淺埋連拱隧道圍巖參數(shù)反演及施工數(shù)值模擬

1、第3卷第6期2007年12月地下空間與工程學(xué)報ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringVol.3Dec.2007淺埋連拱隧道圍巖參數(shù)反演及施工數(shù)值模擬陳敬松,李永盛(同濟大學(xué)地下建筑與工程系,上海200092)3摘要:本文結(jié)合懷新高速公路的界牌坳隧道的實際情況,利用現(xiàn)場荷載試驗的測點位移,通過有限元反演理論的模擬退火法反演計算隧道破碎帶圍巖基本參數(shù)。將反分析計算得到的隧道圍巖參數(shù)輸入界牌坳隧道二維彈塑有限元計算模型,對隧道的施工過程進行數(shù)值模擬,分析了采用三導(dǎo)洞法施工時圍巖和中墻的受力變形規(guī)律,計算結(jié)果表明,兩主洞拱部開挖是連拱隧道施工過程中

2、兩個比較關(guān)鍵的施工步;兩主洞拱頂及右洞左拱肩位置的圍巖出現(xiàn)了較大的位移或應(yīng)變而有可能引起隧道塌方或破壞;淺埋偏壓連拱隧道受山體偏壓和不對稱施工的影響,中隔墻在整個施工過程中基本處于偏心受壓狀態(tài)。關(guān)鍵詞:淺埋偏壓連拱隧道;現(xiàn)場荷載試驗;有限元位移反演;中圖分類號:U451.2文獻標識碼:A)0621176206+DisplacementBackDouble-ArchTunnelandItstionofConstructionProcessCHENJing2song,LIYong2sheng(DepartmGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shang

3、hai200092,P.R.China)Abstract:AccordingtotherealconditionofJiePaiAotunnelontheHuaihua-XinhuangHighway,usingtestpointsdisplacementofthefieldloadingtest,thetunnelcrushedzonerockmassparameterswereinverselycomputedoutbytheFEMinversetheoryssimulatedannealingapproachinthispaper.JiePaiAotunnelconstructionst

4、eps2Delastic-plasticFEMcomputationmodelwassetupbyusingthesesurroundingrockmassparameters.Thestressandstrainofsurroundingrockandmiddlewallhavebeenstudiedwhenthetunnelwasconstructedbythethree-pilotdriftconstructionmethod.Theresultsindicatethattheconstructionsofthetwomaintunnelsarchrockmassarethetwokey

5、stepsduringthedouble-archtunnelconstructionprocess.Thedisplacementoftwotunnelsvaultrockmassandtheplasticstrainoftherighttunnelsleftspandrelrockmassareverybig,whichmaycausethelandsliporde2structionoftunnel.Forthebiasofmountainbodyandtheasymmetricconstructionoftunnel,themiddlewallwasatbasicallyeccentr

6、iccompressivestateduringthewholetunnelconstruction.Keywords:shallowbiasdouble-archtunnel;fieldloadingtest;FEMdisplacementinversecomputation;numer2icalsimulation1引言公路連拱隧道是近年來隨著高等級公路建設(shè)發(fā)展而出現(xiàn)的一種隧道結(jié)構(gòu)形式,由于具有線型順暢、線路占用面積小等特點,因而在城市道路用地受限、山區(qū)地形復(fù)雜道路展線困難等情況下獲得了1-2較為廣泛的應(yīng)用。但是連拱隧道跨度較大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、施工難度大,施工過程中體系需經(jīng)多3收稿日期:2

7、007204217(修改稿)作者簡介:陳敬松(19812),男,安徽安慶人,在讀博士,主要從事隧道、地下建筑及巖土工程等領(lǐng)域的研究工作。E2mail:chenjs923© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2007年第7期陳敬松,等:淺埋連拱隧道圍巖參數(shù)反演及施工數(shù)值模擬1177次轉(zhuǎn)換,圍巖應(yīng)力和襯砌荷載轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜。特別是山區(qū)淺埋隧道具有一些自身的特點,如:偏壓、地質(zhì)條件復(fù)雜、巖土破碎、自承能力差等,現(xiàn)有的相關(guān)設(shè)計、施工規(guī)范對于山區(qū)淺埋隧道的設(shè)計與施工

8、存在一定差距。數(shù)值模擬方法自誕生以來,一直是工程技術(shù)人員研究地下工程的重要手段。但是由于巖土工程的復(fù)雜性和不可預(yù)見性,使得在進行數(shù)值分析時巖體參數(shù)的確定工作非常困難。反演分析法正是在這種情況下,逐漸發(fā)展起來的巖土工程學(xué)科的一個分支,并成為解決這一問題的有效手段。目前在隧道破碎帶圍巖參數(shù)反演計算中,多數(shù)通過隧道施工監(jiān)測數(shù)據(jù),包括隧洞的水平收斂和拱頂下沉數(shù)據(jù),利用位移3-4反演理論確定圍巖參數(shù),但是該方法的布線測量工作量大,而且滯后性和受干擾性很明顯。本文嘗試利用現(xiàn)場荷載試驗進行圍巖參數(shù)反演,即通過未擾動的基巖面的靜載荷試驗獲得測點位移,再通過彈塑性有限元反演理論反算圍巖參數(shù)。在圍巖參數(shù)反演計算完

9、成后,利用反分析得到的隧道圍巖參數(shù),進行二維彈塑性數(shù)值模擬,的結(jié)論。的粘滯系數(shù)、時間。從(1)式可以看出,位移是巖體力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的函數(shù),根據(jù)現(xiàn)場實測獲得的位移數(shù)據(jù),運用理論分析方法來確定巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)是可行的,即位移反分析方法。2.3位移反分析目標函數(shù)構(gòu)造建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是開展優(yōu)化工作的關(guān)鍵一步,如何從復(fù)雜的現(xiàn)實問題中抓住主要矛盾和本質(zhì)內(nèi)容,抽象出合理和性態(tài)良好的模型,是優(yōu)化成功5-6應(yīng)用的關(guān)鍵。本次位移反分析目標函數(shù)設(shè)為有限元計算位移值與試驗位移值差的模最小,即:f=u-u =min u-iiiii(2)ui(3)minfxD其中 ui,uii處的有限元計算位移值和實測位移值,:0(4)

10、T設(shè)2.4試驗情況x=E,.2位移反分析2.1工程概況界牌坳隧道是懷新高速公路雙向四車道一連拱隧道,全長395m,隧道出口處于類淺埋地段,巖石層理、節(jié)理非常發(fā)育,整體性差,而且存在嚴重的偏壓。巖石層、節(jié)理之間全為濕潤的粘土填充,且在地下非常豐富的裂隙水的作用下,呈巖泥狀。由于現(xiàn)場巖體整體性差,采用常規(guī)方法確定巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)極其困難,所以通過現(xiàn)場載荷試驗和有限元位移反演來確定隧道圍巖基本力學(xué)參數(shù)。2.2位移反分析基本概念已知巖土體的參數(shù)、本構(gòu)模型及計算邊界條件,根據(jù)彈塑性力學(xué)或計算力學(xué)的方法來求解巖土體中的應(yīng)力、應(yīng)變及位移等稱為正分析。但由于巖土工程對象是復(fù)雜的巖土體,其參數(shù)及本構(gòu)模型不易得

11、到,計算邊界條件難于確定,這就使傳統(tǒng)的正分析方法難困難重重。從理論上來講,巖體的位移5u與許多因素有關(guān)。(1)u=f(,E,C,t)式中:,為地應(yīng)力分量;,E為巖體的泊松比、彈性模量;c,為巖體內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角;,t為巖體根據(jù)工程實際情況,在左洞破碎帶II類圍巖部位選取荷載試驗點,試驗點位于新開挖未擾動基300mm荷載巖面,載荷試驗包括反力架、千斤頂、板和百分表等裝置,現(xiàn)場試驗情況如圖1。圖1現(xiàn)場荷載試驗Fig.1Fieldloadingtest試驗點安裝了15個位移量測百分表,具體布置情況如圖2所示。試驗分級加載,荷載板分級壓力為707kPa、1175kPa、1651kPa、2123kPa、

12、2592kPa、3063kPa,加載到地基發(fā)生剪切破壞為止,試驗點當© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1178地下空間與工程學(xué)報第3卷圖2試驗點位移測點布置圖Fig.2Laying-outoftheNo.1testsurveysite參數(shù)有限元反分析。代入計算參數(shù)初始值,進行有限元反分析計算,采用模擬退火法搜索巖體參數(shù)最優(yōu)解。圖4為位移有限元反分析計算測點沉降與實測沉降的對比圖,表2為位移反分析計算得到巖體參數(shù)。測點沉降對比結(jié)果顯示,計算值基本與實測

13、值相互接近,所以反分析所得的綜合參數(shù),即E=0.39、=23.3o°=1552.2MPa、c=0.405MPa、以作為該隧道II類圍巖的力學(xué)參數(shù)。表2巖體參數(shù)位移有限元反算值Table2FEMcalculatedrockmassparametersbydisplacementbackanalysis加載到2123kpa時發(fā)生破壞。2.5位移反分析結(jié)果有限元反分析計算參數(shù)初始值的選取對于位移反分析十分重要,本文依據(jù)工程地質(zhì)勘查報告,并結(jié)合以往工程計算經(jīng)驗,待求參數(shù)變量初始值如下表:表1計算參數(shù)初始值Table1Initialvalueoftheparameterstobecalcula

14、ted參數(shù)反算值彈性模量E(MPa)1552.2泊松比0.39粘聚力C(kPa)405.25摩擦角(°)23.3反算參數(shù)彈性模量E(MPa)內(nèi)摩擦角泊松比粘聚力C(MPa)(°)0.410.6154525取值范圍120022000.350.45計算初值1500.3533.,采用三導(dǎo)洞ANSYS程序模擬連拱隧道的三導(dǎo)洞,根據(jù)有限元數(shù)值計算的特點,對三導(dǎo)洞法的施工工序作了必要的簡化,簡化后的工序為:1.計算自重應(yīng)力場;2.開挖中導(dǎo)洞;3.施作中導(dǎo)洞初期支護;4.施作中隔墻并回填右側(cè)夯填土及回填混凝土;5.開挖左洞側(cè)導(dǎo)坑;6.施作圖3位移反分析有限元計算模型Fig.3FEMcal

15、culatingmodelfordisplacementbackanalysis左洞側(cè)導(dǎo)坑初期支護;7.左洞拱部開挖;8.施作左洞拱部初期支護;9.開挖左洞核心土;10.左洞仰拱澆筑;11.開挖右洞側(cè)導(dǎo)坑;12.施作右洞側(cè)導(dǎo)坑初期支護;13.右洞拱部開挖;14.施作右洞拱部初期支護;15.開挖右洞核心土和回填土;16.右洞仰拱澆筑。3.2計算模型的建立及有限元網(wǎng)格劃分根據(jù)設(shè)計資料圖,選取一埋深較深,偏壓嚴重的斷面進行二維彈塑性有限元分析。利用ANSYS7軟件提供的單元生死功能,對連拱隧道的開挖和支護過程進行數(shù)值模擬。在隧道施工過程的數(shù)值模擬中,圍巖和支護變形分別按彈塑性和線彈性考慮,類圍巖用D

16、P材料來模擬且不考慮其體積膨脹,混凝土為線彈性材料,巖體和混凝土使用圖4測點有限元反分析計算沉降Fig.4No.1testsitedisplacementbackanalysisresultsANSYS程序中的二維四節(jié)點等參單元PLANE42將有限元反分析簡化為平面應(yīng)變模型(如圖3)。取壓縮試驗第一級荷載作用下的位移值進行模擬,錨桿用平面桿單元LINK1來模擬。結(jié)合本隧道的具體情況,根據(jù)連拱隧道斷面的相關(guān)尺寸,建立二維彈塑性有限元計算模型,如圖5所示。模型計算范圍在水平方向取距隧道中心5© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Pub

17、lishing House. All rights reserved. 2007年第7期陳敬松,等:淺埋連拱隧道圍巖參數(shù)反演及施工數(shù)值模擬1179圖5有限元計算模型Fig.5FEMcalculatingmodel圖6典型施工步地表沉降Fig.6Representativesurfacesettlementcurves5mm之間。兩主洞隧道開挖引起的沉降較大,是導(dǎo)洞引起沉降的2-3倍,左主洞開挖引起的地表最大沉降為3.29mm,右主洞開挖后右地表也產(chǎn)生了最大3.657mm的沉降,而較大,因此在兩主洞,保證施工安全。.倍半跨,下邊界取為洞高的3倍,上邊界可取隧道8的實際埋深。模型的邊界條件采用施加

18、約束的方法,在模型的底面加固定支座以約束所有自由度,在平行隧道走向的兩側(cè)施加滑動支座,只約束水平方向的自由度而釋放垂直方向上的自由度,以模擬巖體的沉降。3.3計算參數(shù)的選取析的計算結(jié)果,9范。初期支護和二次襯砌中,初期支護的彈性模量E可按等效剛度法取值。最終選取的各種材料的參數(shù)如表3所示。表3模型材料物理力學(xué)參數(shù)Table3materialparameterofmechanicsmodel材料彈性模量泊松比E(GPa)1.552328.5200密度1900224523478010凝聚力摩擦角0.40523.30.390.20.20.3)(kg/m2)C(MPa)(°圍巖(類)C20噴

19、射砼C25模注砼圖7拱頂沉降隨施工步變化圖Fig.7Curvesofvaultsettlementvs.constructionstep錨桿3.4有限元計算結(jié)果分析3.4.1地表沉降分析拱頂沉降是評價圍巖位移大小及穩(wěn)定性的一個重要指標,拱頂稍有下沉就可造成掉塊甚至塌方。圖7為左右主洞拱頂沉降隨施工步變化的情況,從圖中可以看出,左洞拱頂沉降在左主洞開挖前(施工步16),拱頂沉降主要由中導(dǎo)洞和左側(cè)導(dǎo)洞引起,沉降量較小,此時左洞的沉降占總沉降量的26.7%;左洞拱部施工是左洞拱頂沉降的主要因素(施工步78),左主洞拱部開挖引起拱頂沉降占總沉降量的55.5%;左洞開挖完成后(施工步1116),左洞沉降

20、量隨著左洞的開挖仍有少量增長,占最終沉降量的16.5%。右洞拱頂沉降在拱部開挖前(施工步112),拱頂沉降主要由中導(dǎo)隧道施工時沿與隧道縱向軸線垂直的方向上會出現(xiàn)沉降槽,圖6是幾個典型施工步的地表豎向沉降曲線圖。從圖中可以看出:隨著施工步驟的增加,各土層豎向位移均有不同程度的增加,最大累計沉降量出現(xiàn)在隧道施工完成后,出現(xiàn)在中墻偏左的地表,其值為10.244mm。中導(dǎo)洞和兩側(cè)導(dǎo)洞的施工,引起的地表沉降較小,一般都在0.81.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved

21、. 1180地下空間與工程學(xué)報第3卷洞、左主洞和右側(cè)導(dǎo)洞引起,占總沉降量的38.5%;右主洞拱頂沉降隨著右主洞拱部開挖施工急劇增加,占總沉降量的62.1%;在右洞拱部開挖完成后,沉降曲線較平緩,拱頂沉降有甚至減小的趨勢。由以上分析可知,兩主洞拱部開挖是整個隧道施工中較為重要的兩個施工步,應(yīng)精心施工并及時施作初期支護。3.4.3圍巖塑性區(qū)彈塑性分析中往往比較關(guān)心圍巖塑性區(qū)的范圍和發(fā)展,因為塑性區(qū)關(guān)系到圍巖是否會發(fā)生破壞而危及結(jié)構(gòu)的安全。圖8為隧道施工結(jié)束后,圍巖塑性區(qū)分布情況,由圖可以看出,整個隧道施工完成后,隧道的塑性區(qū)分布范圍較小,主要分布在隧道底部和右洞左拱肩圍巖。隧道底部圍巖,在中導(dǎo)洞和

22、兩側(cè)導(dǎo)洞施工時因開挖邊界幾何形狀引起的應(yīng)力集中而出現(xiàn)范圍較小但應(yīng)變值很大的塑性區(qū),-2其值達到0.683×10;右洞左拱肩位置的圍巖出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū),其豎直雖然較小,但其位置相對于隧道底部圍巖更危險,一旦此處發(fā)生失穩(wěn)破壞,整個支護體系也將破壞,視,采取適當?shù)募庸檀胧?。圖9中墻豎向應(yīng)力隨施工步變化圖Fig.9Curvesofstressofmiddlewallvs.constructionstep點豎向應(yīng)力依次減小。左主洞拱部開挖使中墻的偏壓狀態(tài)有所緩和,基本呈現(xiàn)軸心受壓狀態(tài)?；靥钔灵_挖之前,使得中墻和右側(cè),中墻應(yīng)力水平相對。,。且隨著右洞核心土和回填土,。由此可見回填土對施工過程

23、中中隔墻受力有一定的幫助,因此在實際施工中,應(yīng)盡量保證回填的質(zhì)量,以免中墻過度偏轉(zhuǎn)而導(dǎo)致中墻頂及中墻連接的拱腳處開裂,造成塌方。4結(jié)論(1)利用荷載試驗的測點位移,通過有限元反演理論建立彈塑性有限元模型,采用模擬退火法反演計算隧道破碎帶圍巖基本參數(shù),得到隧道破碎帶=0.39、II類圍巖力學(xué)參數(shù)為:E=1552.2MPa、c=23.3o。=0.405MPa、(2)兩主洞拱部開挖是連拱隧道施工過程中圖8圍巖塑性區(qū)分布圖Fig.8Distributionofplasticzoneofrockmass3.4.4中隔墻豎向應(yīng)力中隔墻是連拱隧道重要的承重結(jié)構(gòu),其在連拱隧道的分布開挖過程中,其受力情況始終處

24、于一種動態(tài)變化過程中,受力及施工中荷載的轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜。為了能夠了解中隔墻隨施工步驟的受力和變形特征,在中隔墻中部某一水平截面上從左至右選取4個特征點(A、B、C、D)進行分析。圖9為中墻A、B、C、D四點豎向應(yīng)力隨施工步驟的變化曲線。從圖中可知:在左主洞拱部開挖之前,中隔墻一直處于偏心受壓狀態(tài),A、B、C、D四兩個比較關(guān)鍵的施工步,應(yīng)及時施作初期支護,保證施工安全。而就隧道圍巖來看,兩主洞拱頂及右洞左拱肩位置的圍巖容易出現(xiàn)較大的位移或應(yīng)變,施工時應(yīng)予以重視。(3)淺埋偏壓連拱隧道受山體偏壓和不對稱施工的影響,中隔墻在整個施工過程中基本處于偏心受壓狀態(tài)。參考文獻:1劉偉.公路隧道建設(shè)中應(yīng)注意的幾

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