浅埋连拱隧道围岩参数反演及施工数值模拟

　第3卷　第6期 地下空间与工程学报Vol.3 2007年12月 Chinese Journal of Undergr ound Space and Engineering Dec.2007　

浅埋连拱隧道围岩参数反演及施工数值模拟3

陈敬松,李永盛

(同济大学地下建筑与工程系,上海　200092)

摘　要:本文结合怀新高速公路的界牌坳隧道的实际情况,利用现场荷载试验的测点位移,通过有限元反演理论的模拟退火法反演计算隧道破碎带围岩基本参数。将反分析计算得到的隧道围岩参数输入界牌坳隧道二维弹塑有限元计算模型,对隧道的施工过程进行数值模拟,分析了采用三导洞法施工时围岩和中墙的受力变形规律,计算结果表明,两主洞拱部开挖是连拱隧道施工过程中两个比较关键的施工步;两主洞拱顶及右洞左拱肩位置的围岩出现了较大的位移或应变而有可能引起隧道塌方或破坏;浅埋偏压连拱隧道受山体偏压和不对称施工的影响,中隔墙在整个施工过程中基本处于偏心受压状态。

关键词:浅埋偏压连拱隧道;现场荷载试验;有限元位移反演;数值模拟;

中图分类号:U451+.2 文献标识码:A 文章编号:167320836(2007)0621176206

D ispl acem en t Back Ana lysis of Sha llow D ouble-Arch Tunnel and

Its Num er i ca l S i m ul a ti on of Con structi on Process

CHE N J ing2s ong,L I Yong2sheng

(D epart m ent of Geotechnical Engineering,Tongji U niversity,Shanghai200092,P.R.China)

Abstract:According t o the real conditi on of J ie Pai Ao tunnel on the Huaihua-Xinhuang H igh way,using test points’dis p lace ment of the field l oading test,the tunnel crushed zone r ock mass para meters were inversely computed out by the FE M inverse theory’s si m ulated annealing app r oach in this paper.J ie Pai Ao tunnel constructi on step s’2D elastic-p lastic FE M computati on model was set up by using these surr ounding r ock mass para meters.The stress and strain of surr ounding r ock and m iddle wall have been studied when the tunnel was constructed by the three-p il ot drift constructi on method.The results indicate that the constructi ons of the t w o main tunnels’arch r ock mass are the t w o key step s during the double-arch tunnel constructi on p r ocess.The dis p lace ment of t w o tunnels’vault r ock mass and the p lastic strain of the right tunnel’s left s pandrel r ock mass are very big,which may cause the landsli p or de2 structi on of tunnel.For the bias of mountain body and the asy mmetric constructi on of tunnel,the m iddle wall was at basically eccentric comp ressive state during the whole tunnel constructi on.

Keywords:shall ow bias double-arch tunnel;field l oading test;FE M dis p lace ment inverse computati on;nu mer2 ical si m ulati on

1　引言

公路连拱隧道是近年来随着高等级公路建设发展而出现的一种隧道结构形式,由于具有线型顺畅、线路占用面积小等特点,因而在城市道路用地受限、山区地形复杂道路展线困难等情况下获得了较为广泛的应用[1-2]。但是连拱隧道跨度较大、结构受力复杂、施工难度大,施工过程中体系需经多

3收稿日期:2007204217(修改稿)

作者简介:陈敬松(19812),男,安徽安庆人,在读博士,主要从事隧道、地下建筑及岩土工程等领域的研究工作。

E2mail:chenjs923@

次转换,围岩应力和衬砌荷载转换十分复杂。特别是山区浅埋隧道具有一些自身的特点,如:偏压、地质条件复杂、岩土破碎、自承能力差等,现有的相关设计、施工规范对于山区浅埋隧道的设计与施工存在一定差距。

数值模拟方法自诞生以来,一直是工程技术人员研究地下工程的重要手段。但是由于岩土工程的复杂性和不可预见性,使得在进行数值分析时岩体参数的确定工作非常困难。反演分析法正是在这种情况下,逐渐发展起来的岩土工程学科的一个分支,并成为解决这一问题的有效手段。目前在隧道破碎带围岩参数反演计算中,多数通过隧道施工监测数据,包括隧洞的水平收敛和拱顶下沉数据,利用位移反演理论确定围岩参数[3-4],但是该方法的布线测量工作量大,而且滞后性和受干扰性很明显。

本文尝试利用现场荷载试验进行围岩参数反演,即通过未扰动的基岩面的静载荷试验获得测点位移,再通过弹塑性有限元反演理论反算围岩参数。在围岩参数反演计算完成后,利用反分析得到的隧道围岩参数,对浅埋偏压连拱隧道的施工过程进行二维弹塑性数值模拟,得到一些具有实际意义的结论。

2　位移反分析

2.1　工程概况

界牌坳隧道是怀新高速公路双向四车道一连拱隧道,全长395m,隧道出口处于Ⅱ类浅埋地段,岩石层理、节理非常发育,整体性差,而且存在严重的偏压。岩石层、节理之间全为湿润的粘土填充,且在地下非常丰富的裂隙水的作用下,呈岩泥状。由于现场岩体整体性差,采用常规方法确定岩体的力学性质参数极其困难,所以通过现场载荷试验和有限元位移反演来确定隧道围岩基本力学参数。

2.2　位移反分析基本概念

已知岩土体的参数、本构模型及计算边界条件,根据弹塑性力学或计算力学的方法来求解岩土体中的应力、应变及位移等称为正分析。但由于岩土工程对象是复杂的岩土体,其参数及本构模型不易得到,计算边界条件难于确定,这就使传统的正分析方法难困难重重。从理论上来讲,岩体的位移u与许多因素有关[5]。

u=f(ω,τ,μ,E,C,Φ,η,t)(1)式中:σ,τ为地应力分量;μ,E为岩体的泊松比、弹性模量;c,φ为岩体内聚力、内摩擦角;η,t为岩体的粘滞系数、时间。

从(1)式可以看出,位移是岩体力学性质参数的函数,根据现场实测获得的位移数据,运用理论分析方法来确定岩体的力学性质参数是可行的,即位移反分析方法。

2.3　位移反分析目标函数构造

建立优化数学模型是开展优化工作的关键一步,如何从复杂的现实问题中抓住主要矛盾和本质内容,抽象出合理和性态良好的模型,是优化成功应用的关键[5-6]。

本次位移反分析目标函数设为有限元计算位移值与试验位移值差的模最小,即:

f=∑

i

u i-u i(2)

m in

x∈D

f=m in∑

i

u i-u i(3)

其中 u

i

,u

i

分别表示测点i处的有限元计算位移值和实测位移值,把待求岩体参数代入线弹性本构模型作为变量,利用优化迭代算法进行反分析可以得到收敛解。上述目标函数满足一定的约束条件:

g x≤0(4)设x=E,μ,...T

2.4　试验情况

根据工程实际情况,在左洞破碎带II

类围岩部位选取荷载试验点,试验点位于新开挖未扰动基岩面,载荷试验包括反力架、千斤顶、Φ300mm荷载板和百分表等装置,现场试验情况如图1。

图1　现场荷载试验

Fig.1　Field l oading test

试验点安装了15个位移量测百分表,具体布置情况如图2所示。试验分级加载,荷载板分级压力为707kPa、1175kPa、1651kPa、2123kPa、2592kPa、3063kPa,加载到地基发生剪切破坏为止,试验点当

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2007年第7期 陈敬松,等:浅埋连拱隧道围岩参数反演及施工数值模拟