隧道收敛变形监测及围岩特性参数反演文档格式.docx
《隧道收敛变形监测及围岩特性参数反演文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道收敛变形监测及围岩特性参数反演文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
ParameterBackAnalysisofSurroundingRock
XUJian-guo,WANGFu-ming,CAIYing-chun
（SchoolofEnvironmentandWaterConservancy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,Henan,China）
Abstract:
AccordingtotheconvergencedeformationmonitoringoftheFenshuilingTunnelofLingnanFreeway,thefittingregressionanalysisforthedataofcurvewasdone.Therefore,thestabilityofthesurroundingrockandoptimaltimeofsecondaryliningwereallresearched.Systemidentificationandsensitivityanalysiswereintroducedintothebackanalysisofthecharacteristic
parameterofsurroundingrock.Thecharacteristicparametersofdifferenttypesofsurroundingrockswereconfirmed.Theresultsshowthatthestabilityofthesurroundingrockisgoodaftertunnelexcavatingandthereisnptabnormaldeformationthatexceedsthespecification.Accordingtotheresultofbackanalysis,thecharacteristicparametersareallinrangeofspecification.Keywords:
tunnelengineering;
surroundingrock;
sensitivityanalysis;
convergencedeformation;
systemidentification;
characteristicparameterbackanalysis
0引言
围岩地层的复杂性和不可见性,为了避免意外情况的出现,在有地质勘探资料和理论分析作为参考依据的前提下,有必要对隧道的围岩实现掘进面附近时空变形的预测和超前地质探查预报,并根据隧道时空收敛变形开展围岩材料特性参数的反演工作,从而及时掌握开挖围岩的类型和围岩材料特性参数,对隧道的衬砌状态进行适时评价,为隧道施工提供现场监控手段,为隧道设计提供依据和指导,进
目前在高速公路隧道上已广泛采用新奥法设计与施工。
新奥法构筑隧道的基本思想就是运用各种手段（开挖方法、支护形式、测量及地层预处理等）控制围岩变化,最大限度地利用围岩自身的承载能力,使隧道施工更安全、更经济。
其中隧道围岩监控量测是监视围岩是否安全稳定的重要手段。
鉴于隧道
收稿日期:
2019-09-07
基金项目:
河南省杰出人才创新基金项目（0321000800）;
河南省科技攻关项目（0624450009）;
河南省自然科学基金项目（2019570002）:
）,,,
82中国公路学报2019年
段之外,其余地段若无特殊的地质变化,可增大断面间的距离。
左右两洞共设置12个收敛量测断面进行长期观测,图1为围岩收敛量测断面测点布置（图1中数字1~5表示收敛计测头位置）,图2为LK1+294m、RK1+223m断面收敛及回归拟合曲线;
表1、2为各断面的回归方程。
而达到安全施工和优化设计的目的。
近年来有关隧道围岩变形量测的论文较多,通常是利用围岩周边变形或拱顶下沉观测值对隧道施工进行安全监控,同时研究隧道围岩稳定状况并确定合理的二衬时
间。
在参数反演方面,叶飞等[1]根据最优化反演分析的开尔文模型,进行隧道岩体力学参数反演;
谭昌明等借助沉降反演预测公式,利用路基沉降观测值反演路基参数;
查旭东[3]总结了各国路面结构层模量反演方法的研究概况;
Javadi等[4-5]利用遗传算法进行岩土工程反分析研究;
Monmarche等
[6-7]
[2]
采
用连续蚁群算法及粒子群算法开展岩土工程反演研
究,提高了反演算法的效率。
本文中以在建的岭南高速公路分水岭隧道为例,根据对收敛观测数据的回归分析,研究隧道围岩的收敛稳定性和最佳二衬时间;
并基于收敛量测数据,采用系统识别灵敏度分析方法开展围岩特性参数反演工作。
1工程概况
分水岭隧道（分水岭）南阳高速公路隧道）位于
南阳和平顶山的分界线上,同时也是黄河与淮河水系的分界点。
隧道按分离式双向四车道设计,左线全长724.193m;
右线全长759.053m。
隧道隧址区地貌形态为低山地形,地面标高介于483.40~510.00m之间,相对高差37m,坡度10b~50b,隧道左线最大埋深55米,隧道右线最大埋深22.5m,属浅埋式隧道。
隧道进口位置地形较陡,表层覆盖薄层花岗岩全风化残积砾砂夹亚黏土,植被发育较差。
洞身段围岩为元古代强、弱风化花岗岩和大理岩块石状镶嵌构造,节理以闭合发育为主。
出口段位于一斜坡上,斜坡自然坡角30b~40b,围岩为元古代全、强风化大理岩,松散结构,岩体破碎,节理较发育,整体性差。
整段隧道雨季施工时,洞室会有渗水现象,出口段甚至会有涌水现象。
2收敛数据量测和分析
表1Tab.1
断面测线1-21-32-3
LK1+294m断面的回归方程
LK1+294mSectionRegressionEquations
回归方程
y=2.1112lnx-1.1487y=0.7647lnx-0.3356y=1.2349lnx-0.8801
相关系数0.83260.92040.9582
分水岭隧道施工监控量测内容主要包括隧道掘
进面附近目测观察、周边收敛量测、拱顶沉降量测、掌子面地质雷达超前预报等,这类量测方法简便实用、可靠性高、费用较少。
分水岭隧道围岩属强、弱风化花岗岩,岩体整体破碎程度严重,隧道进口处围岩为Õ
级,其余为Ô
级,且稳定性较差。
根据5公路隧道施工技术规范6相关规定,并结合地质情况及施工条件选定量测断面。
隧道洞口段施工相对而言较
通过隧道的施工监控量测,得到了围岩的收敛变形曲线,通过对收敛变形曲线的分析可以看出:
围岩的收敛变形过程遵循显著变形期y缓慢变形期y基本稳定期的变形规律。
从所测收敛变形数据统计析可知,
第3期徐建国,等:
表2Tab.2
83
RK1+223m断面的回归方程
RK1+223mSectionRegressionEquations
y=0.0178lnx+0.1897y=2.2535lnx-0.5113y=2.0493lnx-0.6527
相关系数0.80260.97920.9717
图3隧道围岩参数反算系统识别的基本过程Fig.3
SystemIdentificationProcessofParameterBackAnalysis
小（都在12mm以内,大多在4~10mm）;
回归拟合曲线方程dy/dx
由于分水岭隧道地质条件复杂、埋深较浅、开挖面积大,影响围岩稳定的因素较多,而任何一种分析方法和手段都会由于自身的局限性只能反映出问题的某一方面,因此在监控量测中有必要将包括地质勘测资料、收敛观测数据、围岩特性参数反演、
地质观察,以及地质超前预报等方面的信息有机地结合起来,建立一个综合信息系统,这必将大大提高围岩稳定性评价的准确性,更好地为隧道安全施工提供保障。
2
整参数的灵敏度求得参数的调整量。
设有一个系统具有n个参数,建立如下数学模型f=f（P1,P2,,,Pn,x,t）
（1）
k
式中:
f为输出函数;
P1、P2、,、Pn为模型参数;
x、t分别为独立的空间和时间变量。
对于任意函数f留一阶级数项,则有
fk（P+$P）=fk（P）+¨
fk$P式中:
向量P=（P1,P2,,,Pn）T。
如果把fk（P+$P）看作系统的实际输出,这里代表围岩位移实测值,fk（P）为最新参数P下的输出,即模型输出位移值,则两者之间的误差为ek=fk（P+$P）-fk（P）=fk（P）+¨
fk$P-fk（P）=¨
fk$P=
kkk
$P1+$P2+,+$Pn
12n
（3）
（P1,P2,,,Pn,xk,tk）进行泰勒级数展开,且只保
（2）
ek为在空间变量和时间变量值分别为xk和tk
时实际系统输出与模型输出之间的误差量。
考虑m（m\n）个空间或时间值时的误差,则方程有
e1=
e2=
111
12n222
2n1
（4）
3围岩特性参数反演
目前隧道信息化施工应用较为广泛,而反演分
析是信息化施工的重要内容,它可借助施工过程中
的实测数据,通过反演分析适时评价隧道围岩稳定性,确定支护施作方式和最佳时机,调整施工参数等,是实现隧道施工理论和实践相结合的有效方法。
3.1
系统识别基本方法
根据系统识别方法建立基于监控量测的隧道围岩特性参数的反演方法,其基本过程如图3所示。
系统识别方法要求未知系统的输出数据要测试准确,所采用的模型要合理,并且参数调整算法要高效,这样收敛才会准确而迅速。
如果数据和模型可靠,那么系统识别的成功就直接取决于参数调整算法。
建立参数调整算法的途径有多种,灵敏度分析,s
mmm
em=$P1+$P2+,+$Pn
式（4）等号两边同时除以fk,使其量纲为一化,则有
11121n
=++,+f15P1f1P15P2f1P25Pnf1Pn22112222nn
=++,+f21f2P12f2P2nf2Pns
m1m2mn
=++,+fm5P1fmP15P2fmP25PnfmPn
（5）
如果记r=（
12m5fki
,,,）T,F=（Fki）,Fki=f1f2fmifk
84中国公路学报2019年
开挖后模型的位移如图5所示。
k=1,2,,,m;
i=1,2,,,nA=（
$P1$P2$PnT
,,,）P1P2Pn
FA=r
或
FTFA=FTr
（7）
r为误差向量,由实际系统输出和模型输出完全确定;
F为灵敏度矩阵,其元素Fki反映了输出fk
对参数Pi的敏感性,如果Fki的解析解不可得,可以通过变量摄动法得到其数值解;
A为参数调整向量。
求解式（6）或式（7）可得A。
3.2围岩特性参数反演分析实例
隧道围岩特性参数包括围岩弹性摸量、泊松比、内摩擦角等。
下面以二维参数反演为例进行分析,多维参数反演可仿照二维进行。
根据建立的隧道二维正演模型,应用系统识别方法对隧道围岩特性进行位移反分析。
根据实测的水平收敛值和拱顶下沉值反演围岩的弹性模量E和泊松比L,二维隧道模型围岩特性反演分析基本过程如下:
（1）建立ANSYS模型。
根据地质资料和设计资料在隧道RK0+970m围岩级别为Ô
级处,基于大型有限元软件ANSYS建立了隧道正演模型。
在此处所布置的收敛量测断面的实测水平收敛值为1.86mm,实测拱顶下沉值为1.84mm。
收敛量测示意图如图1所示,其中1-2的长度变化为水平收敛值,点1的竖直位移为拱顶下沉值（通过收敛量测值计算得到）。
为保证计算的准确性,整体建模严格按照施工图纸。
模型尺寸为:
隧洞按照开挖尺寸半径取12m,隧洞左右各30m,模型横向尺寸共72m;
隧洞以下15m,上部直到地表,地表尺寸按设计图上标示的埋深,地面高程按地形图上等高线进行测算,此断面设计高程为493.76m,地面高程为506m。
隧道围岩按均质弹塑性材料考虑。
为准确求解,在隧洞附近加密单元划分。
尽量采用映射方法划分网格,保证单元基本为四边形。
因隧道埋深较浅,计算时仅考虑自重应力,自重应力场就是隧道围岩计算模型的边界条件,除上部为垂直荷载外,侧面和底面为法向约束边界。
计算得到的模型初始地应力场下的水平位移和竖直位移见图4。
（2）隧道开挖模拟分析。
利用ANSYS中的单元生死功能模拟隧道开挖。
具体过程是首先在初始地应力条件下,杀死（Ekill）隧洞内需要开挖的单
元（6）
则式（5）可表示为
开挖后的位移和初始地应力场下的位移之差就是隧洞的位移计算值。
（3）参数调整过程。
根据围岩类型为Ô
级,假设围岩初始值E=3.0GPa,L=0.42,此时模型计算得到的水平收敛值为1.3784mm,拱顶下沉值为1.550mm。
通过建立灵敏度矩阵,不断调整参数,直到满足计算精度为止,表3即为参数调整过程。
表3
Tab.3
参数反演数据调整过程BackAnalysis
迭代次弹性模量泊松水平收敛计水平收敛计算与数N12345
E/GPa2.422.572.562.502.53
比L0.4440.4370.4440.4400.440
算值/mm1.98651.82911.83361.87771.8554
拱顶下沉
拱顶下沉计算与实测值差/mm0.0739-0.0007-0.03010.0133-0.0086
85
类型及不同开挖阶段的围岩材料特性参数值。
据此可以进一步开展隧道开挖过程的有限元仿真分析,计算隧道在施工开挖过程中的内力-变形情况和应力-应变分布规律。
参考文献:
References:
[1]叶飞,丁文其,朱合华,等.公路隧道现场监控量测及
信息反馈[J].长安大学学报:
自然科学版,2019,27（5）:
79-83.
YEFei,DINGWen-qi,ZHUHe-hua,etal.SiteMon-itoringandInformationFeedbackofHighwayTunnel[J].JournalofChangpanUniversity:
NaturalScienceEdition,2019,27（5）:
79-83.[2]
谭昌明,徐日庆,周建,等.软粘土路基沉降的一维固结反演与预测[J].中国公路学报,2002,15（4）:
14-16.TANChang-ming,XUR-iqing,ZHOUJian,etal.Set-tlementBack-analysisandPredictionforSoftClayGroundofEmbankment[J].ChinaJournalofHighwayandTransport,2002,15（4）:
14-16.[3]
查旭东.路面结构层模量反演方法综述[J].交通运输工程学报,2002,2（4）:
1-6.
ZHAXu-dong.SummaryofBackCalculationMethodsofPavementLayerModuli[J].JournalofTrafficandTransportationEngineering,2002,2（4）:
1-6.[4]
JAVADIAA,FARMANIR,TOROPOVVV,etal.IdentificationofParametersforAirPermeabilityofShotcreteTunnelLiningUsingaGeneticAlgorithm[J].ComputersandGeotechnics,1999,25
（1）:
1-24.[5]
高玮,郑颖人.采用快速遗传算法进行岩土工程反分析[J].岩土工程学报,2001,23
（1）:
120-122.GAOWei,ZHENG
Ying-ren.BackAnalysisin
GeotechnicalEngineeringBasedofFast-convergentGeneticAlgorithm[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2001,23
（1）:
120-122.[6]
MONMARCHEN,VENTURINIG,SLIMANEM.OnHowPachycondylaApicalisAntsSuggestaNewSearchAlgorithm[J].FutureGenerationComputerSystems,2000,16（8）:
937-946.[7]
高玮.基于粒子群优化的岩土工程反分析研究[J].岩土力学,2019,27（5）:
795-798.
GAOWei.BackAnalysisAlgorithminGeotechnicalEngineeringBasedonParticleSwarmOptimization[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2019,27（5）:
DataAdjustmentProcessofParameter
实测值差/mm计算值/mm-0.12650.03090.0264-0.01770.0046
1.91391.83931.80991.85331.8314
最终调整结果为围岩弹性模量E=2.53GPa,
泊松比L=0.440,此时模型计算得到的水平收敛值为1.8554mm,与实测值的差的绝对值为0.0046mm;
拱顶下沉值为1.8314mm,与实测值的差的绝对值为0.0086mm。
满足误差绝对值的最大值不大于1.0@10-5m的要求。
表4为分水岭隧道左线Õ
级和Ô
级围岩力学参数反演结果。
表4Tab.4
分水岭隧道左线围岩特性参数反演结果ParameterBackAnalysisResultsofLeftLinear
SurroundingRockCharacteristicsofFenshuilingTunnel
参数Õ
级围岩Ô
级围岩
弹性模量泊松E/GPa2.53.2
0.320.38
重度C/20.022.0
黏聚力/MPa0.150.55
内摩擦角U/（b）2533
比L（kN#m-3）
4结语
（1）根据岭南高速公路分水岭隧道工程特点及
地质条件,并基于量测结果及时运用于围岩特性参数反演的原则,开展了隧道周边收敛及拱顶下沉量测,为隧道围岩收敛稳定性判断和最佳二衬时间的确定提供了依据。
（2）将系统识别原理和灵敏度分析理论首次引入隧道围岩材料参数反分析领域,建立了隧道结构反演分析的基本方法,并成功地开展了反演工作。
该项研究拓宽了系统识别原理和灵敏度分析理论在工程上的应用范围,实现了模型参数调整过程的高效自动化,使分析计算完全建立在严谨的理论基础上,这对于实时监测和控制隧道施工质量、科学评价隧道施工状况具有较大的应用价值。
（3）依据围岩收敛变形数据开展隧道围岩材料参数反演工作,通过对反演数据的分析,岭南隧道围岩特性参数均在规定范围之内,符合规范要求。
（4）通过反演分析计算可以得出不同隧道围岩
升级会员 