隧道工程偏压研究与反分析

林　超

(贵州高速公路集团有限公司)



隧道工程偏压研究与反分析

林超

(贵州高速公路集团有限公司)

摘要：针对某隧道工程研究了隧道偏压的成因与判别方法，采用反分析方法确定了隧道偏压的分布特征，对预测隧道状态和反馈设计具有重要意义。

关键词：偏压隧道；荷载反分析；荷载结构模型；新奥法

1工程概况

罗(源)长(乐)高速公路马宅顶隧道属丘陵地貌，标高为+50～110 m，地形呈波状起伏，进口处坡角约为20°，出口处坡角约为37°。隧道进出口处有3、8 m残坡积层出露，其余地段为花岗岩及其风化层直接出露，围岩类别为II类；洞身段以弱风化混合花岗岩为主，少部分凝灰岩，局部辉长(绿)岩脉岩侵入，岩围岩类别为III、Ⅳ类，其岩性均为硬质岩，质地较完整，致密而坚硬。

隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合衬砌，型式为不对称双连拱隧道；由于隧道所处地形起伏，进出口段埋深较浅，围岩类别较低，可能产生偏压。

2偏压隧道的判定及荷载计算

2.1　偏压隧道的成因

(1)施工原因：因施工方法不当引起开挖断面局部坍塌，从而改变了围岩压力的相对稳定性，造成应力集中而引起隧道偏压，如处理得当，一般不会影响正常施工。

(2)地质原因：因岩层产状倾斜，节理发育，其间又有软弱结构面或滑动面，自稳能力极差，施工中一旦受到扰动，岩体就会沿层理面出现滑动。

(3)地形原因：隧道傍山，地面显著倾斜，侧压力较大，且隧道理深较浅。

2.2　偏压隧道的判断

(1)地形引起的偏压：围岩类别、地面坡度和覆盖层厚度是判别隧道偏压的3个重要因素。当隧道外侧拱肩至地表面的垂直距离t值等于或小于下表所列数值时，应视为偏压隧道。一般在III类以下围岩中，以地形引起的偏压为主。

表1　拱肩至地表面垂直距离t值　m

(2)地质构造引起的偏压：地质构造常在多裂隙围岩(以IV-III类较为突出)中引起隧道偏压，其压力分布主要与下列因素有关。

①围岩的工程地质条件及控制性裂隙、节理或层理(统称为弱面)的产状及其与隧道轴线的组合关系；

②围岩扰动范围；

③控制性弱面的强度以及作用在弱面上的法向力大小等。隧道一侧受2个倾斜的软弱面(倾角为α)及一组节理面所切割时，会形成不稳定块体，当围岩的内摩擦角φ小于弱面倾角α时，岩层将沿弱面滑动并产生偏压。

(3)施工原因引起的偏压：由于开挖不当或支护不及时引起一侧围岩发生局部坍塌，或回填不实造成不稳定土体，人为形成了偏压的地质构造。

2.3　施工阶段偏压荷载的确定

隧道偏压的产生，不仅仅是由地形和埋深、围岩类别决定的，洞型和施工也会对它产生影响。要对这些因素进行准确的评估是很困难的，最佳的途径应是根据隧道在施工过程中的各种表现(隧道系统的输出)，反分析作用在隧道上的各种因素，主要包括荷载和地层参数(隧道系统的输入)。

根据模型试验结果，可假设作用于衬砌结构上的压力荷载呈抛物线分布模式，如图1所示。图中，将衬砌左边缘与上边缘的交点(左上角点)定义为x-y坐标系的原点O，且假设pi，qi(i=1，4) 为待求未知量。则垂直和水平分布力p(x，y)，q(x，y)可写成以下形式:

图1　衬砌压力荷载分布模式

q(x，y)=bo+b1y+b2y2+ b3x

(1)

式中：ai，bi(i=0，3)是与pi，qi相关的。用pi，qi，代换ai，bi，上式可变换为

p(x,y)=p1+(2dx-1)dxp21+dxp31+4(1-dx)dxp41

q(x,y)=q1+(2dy-1)dyq21+dyq31+4(1-dy)dyq41

(2)

式中：dx=x/XL，dy=y/YL，Pi1=pi-p1，qi1=qi-q1(i=2,4)，XL，YL分别是结构外缘在x，y向的最大尺寸。

这种荷载模式共有8个参数，可以模拟各种情况，比如，均匀分布，线性分布，抛物线分布等。在对反分析初值没有把握的情况下，可以先进行均匀分布荷载的反演，然后，用反演结果作为抛物线分布荷载反演的初值。

3反分析方法

这里采用直接反分析方法，采用优化方法通过不断调整需反演参数的取值使得正算值与实测值的差异最小，认为这时的参数值就是我们所需要的反演值。这种办法由于反分析过程和正算过程的独立性，便于编辑通用程序，适用的范围更广。

反分析的目标函数一般选择如下形式，

(3)

式中：fi为监测量的有限元计算，ui为实际量测值，n为测点总数，J与fi为待反分析参数X的函数，通过不段优化使得目标函数取得最小值。

在本工程中，由于检测项目较多，既有量值极小的位移，又有量值很大的衬砌内力值和围岩压力值，直接采用上述的目标函数，会出现小量被大量吞噬的现象，即目标函数值由大量控制，而小量不起作用。因此，我们对目标函数进行了改造，采取如下的形式

(4)

fij、uij含义同上，其下标的意义为第i个监测项目的第j个测点。

反分析的优化方法目前有很多，梯度法总是沿着函数值下降的方向寻找最优点，因此开始优化时效率较高，但随着优化的进行效率开始降低，同时它找到的是局部最优点，而且对目标函数的要求很高(可导性、可显式表示等)；另外，还有很多别的优化方法。这里采用单纯形法。

正分析和反分析都由程序实现，反分析的目标参量可以是围岩压力，也可以是地层弹簧刚度，或者是二者一起参加反演；正分析可以是普通的山岭隧道，也可以是盾构法拼装隧道。

4输入参数的确定

4.1　中墙内力计算

量测得到的是中墙钢筋的应力或中墙的表面应变，而有限元模型中把中墙简化为梁，因此，要把应力或应变转化为轴力、弯矩，才能作为输入参数。

表2　中墙实测内力

4.2　衬砌压力的确定

衬砌压力是时间的函数，随着衬砌强度的增加，围岩变形的稳定，压力逐渐达到稳定。反分析时就采用达到稳定时的压力值，这里采用右洞K57+030截面的压力值，如图2所示。

图2　二衬法向压力图

5反分析结果

首先计算围岩压力的理论值，采用规范提供的公式

q=0.45×26-sγω

ω=1+i(B-5)=1+0.1(28-5)=3.3

q=0.45×6-3×23×3.3=273

e=0.2×273=55

我们将以此为初值进行后面的反分析，同时，地层抗力值的取值也按规范取值，Kn=5.e5，Ks=1.e5。

首先假定地层抗力取上述值，进行荷载反分析，结果见表3，然后将荷载反演值作为定值进行地层参数反分析，结果见表4，最后利用反演的地层参数值再进行荷载反分析，其结果见表5，其对应的预测值与实测值的对比如表6所示。

表3　荷载反分析结果(步长为1，收敛值0.000 1)

表4　地层参数反分析结果

表5　第二次荷载反分析结果

表6　实测值、预测值对比表

由上表可见，预测值与实测值总体上较为符合，符合较差的是轴力项目和E点的围岩压力。我们看到，中墙在模型中只在两端受力，由隔离体的平衡条件可知，中墙上部和下部的轴力应该是相等的，由预测值也可以发现这一点；实测值上下部不一样，可能是有别的原因，比如施工时将支撑撑在中墙上。而D、E点的围岩压力值发生了一定的突变，显然预测值比实测值更为平滑，更为合理。

反演值与前面按规范的计算值较为接近，由于围岩较好，可以看到侧压力与垂直压力相比较小；同时，隧道存在一定的偏压，大洞所受压力稍大，不过不是很明显。

6结语

通过马宅顶隧道工程的实践，我们进行了较为全面、细致地监控量测，取得了第一手的宝贵资料；在对量测资料进行了认真的整理后，以量测资料为基础，进行了荷载与地层参数的反分析；然后以反分析结果为基础，进行衬砌受力状态的预报，可以对反馈设计提供指导。最后，我们得到如下结论。

(1)以监测、反分析为基础的信息化设计方法应得到重视。监控量测有双重意义，它既为反分析提供数据，它本身又是隧道及衬砌稳定状态的判据。反分析结果可以直接作为反馈设计的输入参数，其预测结果也可用于判断隧道的安全状态。

(2)反分析结果与规范计算值比较，竖向荷载最大值P=314kN/m2，比规范计算值273大15%;最小值P=184，比规范计算值小32%。水平向荷载同样与规范计算值差异不很大，但却反映了隧道偏压的特征。可见，反分析方法比常规方法的解能更接近于参数的真实状态，因而能作出更为准确的预测。

参考文献：

[1]钟新樵．土质偏压隧道衬砌模型试验分析[J]．西南交通大学学报，1996，31(6):602-606.

[2]张海亮，董志．黄土质偏压隧道施工技术[J].铁道建筑技术，2000，(4)：25-27.

[3]朱合华，崔茂玉，杨劲松，盾构衬砌管片的设计模型与荷载分布的研究[J].岩土工程学报，2000，22(2):190-194.

[4]夏才初，潘国荣等，土木工程监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

作者简介：林超(1979-)，男，工程师，研究方向：工程管理。

收稿日期：2014-11-14

中图分类号：U442

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2015)08-0115-02