贺健 袁敏

1 反演法概述

利用现场量测到的信息,或者说量测到的来自工程施工引起的结构与介质的扰动量,来反演工程介质材料的性态参数和初始荷载的方法,通常称为反分析法。

可用作反演分析计算依据的工程现场信息称为反分析计算研究的基础信息,基础信息可以分为地质信息、工程信息和现场量测信息三类。反分析法可分为应力反分析法、位移反分析法和混合反分析法。由于位移量测比应力量测更经济、方便,且较易获取,故位移反分析法更为工程所广泛采用[3]。

2 反演法在某公路隧道中的应用分析

1)工程概况。某隧道为双洞四车道高速公路隧道,按上下行分离式形式布置。隧道位于重庆市秀山县境内。隧道左、右两洞轴线最大间距为15.5 m～43.5 m,隧道进出口段受地形限制为小间距隧道。隧道右线进口里程为YK37+326.676,出口里程为YK40+685,右线隧道全长3358.324 m。2)地层岩性。据川东南地质工程勘察院初勘报告及本次详勘资料,工作区内出露地层主要以海相沉积的碳酸盐岩为主,间夹少量陆相沉积碎屑岩类。3)隧道围岩分级及分布。依据隧址区不同岩石的力学性质,首先进行岩石等级划分,而后考虑到围岩受地质构造的影响和围岩节理裂隙发育程度,同时考虑到各种围岩的风化特征对围岩强度的影响以及地下水对围岩的危害性作出围岩综合分级。综合物探、钻探资料及地调成果,本隧道围岩可分为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级。4)隧道支护结构。根据隧道的工程地质条件,结合隧道新奥法施工原理,隧道支护采用复合式支护形式。隧道初期支护以C20喷射混凝土、锚杆、钢筋网以及钢支撑为主要支护手段;二次衬砌采用C25混凝土或钢筋混凝土。5)围岩监控量测断面的选取。在监控量测过程中,不可能对隧道的所有断面进行量测,需要选取一些有代表性的断面进行监测。一般而言,对于Ⅳ级围岩,可按隧道长度方向每隔30 m～50 m布置一个位移量测断面,而对于Ⅴ级围岩,由于此类围岩往往出现在隧道的进出口、断层、煤层等岩性较差的地段,此时就需要加密选择位移的量测断面,并可选择在此类围岩地段布设应力应变量测断面。

3 隧道支护体应力分析

1)钢拱架应力分析。通过近60 d的连续观测,初衬钢架内应力处于131.5370 MPa～-4.3297 MPa之间,其中右拱肩GJ3变化范围最大。在11月18日之前,内力处于增长期,之后钢架内应力趋于稳定。拱顶GJ3的钢架内应力最大,达到131.5370 MPa,处于受压状态。其余测点钢架内应力均为正值,处于受压状态。从后续的观测得出,由于近期下断面的开挖,钢架内应力仍有小幅度的变化,而拱脚原始支撑点被破坏,使右边墙拱架出现拉应力。其最大值为设计值的60%左右,围岩趋于稳定。建议仰拱开挖后,及时进行仰拱支护。

2)初衬混凝土内力分析。通过60 d的连续观测,初衬混凝土内力处于3.8718 MPa～10.5497 MPa之间,其中左拱肩YB2变化范围最大。在11月8日之前,内力处于增长期,之后混凝土内力趋于稳定。左拱肩处YB2的混凝土内力最大,达到10.5497 MPa,处于受压状态。其余测点混凝土内力为正值,处于受压状态。11月15日～12月10日的连续降雨,混凝土内力有不同程度的增加,其中左拱肩YB2的变化最大。由于近期开挖仰拱,混凝土内力有一定的增加,围岩趋于稳定。

3)初衬与围岩接触压力分析。通过30 d的连续观测,初衬围岩的接触压力处于0.1469MPa～0.8401 MPa之间,其中拱顶处TY3变化范围最大。在11月16日之前,应力处于增长期,之后围岩应力趋于稳定。拱顶TY3处围岩应力最大,达到0.8401 MPa。从后续的观测得出,围岩应力没有继续增加的趋势,其绝对值相对较小,围岩趋于稳定。

4 利用ANSYS对隧道围岩参数的反演分析

4.1 计算方案确定

隧道的围岩属Ⅳ级围岩,隧道开挖采用钻爆法,由于隧道断面较大,开挖采取上下台阶开挖方案。其过程为:左洞上半断面开挖→左洞下半断面开挖→右洞上半断面开挖→右洞下半断面开挖。由于右洞的进洞时间相对较晚,故左洞断面先行开挖支护。

表1 拱顶下沉实测及修正数据

4.2 反演计算参数取定

由于爆破完后无法及时测量,考虑到第一天的沉降量较大,以及参考后续几天的沉降量,对拱顶累计位移增加第一天的沉降量1.5 mm。反演的参数选取为围岩弹性模量E1,加固圈的弹性模量 E2,围岩的泊松比 μ(见表1,表2)。

表2 平面模型材料计算参数

4.3 反分析过程描述

在ANSYS中建立要反演的计算模型,将欲反演的变量以参数形式加至模型中,参数形式需满足APDL参数化语言的命名规则。各参数的初值取为:围岩的弹性模量 E1=3.5 GPa;加固圈的弹性模量 E2=3.5 GPa;围岩及加固圈的泊松比μ=0.325。

1)建立模型并约束加载后,运行求解命令对隧道模型进行计算,并提取初始地应力作用下的节点力值,用于对第一步开挖后对洞周的应力加载。开挖过程中运用ANSYS的生死单元命令实现隧道的开挖,并用生死单元命令根据实际的施工情况选择激活或杀死衬砌单元。第一步开挖后,再次运行求解命令,使用*GET命令提取反演测点位置的位移值。2)设初始地应力作用下拱顶的反演测点沉降位移为y1,现场监测获得的反演测点沉降修正位移为 y2,用 y1,y2(已知)和变量 Dy1建立优化的目标函数,如:HS=abs(Dy1+y1+y2),HS为目标变量,以数值的最小化为目标。在优化过程中根据设定的三个设计变量,不断调整,直至得到最佳解,即求得最佳反演结果参数。

4.4 位移反分析结果

所有优化变量和其他参数在每次迭代后将存储在优化数据文件中,整理分析结果。其中左上台阶开挖反演的参数为:围岩弹性模量 E1=2.81 GPa,围岩加固圈弹性模量 E2=9.17 GPa,泊松比μ=0.32911,反演位移与实测位移之差为0.664 mm。各施工步骤所对应的最佳反演参数如表3所示。

表3 各施工步骤对应的反演参数表

4.5 结果分析

由表3可得,隧道围岩各反演参数取:围岩弹性模量E1=2.955 GPa,加固圈弹性模量 E2=8.7975 GPa,围岩泊松比 μ=0.32472。反演所得的位移与实测位移差值的平均值为0.5813 mm,平均相对误差仅为3.12%,总的来说与实际值基本符合。隧道围岩加固圈由于有注浆锚杆的作用,其弹性模量增幅较大,对围岩的稳定性起到较大的有利影响。

5 结语

通过对隧道的分析,我们通过反演分析得到了最优参数,对隧道进行的设计优化提供了有效支持。事实证明,在实际工程中反演法是隧道新奥法施工中非常有效而成熟的优化设计参数取得的方法。反演法是依靠实时监测得到数据的,这些数据不但可以为参数反演提供支持,还可以对整个洞室的各种模拟提供支持,对群洞效应的研究和模拟尤其有效,所以对工程施工提供了全程的指导和依据,值得在所有的隧道施工中大量推广。

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