隧道縱向開挖變形位移監測數值仿真分析

李江沙，周 榮

(湖北省地質局地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056)

0 引 言

隧道在縱向開挖的過程中將會引起地表沉降，進而造成地表建筑物的形變，對人類的生命及財產安全形成較大的威脅，影響整體地表上方正常活動。為此，需對隧道縱向開挖變形位移進行相應監測，提前獲取位移信息，避免危險的發生，進一步確保地表及上方建筑物的安全。張英杰[1]基于BIM模型對隧道縱向開挖工程進行實時監控，提升整體監控的有效性，進一步分析隧道縱向形變原因，并分析不同高程和軸向的隧道內部空間網絡結構，增強對中心結構數據的調整力度，設置縱向軸網管理變形位移數據，轉化標高信息，標記不同區域的位移變化數值，判斷區域內部的位移變化程度，標記變化信息，強化對位移數據的精準掌控，提高整體數值仿真分析的精準度，該方法能夠同時應用于不同的施工場景，具有較強的可操作性，但對于數值采集的程序較為繁瑣，數值分析的效率較低。楊三強等[2]針對隧道開挖過程中的地表形變狀態進行數值預測與控制，基于隨機介質理論與軟件程序編寫分析系統，對不同形變產生的位置進行追蹤，進一步研究變形區域與隧道挖深之間的關系，匹配關系數值，構建反向傳播神經網絡，預測隧道斷面的變形值，同時離散分析取值信息，調整收縮面積數值，利用滾動預測的方式構建神經網絡研究平臺，將收集的位移監測數值錄入平臺中，等待隨機處理，該方法具有較高的監測效率，但無法精準獲取所需的監測數值，數值仿真的精準度較低。

針對上述問題，本文根據不同區域的隧道變形特征，對其地基結構進行分析，并由此設置數值仿真參數，加強對內部隧道開挖結構的處理力度，調整參數預測信息，提高數據監測的精準程度，進一步強化模型空間構建平臺，完善基礎數值錄入與分析性能，判定位移變形位置，達到信息監測的目的，實現有效的數值仿真分析處理。

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，隧道中心襯砌管環為預制裝配式鋼筋混凝土結構，屬于淺埋暗挖隧道，采取機械挖掘與預裂挖掘相結合的方式開挖[3]。內部圍巖主要組成成分為混合花崗巖，局部區域分布較軟巖，巖體整體較為破碎，內部節理裂隙發育，主要結構為破碎狀。

對隧道縱向開挖變形位移數據進行監測，并構建仿真模型[4]。在構建模型的初始階段首先需要設置相應的模型參數，根據隧道開挖的具體特征劃分為地基參數與隧道參數，進一步整合參數信息，預測變形位移數據，減少仿真模型構建時的誤差，并建立最終的仿真模型，從而實現數值仿真分析。

在距離研究區域西側150 m處設置5個監測斷面(DM-1～DM-5)，每個監測斷面的間隔為15 m，分別標記監測點位置(D-1～D-11)，并收集監測點位置信息。在監測斷面中存在12個相同的監測點，每個監測點的距離為5 m，其距隧道中心線的距離相等。調整監測斷面內部監測點的定位信息，并采用軟件程序編寫分析系統，利用函數信息對實際測量的地表狀態進行數據提取處理，進行相應的仿真分析研究。監測斷面及監測點布置見圖1，斷面監測點布局見圖2。

圖1 監測斷面及監測點布置

圖2 斷面監測點布局

2 隧道縱向開挖變形位移監測數值仿真模型建立

2.1 地基模型參數構建

在地基模型上添加無法進行壓縮的剪切層，同時改善剪切層的土壤信息。考慮土體彈簧之間的相互剪切作用，并配置相關的缺陷檢驗公式，即

(1)

式中，q為隧道地表上層施加的壓力數值；t、u分別為隧道中地基彈簧門限上、下限；D為隧道中地表剪切層的剪切剛度。根據剪切作用分析隧道地表的壓力數值，補充隧道外部連接區域的土層信息，設置數據采集平臺管理收集的壓力數值信息，模擬地基梁信息。針對地基剪力彈簧系數檢驗變形位移距離，并設置剪力模擬數值驗算公式，即

(2)

式中，DF為剪力模擬數值驗算值；Ps為隧道中心土層彈性模擬驗算值；dp為隧道地基剪切層的厚度；η為隧道地基土層受力比值。按照隧道地面的長梁參數計算地基梁的埋深，進而獲取位移的距離參數，考慮地應力之間的平衡，減少建筑物對隧道開挖應力場的影響[5]。整合隧道內部的應力參數信息，估計一定埋深的地基網格數據，判斷地基量的基床系數，其計算公式為

(3)

式中，s為基床系數；svesic為基床系數模擬標準參考數值；QI為相關地基網絡數據。

為進一步模擬隧道中的土體狀態，根據施工方案對隧道內挖掘壓力與地表面壓力進行測量，去除與隧道地表關系較大的注漿壓力值，并在隧道管片中施加頂推力，計算隧道頂推力模擬數值[6-7]。在隧道管片橫斷面中取得地層損失信息，計算損失系數和隧道地表收縮系數，控制模擬地表缺陷數值，獲取地層損失率參數，將其與推薦數值進行對比，并模擬界面收縮率參數。設置相應的土層斷面收縮，見圖3。圖3中，H為隧道頂高；SD為斷面收縮損失點；Hg為斷面收縮損失點到隧道頂部距離。

圖3 隧道開挖斷面收縮示意

分析土層中不同微元體的受力狀況，并在受力集中區域設置監測點，控制監測點的間距處于相同的數值范圍內，微元體受力分析見圖4。圖4中，Z為頂部受力方向；M為微緣體受力中點；dx為受力范圍；Q為剪力夾角。按照分析的受力狀態調節地基模型內部結構，并匹配模型簡化機制，避免無關因素對整體模型參數構建的影響，完成地基模型參數設置操作。

圖4 微元體受力分析

2.2 隧道模型參數構建

針對隧道內部結構計算其在開挖過程中的變形與內力，加強對隧道等效彎曲度與剪切剛度數據的收集，并調整不同數據存儲的空間位置，簡化模型計算程序，在橫向修正慣數的條件下處理橫向剛度變化參數，設置等效抗彎剛度計算公式，即

(4)

式中，Erp為等效抗彎剛度；Eb為隧道中管片彈性模量；m為隧道縱向開挖過程中使用的螺栓總體個數；Ha為隧道縱向平均線高度數值；ks為螺栓相應長度數值；FD1為隧道橫斷面受力數據。

根據隧道中不同區域的土質分布情況分析地表沉降狀態，并記錄沉降數值[8]。在地層中構建整體大地坐標系，加強對隧道內部中心結構的控制，同時管理地表隧道之間的土壤濕度參數，計算管片混凝土的彈性模量，并集中收集隧道中心區域的地層影響角數值[9]。在土體中設置三角單元，計算單元體與開挖變形中心區域的距離。控制不同影響角的設置高度，調節中心角的位置，計算此時位移土層的等效剪切剛度，并設置其表達式，即

(5)

式中，A?rp為位移土層的等效剪切剛度；ξ為隧道內部開挖結構經過修正的摩擦系數；Ds為隧道中心螺栓剪切模量；Es為管片環剪切系數；?為隧道中管片剪切模量。將經過剪切處理的隧道模型參數進行土層狀態分析，對隧道斷面收縮不均勻狀況進行調整。不均勻收縮示意見圖5。圖5中，a～g為設置的7個隧道斷面不均勻收縮監測點；x為隧道水平位面；R為點f到點d之間的收縮夾角。調整斷面收縮范圍，得到所需的隧道模型參數。

圖5 隧道斷面不均勻收縮

2.3 開挖變形位移數據預測

在獲取仿真參數的基礎上，對隧道開挖變形位移數據進行預測處理，判斷位移產生的位置范圍，同時設定位置檢測參數并對其進行集中調整[10]。模擬不同區域的位移信息采用BP神經網絡對預測數據進行訓練處理，設置訓練目標最小誤差數值，并將其組合成訓練樣本[11]。預測實際位移數據與設置數據之間的差異，采用網絡相關系數評價構建的預測模型，并設置其位移系數評價公式，即

(6)

式中，S為位移系數評價等級；Wi為不同數據之間的誤差參數；N為評價門限；i為評價初始數值。經過系數評價后，調節不同預測參數之間的匹配關系信息，并加強對訓練集的集中處理，簡化內部處理操作，縮短預測時間，提升整體仿真分析的效率。進一步計算平均評價數值，其計算公式為

(7)

式中，Se為位移平均評價數值；M為訓練集中的數據總量。調整預測數據的位置信息，同時針對隧道開挖過程中產生形變的位置變化狀態進行標記處理。描述地表沉降相對間距參數，設置臨界值，將該值作為預測訓練集與實際數據集合之間的距離遠近的判斷依據，其臨界判斷公式為

(8)

式中，Q為斷面縱向收縮臨界值；I為隧道內部軸線間距數值；n為隧道開挖過程中地表沉降槽水平寬度臨界值；Z為相關地表沉降槽寬度參數；O為隧道開挖深度；λ為隧道土體內部摩擦角系數。在計算臨界數值后，分析土體附加應力，獲取所需的預測參數，由此實現開挖變形位移數據的預測處理。土體附加應力分析見圖6。圖6中，A為斷面縱向2個監測點Z1、Z2的土體應力夾角；B為斷面水平2個監測點X1、X2的土體應力夾角。

2.4 數值仿真模型構建

將預測的數據集中收錄至仿真模型構建系統中等待模型建立[12]。將數據劃分為多個不同的仿真微元體進行數據擬合處理[13-15]。標記地層整體坐標，并對隧道開挖時的地表整體沉降狀態進行仿真模擬，設置其模擬公式，即

(9)

式中，I(X)為隧道開挖時的地表整體沉降狀態的仿真模擬數值；α為隧道開挖地層影響角數據；μ為設置的數據體集合距地表中心的距離數據；ζ為隧道中心距離寬度參數；R為隧道中心沉降水平距離參數；d為隧道直徑。經過模擬后調整不同區域土體的挖掘狀態，并加強對中心隧道結構的數據調節處理，擬合隧道挖掘變形位移狀況，并提取隧道中開挖施工相互作用影響信息。內部施工相互作用影響見圖7。

圖7 隧道開挖相互作用影響

根據影響信息匹配仿真參數，同時監測隧道土體與表層墻體之間的擾動關系，標記沉降點信息，構建擾動比值計算公式，即

(10)

3 數值仿真結果分析

3.1 隧道地表沉降

為有效驗證研究方法監測的有效性，對數值仿真進行相應的數據對比處理，將不同方法得到的地表沉降數值與實際測量數值進行比較，并分析其比較結果。不同方法地表沉降數值結果見圖8。從圖8可知，當距隧道中線距離為0時，實際監測的地表沉降數值為-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，基于隨機介質理論方法為-0.012 m。由此可知，本文方法地表沉降數值與實際監測數值之間的差異最小，整體誤差率為0.005%，具有良好的監測效果。

圖8 不同方法地表沉降數值對比

3.2 隧道隆起

為進一步驗證不同方法數值仿真分析的精確度，對隧道隆起變形進行對比分析。不同方法得到的隧道隆起變形對比見圖9。從圖9可知，本文方法隧道縱向開挖變形位移的隆起數值變化曲線與實測值相一致。當隧道于基坑中心距離為0時，實測隧道隆起數值為2.6 mm，本文方法為2.7 mm，基于BIM模型方法為2.9 mm，基于隨機介質理論方法為2.0 mm。由此可知，所研究方法的隧道隆起數值與實測值的差距最小，整體誤差率為0.001%，能夠有效監測隧道縱向開挖造成的變形位移，具有良好的分析效果。

圖9 不同方法隧道隆起變形結果對比

4 結 語

本文針對隧道縱向開挖變形位移進行監測數值仿真分析，在獲取變形位移數據的基礎上設置相應的仿真模型參數，構建模型數據，以達到精準監測位移數據的目的，得到以下結論：

(1)由于隧道地表的變形主要呈現反對稱分布狀態，其變化大小隨著地層的深度而變化，在實際監測的過程中需加強對中心區域的結構化處理，避免地層數據對仿真結果的影響。

(2)在進行變形位移數據采集的同時，需時刻監控地表參數的變化狀況，發生不良反應時及時進行數據收錄處理，避免無關因素的影響，進而提升整體研究的精準度。

(3)在掌控隧道特征信息的基礎上進行數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值，提升了數值仿真的科學性。