖前對(duì)其進(jìn)行變形和穩(wěn)定性預(yù)測(cè)[4，5]。

本節(jié)取距上次分析斷面40 m處斷面進(jìn)行分析。根據(jù)地勘報(bào)告可知，該處圍巖與上節(jié)參與反演的圍巖狀況基本相同。故取上節(jié)最優(yōu)的參數(shù)組合進(jìn)行數(shù)值模擬。由于對(duì)施工進(jìn)度的進(jìn)一步要求，于該斷面附近，每天開挖約4 m，為全斷面開挖，開挖后進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)時(shí)間和開挖約相距12 h。通過模擬計(jì)算可得隧道拱頂圍巖豎直方向位移為：

圍巖在開挖1 d后變形速率達(dá)到最快，速率可達(dá)2.87 mm/d，

2 d后變形速率逐漸降低，在開挖5 d后圍巖變形速率約為0.15 mm/d，初步判斷圍巖在逐漸趨于穩(wěn)定。通過模擬初步判斷本次施工方案的更改，不會(huì)造成開挖過程中圍巖失穩(wěn)的狀況。

在前面對(duì)施工模擬后，后期對(duì)該斷面圍巖進(jìn)行了位移監(jiān)測(cè)，實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬值比較如圖4所示。

由圖4可以看出對(duì)于圍巖拱頂位移的模擬值和實(shí)測(cè)值相差最大值小于15%，由此可以得出此處對(duì)圍巖位移變形的數(shù)值模擬是有一定的可靠性的。反而推之上節(jié)通過正交反演的圍巖參數(shù)也是較為準(zhǔn)確的。

圍巖實(shí)測(cè)位移值與模擬值相比在開挖5 d后相對(duì)來說并未趨于穩(wěn)定，其主要原因是圍巖在實(shí)際變形中是有時(shí)間效應(yīng)的，本次模擬開挖只考慮了圍巖的空間效應(yīng)，并未考慮時(shí)間效應(yīng)，所以后期實(shí)測(cè)結(jié)果較模擬的數(shù)值結(jié)果小，且其趨于穩(wěn)定的時(shí)間與模擬開挖相比較后一些。

3 結(jié)語

基于圍巖位移，對(duì)圍巖的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了正交反演，通過反演值，用ABAQUS模擬，對(duì)未開挖圍巖位移的預(yù)測(cè)與最終實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，說明該反演方法有一定的精度，用此類方法有一定的工程價(jià)值。

Ⅳ級(jí)圍巖彈性模量的取值范圍較大，對(duì)圍巖變形影響也很大，要注意縮小其取值范圍，以達(dá)到精度要求。數(shù)值分析的方法可以對(duì)圍巖的受力變形情況分析的較為直觀，但前提是對(duì)圍巖的模型選擇要符合實(shí)際情況。

[1] 任露泉.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2009:7-44.

[2] 賈明輝.隧道洞口邊坡穩(wěn)定性與控制技術(shù)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[3] JTG D70/2—2014，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 薛光橋.基于數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)監(jiān)控的隧道圍巖穩(wěn)定性判定方法的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[5] 張長(zhǎng)亮.基于監(jiān)控量測(cè)與數(shù)值分析的隧道圍巖穩(wěn)定性判斷方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

On parameter back analysis of surrounding rocks and deformation forecasting based on monitoring displacement

Liu Fengyin

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Combining with some tunnel project in Ningbo City, the paper undertakes the orthogonal back test of the dynamic parameter of surrounding rocks, undertakes the numeric simulation calculation of ABAQUS software, compares the displacement of the unexcavated surrounding forecasting and the displacement data of the monitoring, and points out the numeric simulation of the back value is highly reliable.

tunnel, orthogonal test, ABAQUS, surrounding rock, displacement

1009-6825(2016)16-0174-02

2016-03-26

劉峰銀(1992- )，男，在讀碩士

U451.2

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