軟弱圍巖隧道施工過程圍巖參數反演及仿真分析

陳 軍

(云南建設基礎設施投資股份有限公司 昆明 650217)

隧道施工的實踐經驗和相關文獻調研表明，軟弱圍巖隧道施工風險大，多發坍塌事故的主要原因是地質情況和圍巖參數復雜，設計階段不能確定有針對性的圍巖支護參數，而施工階段軟弱圍巖隧道圍巖變形速度快，設計變更過程又較復雜，導致施工現場不能實時優化開挖方法和支護方案，引起事故的發生，因此，隧道施工階段需要有一種方法可以預測圍巖的位移和受力[1-2]，從而指導現場施工和設計變更。鑒于此，本文結合軟弱圍巖隧道施工實際情況，建立數值計算模型和基于改進的遺傳神經網絡，并結合現場實測的監控量測數據，通過一種逆向反演的方式推算出圍巖的力學參數，基于推算出的圍巖力學參數進行數值計算，一方面可以與現場監控量測數據進行比較，驗證反演系統和仿真模型的準確性，另一方面可以通過進一步的計算實現沉降值、收斂值的預測，提早發現薄弱面，有效預防可能出現的破壞，實現一種更主動有效的隧道設計、施工控制模式[3-4]。

1 BP神經網絡與遺傳算法相結合的圍巖參數反演

遺傳算法在給定目標函數和多約束條件下，具有多目標優化能力，BP網絡具有對未輸入目標進行預測的泛化能力。通過遺傳算法和改進的BP神經網絡，可實現巖土通常參數的反演[5]。其實現步驟如下。

1) 確定反演參數，按正交試驗法建立各參數的水平組合。

2) 建立數值計算模型，進行反演參數各水平組合下的數值計算，獲得相應的位移值，將參數組合值和對應的位移值作為反演計算的輸入和輸出學習樣本。

3) 建立神經網絡算法的計算參數與響應量的全局映射關系，并建立求解巖土參數所需的目標函數。

4) 將學習樣本和實測位移數據代入編制好的反演程序中，分析出滿足運算終止條件的最優解，此最優解即為待反演圍巖參數目標值。

5) 將反演出的隧道圍巖參數代入FLAC3D數值計算程序，計算出隧道圍巖位移值。并將數值計算得到的圍巖位移值與監控量測的圍巖位移值進行對比，驗證反演程序和仿真模型的準確性。

1.1 正交試驗設計

正交試驗是進行多因素試驗安排的一種高效的試驗設計方法，它根據試驗因素的水平組合，選擇有代表性的一部分水平組合進行試驗，分析了解全面的試驗情況，可作為得到反演系統樣本集的有效方法[6]。

1) 因素及對應水平的確定。圍巖的主要力學參數彈性模量E、泊松比μ、黏聚力c和內摩擦角φ，可作為正交分析的4個因素。通過地質勘測、現場試驗及相關類似工程的數據，可以確定軟弱圍巖力學參數取值范圍為E：5～20 MPa；μ：0.3～0.45；φ：15°～30°；c：20～50 kPa。正交設計水平一般取2～4個為宜，為了使分部更具代表性同時考慮計算量的大小，所有參數均選擇4個水平，具體的因素與水平分部見表1。

表1 圍巖參數因素水平表

2) 正交試驗表設計。常用的正交表已由數學工作者制定出來。2水平正交表有L4(23)，L8(27)，L16(215)等；3水平正交表有L9(34)，L27(213)…等。此試驗為4因素4水平試驗，不考慮交互作用，選L16(45)最合適，并確定出試驗方案和圍巖參數取值。

1.2 仿真模型建立

隧道全長525 m，洞身穿越自穩性差的第四系上更新統風積砂質黃土地層及強風化砂巖夾泥巖結構地層，圍巖等級為Ⅴ級。入口段埋深30 m左右，洞身最大開挖高度10.39 m，最大開挖寬度11.56 m，隧道采用CRD法施工，共6個開挖分部，每開挖分部間隔3 m，二襯到最近掌子面距離為12 m左右，支護參數為V級圍巖復合式加強襯砌，鎖腳錨桿和系統錨桿長度為3.5 m，每開挖進尺21根系統錨桿沿開挖邊界等間距布置，初支厚度為25 cm，二次襯砌厚度為45 cm，橫豎撐厚度為25 cm，開挖進尺為60 cm。應用FLAC3D有限差分軟件建立模型，埋深取隧道開挖區平均埋深值，模型尺寸為長×寬×高=33 m×100 m×110 m。

1) 隧道開挖模擬。為了和實際施工工況保持一致，模型的開挖順序、掘進進尺等均按照實際進行模擬，實際施工中各分部開挖順序與模型模擬的開挖順序示意圖見圖1。

圖1 仿真分析中模型的開挖順序

2) 隧道支護系統模擬。模型中的系統錨桿及鎖腳錨桿采用cable單元進行模擬，初襯噴射混凝土采用solid單元，二襯采用結構單元shell

單元，橫向、豎向的臨時支撐則采用solid單元進行模擬，具體的模型支護體系見圖2。

圖2 仿真模型支護系統

1.3 正交試驗及參數反演

隧道施工過程中，在拱頂和墻腰的同一斷面布置位移監測點，并按《鐵路隧道監控量測技術規程》相關要求進行位移監測。

通過正交試驗確定的16組圍巖力學參數,分別代入利用FLAC3D有限差分軟件建立的仿真模型中計算,則可分別得到16組試驗的圍巖拱頂沉降和周邊收斂數據見圖3～圖6。

圖3 試驗1～8組的拱頂沉降曲線圖

圖4 試驗1～8組的洞內收斂曲線圖

圖5 試驗9～16組的拱頂沉降曲線圖

圖6 試驗9～16組的洞內收斂曲線圖

由圖3～圖6可見，相同斷面的拱頂沉降值與洞內收斂值的變化趨勢大體相同，絕對量上成正相關關系，這與隧道結構變形的實際情況相符,也與隧道監測的數據在趨勢上吻合。隧道掘進起點附近的監測點受到模型邊界條件的影響較大,與實際監測結果有明顯差距,但是從距掘進起點6 m左右開始,沉降和收斂趨勢趨于正常，與現場監測結果趨勢相符。距掘進起點7.5 m左右時沉降和收斂值均趨于最大值,距起點18～20 m區段,沉降值和收斂值趨勢穩定,但距起點19.5 m之后,拱頂沉降和洞內收斂開始有明顯減小趨勢,因此，選取距掘進起點7.5 m和19.5 m這2個斷面作為典型反演斷面。這2個斷面距最遠掌子面的距離分別為22.5 m和10.5 m。

通過數值計算，得到典型斷面試驗組在相應圍巖參數下的拱頂沉降值和周邊收斂值,見表2。

表2 正交試驗方案結果統計表

將表2中通過正交試驗確定的圍巖力學參數和數值計算得到的圍巖位移參數帶入反演程序，利用MATLAB程序進行反演計算，得到圍巖的反演參數：E=10.397 1 MPa，μ=0.433 9，φ=17.834 5，c=41.199 4 kPa。

2 仿真模型驗算

判斷圍巖參數的反演值是否準確，還需要進行進一步的仿真模型驗算。由于反演分析的模擬工況為某隧道的施工工況，驗算模型與原采樣計算模型相同，所以將反演得到的圍巖力學參數值直接代入原模型進行計算則可得隧道圍巖的整體變形情況，見圖7和圖8。

圖7 隧道開挖的整體沉降云圖

圖8 水平方向隧道整體位移云圖

由圖7可見，隧道上方土體受自身重力作用，形成完整的自平衡應力拱，位移向上傳播范圍約為20 m；由于土體的流塑性較強，隧道底部土體開挖后，土體應力釋放而產生的回彈變形較大。由圖7～圖8可見，雖然CRD法分部開挖對沉降和水平位移分部有影響，但是從整體的沉降和收斂趨勢來看，其影響并不大，大體上呈對稱變形。

通過對模型計算結果7.5 m和19.5 m處取剖面圖，可以得到斷面7.5 m和斷面19.5 m處的沉降和水平收斂云圖，見圖9～圖12。提取2個斷面隧道變形數據則可得模型計算值與實測值的對比情況，見表3。

圖9 斷面7.5 m處沉降云圖

圖10 斷面7.5 m處水平位移云圖

圖11 斷面19.5 m處沉降云圖

圖12 斷面19.5 m處水平位移云圖

表3 驗算模型隧道變形值與實測值對比表

由表3可見，利用反演參數進行模型驗算所得出的隧道典型斷面拱頂沉降值、周邊收斂值與隧道施工過程中實測值吻合良好，二者的最大偏差不到4%。說明反演程序的編制和仿真模型的建立是合理的，將反演參數代入仿真模型對典型斷面沉降值和收斂值的預測是較為準確的。

提取仿真模型中其他斷面的拱頂沉降值和周邊收斂值，與現場實測數據進行對比，見圖13和圖14。

圖13 模型沉降值與實測沉降值曲線圖

圖14 模型周邊收斂值與實測周邊收斂值曲線圖

由圖13和圖14可見，其他斷面的拱頂沉降值和周邊收斂值的整體趨勢與實測值吻合良好，說明反演參數不僅對提供反演數據樣本的典型斷面有效，對該開挖區段內的其他斷面位移預測也是較準確的。

3 結論

1) 巖土工程現象的規律復雜，影響因素多，具有非線性特點，如果單純采用BP算法分析，往往需要很長的收斂時間，而且容易陷入局部最小解。本文編制的改進BP神經網絡與遺傳算法結合的反演程序，先用改進的BP網絡對正交試驗的樣本集進行訓練，再用遺產算法求解得到最優解。減小了數值計算的工作量，使得求解的收斂數據更快且避免了局部最小解問題的出現。

2) 通過正交試驗確定反演計算所需的圍巖力學參數樣本集，以隧道實際施工工藝為標準，建立仿真數值計算模型并計算得到圍巖拱頂位移和周邊收斂位移樣本集，將圍巖力學參數樣本集和位移參數樣本集代入編制好的MATLAB程序，進行反演計算，可得到圍巖的力學參數取值，可為隧道工程設計、施工和隧道結構變形受力分析提供參考。

3)將反演得到的圍巖力學參數代入仿真數值計算模型，進行數值計算，計算得到的拱頂沉降位移值和周邊收斂位移值與實測值相近，誤差不到4%，說明反演程序的編制和仿真數值計算模型的建立是可靠的，可以對已反演巖層一定范圍內相似巖層的位移和應力進行預測，從而指導現場施工和設計變更，為優化圍巖支護方案和施工方案提供指導依據。