隧道施工反分析研究

2015-12-02赵华王颖

天津建设科技 2015年3期

关键词：泊松比拱顶增量

□文/赵华王颖

隧道施工反分析研究

□文/赵华王颖

结合南京城东快速干线九华山隧道工程，采用基于FLA C正演分析的隧道增量位移反分析方法进行分析预报，在计算过程中考虑隧道松动圈的影响来提高位移反分析的精度并与实测数据进行了对比分析，分析表明该方法比较简单，精度比较高，有一定实用性。

隧道施工；施工监测；数值反分析

新奥法（N ATM）对围岩扰动小，支护及时，支护与围岩共同受力变形，是主要的隧道设计施工方法。但是，由于岩性复杂，至今多数锚喷支护隧道工程的设计与施工仍然依赖工程类比，处于定性设计的水平。以实测监测量为基础，用反分析法进行施工过程模拟，可对类比参数进行修正，可以更好地预测未来施工进程中的变形情况。

1　九华山隧道南口反分析

1.1模型确定

南京九华山隧道为双向6车道连拱隧道，隧道宽32.269m，采用浅埋暗挖法及喷锚构筑法进行施工。根据九华山隧道的实际情况，选择南口K5+350～K5+400一段为本文研究的工作段，典型监测断面选择K5+370。针对该段建立FLAC数值三维模型，模拟隧道中导洞开挖和初衬过程中内空变位情况。

中导洞开挖断面跨度6.34m，高度8.26m，属浅埋隧道。数值模型选用三维弹性模型，岩体初始地应力仅考虑自重。计算模型水平方向上左右边界取单拱跨度6倍38m，垂直方向上边界取自由地表，下边界取洞径的3倍19m。在三维问题中，围岩是三维的连续介质，采用弹性材料来模拟。钢支撑和喷射混凝土用衬砌单元来模拟。钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给混凝土喷层。

由于锚固加固围岩的作用机理复杂，在数值模拟计算中很难反映真实情况，故本次模拟中把锚杆加固区与围岩松动圈结合起来考虑，在模拟中该区域取与原始围岩不同参数。在实际隧道工程中，松动圈与锚杆锚固圈往往是部分或完全重合的，把松动圈与锚杆锚固圈人为的分开来考虑是难以做到的。松动圈的范围与锚杆锚固区的范围极易受外界施工条件、施工质量、原始围岩性质等因素影响，可以松动圈与锚杆锚固区综合的看成是同一个区域，也用综合弹性材料来模拟。取初始应力区弹性模量为E1，松动圈与锚杆锚固共同作用区的弹性模量为E2，E2与E1的比值为n。由于E2是一个未知量，因此，也把n作为一个未知量进行反演。为简化反演过程，把松动圈与锚杆锚固共同作用区的泊松比与初始应力区的泊松比取相同的值。

根据前人的研究成果，结合九华山隧道工程的实际情况，本文取洞室周围3m范围围岩为松动圈与锚杆锚固区的共同作用区来进行模拟计算。

1.2模拟过程

1.2.1选取与试算围岩力学参数

分析可知，本模型需输入的材料特性参数有以下6个：E1、μ1、E2、μ2、E3、μ3。

E1、μ1为围岩弹性模量、泊松比；E2、μ2为松动圈与锚杆加固共同作用区弹性模量、泊松比；E3、μ3为喷射混凝土与钢架综合弹性模量、泊松比。

根据计算经验，E3=18 GPa。μ3取0.25，为简化计算，取μ1与μ2相等。这样还有E1、μ1、E23个未知参数需要经过反演确定，设E2/E1=n。通过对模型选取参数进行试算发现，中导洞掌子面从K5+373开挖至K5+388过程中K5+370段面处的拱顶下沉与收敛的增量值与围岩E1、μ1、n的相互关系如下：

1）拱顶下沉值增量受E1、n的影响较大，受μ1值的影响相对较小，因此围岩好的区域和锚杆支护效果好的区域拱顶下沉值较小，在隧道的施工中，可以通过适当加长锚杆长度与提高注浆质量来控制拱顶下沉值；

2）收敛值增量受E1、μ1、n三者的影响都较大，要控制围岩的收敛变形增量只有从E1、μ1、n三者全面出发来考虑；

3）拱顶下沉值增量与收敛增量值的比值受泊松比μ1的影响最大，受加固区弹性模量与围岩弹性模量的比值n的影响很小，基本不受围岩弹性模量的影响；因此，可以利用监测所得的拱顶下沉值与收敛值的比值的统计平均值在ξ-μ1曲线上大体的来确定围岩的泊松比μ1；其次，可以在一定的参数范围内进一步利用ξ-n曲线来确定n值；最后可以利用△Z-E曲线或△X-E曲线来确定E值。

1.2.2反演分析流程

根据以上的试算与分析可确定利用增量来反演分析隧道参数的最终流程：

1）首先根据以往经验选择一定范围的E1、μ1、n参数进行试算；

2）根据ξ-μ1曲线初步确定μ1值；

3）利用ξ-μ1曲线来确定n值；

4）利用△Z-E曲线或△X-E曲线来确定E值；

5）用以上步骤所得E1、μ1、n值建模进行下一施工步的计算，预测出下一施工步的位移增量值；将所得预测值与实际量测值相比较，判断反演效果；如预测值与实际量测值有一定的出入，小幅调整μ1值，重复以上第3至第6步计算，直到可以接受结束计算。

1.3位移增量反演确定围岩参数

根据以上分析利用位移增量来反演确定围岩参数的计算。

1.3.1μ1值的确定

根据计算所得泊松比μ和拱顶下沉增量与收敛增量比值数据，进行数据拟合分析。

根据曲线形状选择函数y=y0+Ae-x/t对以上数据进行拟合，得曲线函数为

掌子面从K5+373前进到K5+388过程中，监测断面K5+370的收敛增量值为2.29mm，拱顶下沉增量值为6.04mm。则将y=6.04/2.29=2.64代入式（1）可解得x=0.29。也即泊松比μ可以取0.29进行数值计算。

在此仅就一个断面的数据进行反分析，在实际应用过程中，取相似的多个断面的数据处理取均值来进行反分析，这样可以减少由于单个断面的偶然误差。

1.3.2E1、n值范围的确定

根据以上试算与监测所得数据比较分析，可大体的确定弹性模量E1与n值的范围，弹性模量E1取0.15～0.40GPa，n取0.2～2.2。弹性模量E1取0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40六种情况进行计算，n分别取0.2、0.6、1.0、1.4四种情况进行计算，两者联合共24种工况，对不同工况进行计算得出K5+370的收敛与拱顶下沉在掌子面从K5+373前进到K5+388的过程中的增量。由计算结果可以进一步看出，在泊松比确定的情况下，ξ值随n值的变化而小幅变化。弹性模量E1对ξ值的影响极小，基本不受其影响。因此，可以根据各n值条件下计算所得ξ值，通过数学处理估计实际条件下n值大小。

1）n值的确定。取n为0.4、0.8、1.2值计算得ξ值，取各n值条件下的ξ值的均值，可得表1。