越岭浅埋偏压隧道支护系统承载特性分析.docx

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越岭浅埋偏压隧道支护系统承载特性分析

越岭浅埋偏压隧道支护系统承载特性分析

作者：

苏永华梁斌伍文国

来源：

《湖南大学学报·自然科学版》2012年第02期

        摘要：

从地理、地形及地质等方面，剖析了西南山区浅埋偏压隧道的建造环境，针对该类隧道介质参数、荷载的多变性及其衬砌结构力学传递机制的复杂性，基于衬砌结构稳定的强度和变形控制原理，研究了应力和位移双重等效的隧道介质参数反分析模型及其优化算法，并理顺了其实施操作程序。

然后提炼出偏压隧道承载结构承载特性的表征参数及非均衡性刻画指标。

最后以有限元数值方法为手段，研究了某隧道浅埋偏压段支护体系的力学响应，从中总结概化出浅埋偏压隧道支护结构的承载特征，为类似工程设计和施工控制措施提供指导。

        关键词：

浅埋偏压隧道；建造环境；等效反分析；承载特性

        中图法分类号：

TU458文章标识码：

A

        Analysisofload-bearingcharacteristicsofsupportingsystemoftheservantsandshallowtunnelunderasymmetricalpressure

        SUYong-hua，LIANGBin，WUWen-guo

        （CollegeofCivilEngineering,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China）

        Abstract:

Fromthegeography,topographicalandgeological,constructionenvironmentofshallowtunnelunderasymmetricalpressureofthemountaininthesouthwestwasanalyzed.Accordingtothedenaturationsofmediumparameterandload,furthermore,thecomplexityofmechanicaltransmissionmechanismofliningstructure,themodelofstressanddisplacementdoubleequivalentbackanalysisforgettingtheparameteroftunnelmediumandtheoptimizationalgorithmwasstudied,basedonthestrengthanddeformationcontrolprinciplefortheliningstructurestability,and,theimplementationprocedureswasstraightenedout.Thenitwsarefinedthatthecharacteristicsofcharacterizationparameterandunbalanceddepictingindexforsupportingstructureoftheshallowtunnelunderasymmetricalpressure.Intheend,themechanicalresponseofsupportingsystemwasstudiedbymeansoffiniteelementnumericalmethod,itwassummariedthatthebearingcharacteristicsofsupportstructurefortheshallowtunnelunderasymmetricalpressure,inordertoprovidingguidancesforsimilarengineeringindesignandconstructioncontrol.

        Keyword:

shallowtunnelunderasymmetricalpressure;constructionenvironment;equivalentbackanalysis;load-bearingcharacteristics

        1前言

        在山区交通、水利水电等领域的隧道和地下结构工程中，浅埋偏压一直是设计、支挡、施工、维护及稳定性评价与分析理论中最具挑战性的难题之一。

因此吸引了许多学者从试验、监控、数值模拟、地层加固等不同方面进行探索，并取得了很大进展。

        在试验方面，刘凤宣，关宝树[1]从事了浅埋偏压软岩隧道围岩的锚杆加固模型试验研究；钟新樵[2]通过模型试验研究了土质隧道形成偏压的5大影响因素；王兵、谢锦昌[3]通过室内模型试验观察了松动围岩的力学行为；李育枢、李天斌、王栋等[4]开展了偏压隧道的震动试验平台设计研究。

        在地层加固方面，程新军[5]等报告了梅河高速公路三断岭1号隧道钢花管注浆预加固效果；来弘鹏[6]等报告了地表预注浆加固公路隧道浅埋偏压破碎围岩技术。

        在开挖数值模拟方面，王祥秋[7]等基于动态监

        测与有限元数值分析，报道了某偏压隧道围岩位移变化规律；汪宏,蒋超[8]介绍了某浅埋偏压隧道洞口坍方数值分析与处治结果。

        此外，VIKEA[9]，SHIMOJIMAE[10]研究了浅埋偏压连拱隧道的受力特征；杨小礼,李亮,刘宝琛[11]根据信息优化理论建立原始数据信息与偏压隧道结构稳定性关系。

还有众多的技术人员，报道了大量的浅埋偏压隧道衬砌、支护等方面的工程技术措施。

        这些研究从不同侧面对浅埋偏压隧道结构稳定机理的揭示和修建技术的进步起到了有力推动作用。

但是，由于其复杂性，从根本上解决问题还有许多工作要做。

因此，作者试图从建造场地环境入手，探讨西南部山区公路越岭浅埋偏压隧道结构问题的复杂性根源和相应的响应特征，为类似隧道结构的稳定性分析和设计提供支撑。

        2西南山区浅埋偏压隧道建造环境

        很显然，山区公路隧道主要功能是穿山越岭。

在隧道修筑中，隧道洞身通过山峦之间的沟壑地段或遇到地质构造强烈影响带时可能出现浅埋、偏压或浅埋偏压等现象。

西南地区在地理上处于第二阶梯过渡带，在水文方面，大气降雨量大，地表径流复杂，浅部地层地下水量及渗流路径变化多端。

在地形上，起伏频繁，坡度陡缓不一，沟壑纵横。

在地质史上，属于地质活动多发地区，各级构造、褶皱形迹或各类残余形迹密布，地应力场历经反复释放、累积、反转和变向等方式的变迁。

在工程地质上，地层组成复杂，根据大量的工程建设揭露，浅部地层布满各种充填性质和程度不一的空洞或泥、水溶洞[12]。

浅部地质成分复杂，表层和浅层通常是各种碎石、腐岩堆积体，和见水、见风后风化迅速的各类准软岩或软岩，在山地岸坡，更是受到自然的剥蚀，地质体性质变化大，不确定性程度高。

        西南山区浅埋偏压隧道的上述建造环境，从根本上造就了隧道介质基本参数及荷载在空间的快速变化性和不确定性，以及隧道围岩与衬砌结构力学传递方式及破坏机制的复杂性和综合性。

        3隧道介质参数的双重等效确定方法

        在隧道结构设计和稳定性分析，首要工作是确定各类基本参数。

由于岩体性质的复杂性，其基本物理力学参数从解析上直接演绎确定是很困难的。

但地质体参数与其受荷响应两者具有决定性的联系。

从安全理念出发，介质受载响应表现为附加应力和变形。

对于强度控制型，破坏根本原因在于应力过大，超过其强度极限；对于应变控制型，在于位移过大，超过其变形极限。

基于变形响应原理，目前在岩土工程中已经开发了岩土力学参数的位移等效反分析间接确定方法。

        3.1岩土参数的位移等效确定方法

        位移反分析是以监控量测位移数据为依据，以有限元数值试验为手段，通过误差限的控制，反复迭代调试确定隧道围岩的有关参数。

该参数可能不是地质体的真实参数，它只与对象受荷响应产生的位移等效，满足安全控制和使用要求，与现场监控量测紧密联系在一起。

位移参考点通常选在拱顶、拱肩、最大跨度处等具有代表性的控制位置，如图1所示，其基本过程与理论可参考相关文献[13,14]。

        3.2位移-应力双重等效反分析原理

        对于西南山区公路交通浅埋偏压隧道而言，根据上述特征可知，隧道围岩及衬砌结构力学响应机制的复杂性和综合性，其破坏力学行为受强度与应变的双重控制。

所以基本参数仅仅通过位移等效不能全面反映其实质，因此提出位移-应力双重等效确定方法，双重等效方法基本过程如下。

        监测断面测点布置示意图

        Fig.1Distributionofmeasurementpoints

        根据工程实际，设待求等效参数记为X=X1,X2,…,XrT，Xk（k=1,2,…,r）为围岩弹性模量E，泊松比μ，重度γ，内聚力c，内摩擦角φ等。

        如图1所示，不失一般性，对于位移等效，选取拱顶下沉（I点）、拱肩处（II，III点联线）和最大跨度处（IV，V点联线）收敛作为反分析的等效控制点。

以各测点的实测位移与由计算得到的相对应测点的位移（X）之间的误差函数作为目标函数u（X），即：

（1）

        对于应力等效，围岩中的应力通过轴力锚杆监测，亦如图1布置所示。

同理，以各测点（选取拱顶Ⅰ，拱肩Ⅱ和Ⅲ，最大跨度Ⅳ和Ⅴ处）j的实测轴力与由计算得到的相对应测点的轴力（X）之间的误差函数作为目标函数F（X），即：

（2）

        对于基于位移等效和应力双重等效的反分析方法，根据数理学原理，将式

（1）和式

（2）无量纲化，建立如下方程：

        （3）

        这样，求解围岩等效物理力学参数即可转化为求目标函数f（X）的极小值问题。

        3.3双重等效实施程序及优化算法

        岩体参数是具体的工程参数，具有特定的工程条件。

结合地下结构与岩体力学理论，围岩等效参数式（3）的求解操作程序如下。

（1）建立目标函数

        根据围岩级别（如表1所示），确定等效待求参数xk（如围岩重度γ，内摩擦角φ，内聚力c，弹性模量E及泊松比μ等）范围的上下限xka，xkb。

根据约束条件和式（3）建立优化目标函数式（4）：

（2）建立数值模型

        综合分析工程的几何性质、地层组成、地质条件、原始应力场并根据地下结构力学理论，确定有限元数值模拟模型尺寸、边界条件。

        （3）模拟试验

        将Xl=x1l，x2l，…，xrl输入数值模型，启动有限元模拟试验，得出（i=1，2，…,n），（j=1，2，…,m）（l表示第l次模拟试验）。

        l=0表示初次模拟试验，相应X0=x10，x20，…，xr0表示初次输入模型的值。

对于X0的取值，可结合表1中xk的可行域范围，基于BQ值按线性插值确定。

        （4）一阶优化搜索求解

        一阶优化方法[15]是通过对目标函数添加罚函数将约束问题转换为非约束问题。

利用目标函数和优化变量罚函数的导数在设计空间进行搜索。

在每次迭代中，通过梯度计算（用最速下降法或共轭梯