對(duì)巖石偏壓隧道動(dòng)態(tài)分析及相關(guān)研究

符 進(jìn)

（廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，510507）

對(duì)巖石偏壓隧道動(dòng)態(tài)分析及相關(guān)研究

符 進(jìn)

（廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，510507）

在荷載結(jié)構(gòu)法中,計(jì)算圍巖壓力的具有重要作用,目前的確定方法主要有圍巖分類確定法、普氏理論、泰沙基法等。在實(shí)際工作中還需要經(jīng)過詳細(xì)研究巖石隧道,才能了解偏壓隧道的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和圍巖壓力確定方法,并且要要對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,找出巖石偏壓隧道的解決方法，從而確保偏壓隧道的安全。

偏壓隧道 荷載—結(jié)構(gòu)法 反演方法

1. 前言

在隧道偏壓段結(jié)構(gòu)分析中,使用荷載結(jié)構(gòu)法,豎直壓力假定與地面坡度一致(梯形分布),側(cè)向壓力采用朗肯主動(dòng)土壓力理論,同時(shí)考慮了彈性抗力的作用;將雙層襯砌按等變形原理簡(jiǎn)化為單層襯砌計(jì)算。采用2D-σ進(jìn)行連拱隧道的二維有限元分析,其中將二襯取為實(shí)體單元。

2. 偏壓隧道的荷載計(jì)算

政府制定的公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)偏壓隧道形成條件考慮了外側(cè)的圍巖覆蓋厚度(t)值、地質(zhì)條件(圍巖類別)、地形(坡率n)等三個(gè)方面的因素,并且在公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范也規(guī)定了在不同的圍巖類別和坡率的情況下形成偏壓的上限t值,計(jì)算使用的t值是由外覆土體的負(fù)載能力來決定的。另外經(jīng)過試驗(yàn)證明在隧道施工中施工步驟、洞室形狀、大小也存在較大影響,其變化會(huì)在土體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的分布上改變外覆土體的承載力,從而影響外側(cè)的圍巖覆蓋厚度的大小[1]。

偏壓隧道的荷載的計(jì)算方法，常常使用反演的方法經(jīng)過調(diào)整需反演參數(shù)的取值，從而獲得差異最小的實(shí)測(cè)值和正算值,同時(shí)獲得參數(shù)值就是我們所需要的反演值。這種方法由于在應(yīng)用于正算過程和反分析過程時(shí)比較簡(jiǎn)單,具有比較廣泛的適用范圍。

常用反分析的目標(biāo)函數(shù)一般選擇如下形式:

其中,fi與J為待反分析參數(shù)X的函數(shù)，n為測(cè)點(diǎn)總數(shù),ui為實(shí)際量測(cè)值，fi為監(jiān)測(cè)量的有限元計(jì)算值。經(jīng)過逐漸優(yōu)化可以使目標(biāo)函數(shù)獲得差異最小的數(shù)值。在隧道施工過程中,因?yàn)樾枰O(jiān)測(cè)的項(xiàng)目比較多,既有有量值很大的圍巖壓力值和襯砌內(nèi)力值,又有量值極小的位移,如果直接使用以上的目標(biāo)函數(shù),只能計(jì)算數(shù)值比較大的項(xiàng)目,而無法計(jì)算小量。所以在實(shí)際工作中把目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了適度改變,使用以下的公式:

在函數(shù)中fi與J為待反分析參數(shù)X的函數(shù)，n為測(cè)點(diǎn)總數(shù),ui為實(shí)際量測(cè)值，fi為監(jiān)測(cè)量的有限元計(jì)算值,其下標(biāo)的意義為ni為第i個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的測(cè)點(diǎn)，k為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù),第i個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的第j個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3. 隧道結(jié)構(gòu)正分析計(jì)算原理

使用新奧法原理進(jìn)行施工時(shí)，首先要使用光面爆破開挖隧道,接著要使用合適的噴錨支護(hù),同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)部的應(yīng)變、應(yīng)力、位移等進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,了解隧道內(nèi)部的變形、穩(wěn)定性是否達(dá)到施工的要求,掌握二次襯砌正確的時(shí)機(jī)。在計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值的時(shí)候,可以分為兩個(gè)時(shí)期,其一為對(duì)襯砌進(jìn)行首次計(jì)算,計(jì)算圍巖、錨桿組成噴層的受力、錨桿的受力、組合拱的受力；其二為計(jì)算二次襯砌和初期支護(hù)的聯(lián)合受力,隧道的圍巖壓力可以按照具體情況分配到這兩個(gè)時(shí)期。

在實(shí)際計(jì)算當(dāng)中可以把閉合的隧道襯砌分別化為一段一段的曲梁或者直梁,而地層和襯砌的相互作用使用地層彈簧來模擬[3]。第一要計(jì)算各個(gè)梁?jiǎn)卧膯卧獎(jiǎng)偠染仃?第二可以使用按號(hào)排列的方法組合成總體剛度矩陣,接著對(duì)將結(jié)構(gòu)上的荷載進(jìn)行結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化成右端項(xiàng),第三對(duì)要許多小量的條件進(jìn)行正確處理,從而最大程度地消除總剛的差異性,接著使用方程組進(jìn)行求解,獲得每個(gè)結(jié)點(diǎn)的位移數(shù)值，然后把結(jié)點(diǎn)位移的數(shù)值套入每個(gè)單元的單元?jiǎng)偠染仃囍?，才能得到梁端?nèi)力[4]。

3.1 復(fù)合襯砌的有限元處理

復(fù)合襯砌的處理方法有很多,在二維有限元分析過程中,把施工初期的支護(hù)設(shè)施處理成軸力桿單元,而二次襯砌用實(shí)體單元或者梁?jiǎn)卧獊砟M；在運(yùn)用梁系有限元的時(shí)候,可按照隧道等變形的情況把二次襯砌與初期支護(hù)結(jié)合起來處理成梁?jiǎn)卧?/p>

因?yàn)槎我r砌與初期支護(hù)之間設(shè)置了防水板,所以初支無法向二襯傳遞剪應(yīng)力，而只能傳遞法向應(yīng)力,所以可以把二次襯砌當(dāng)做隔離體進(jìn)行單向受力。圍巖所受的壓力會(huì)因?yàn)樵O(shè)置初期支護(hù)而有所減少。在隧道施工時(shí),可以利用二次襯砌與初期支護(hù)之間的壓力差，通過回歸平滑之后可以當(dāng)做壓力值為二次襯砌進(jìn)行計(jì)算。

3.2 中墻的有限元處理

由于襯砌都是有厚度而梁?jiǎn)卧獩]有厚度，所以,當(dāng)把襯砌轉(zhuǎn)化為梁?jiǎn)卧臅r(shí)候,可以使用襯砌的軸線當(dāng)做梁?jiǎn)卧妮S線。同時(shí)在拱腳軸線和中墻軸線相交的區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)了問題,它們不交于同一點(diǎn)。其處理方法是把左右襯砌都向中墻整體進(jìn)行適度移動(dòng),讓它們可以得到相交。另外也可以在中墻兩端適當(dāng)增加一根剛性梁,讓左右拱腳可以相交到剛性梁上。這樣確定了隧道結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化模式和隧道的偏壓荷載之后,才能使用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算襯砌的變形和內(nèi)力，完善隧道的設(shè)計(jì)。

4. 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程概況

某隧道使用丘陵地貌,地形起伏過大,出口處坡角約為38°，進(jìn)口處坡角約為23°。隧道結(jié)構(gòu)使用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì),使用復(fù)合襯砌,設(shè)計(jì)型不對(duì)稱雙連拱隧道。同時(shí)因?yàn)樗淼浪幍牡匦纹鸱^大,其圍巖類別較低，進(jìn)出口段埋深較淺，因此很大可能會(huì)出現(xiàn)偏壓。

4.2 荷載反分析結(jié)果

按照模型研究的結(jié)論,可以把假設(shè)作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力荷載表現(xiàn)為拋物線分布模式，如圖2所示。這種分布模式存在普適性,不但可以使用拋物線分布模式,還可以使用矩形分布荷載和模擬梯形分布模式 ,反分析結(jié)果如表1所示.

表1 荷載反分析結(jié)果

圖 2 襯砌壓力荷載分布模式

4.3 襯砌內(nèi)力計(jì)算

反分析的目的是獲取進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)計(jì)算的“等效”參數(shù),采用這些參數(shù)進(jìn)行正分析,從而預(yù)測(cè)隧道的受力變形等狀態(tài)。比如,地層參數(shù)由于圍巖的復(fù)雜性,它在空間和時(shí)間上都是變化的,之所以能用兩個(gè)參數(shù)來代表,是因?yàn)樗麄儗?duì)隧道的作用是等效的。

5 、結(jié)束語

在實(shí)際施工過程中中,計(jì)算圍巖壓力具有重要的作用，因此本文仔細(xì)研究了巖石隧道,特別是偏壓隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和圍巖壓力確定方法,可以在施工時(shí)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)動(dòng)態(tài)分析,其分析方法為首先要對(duì)偏壓隧道的荷載進(jìn)行計(jì)算，然后利用隧道結(jié)構(gòu)正分析計(jì)算原理結(jié)合實(shí)際的隧道施工情況，并且使用荷載反分析方法，獲得調(diào)整偏壓隧道的最佳數(shù)值，這樣不僅可以確保偏壓隧道的安全，還可以維持隧道施工的進(jìn)度，使隧道建設(shè)可以順利實(shí)施。

[1]張海亮,董志.黃土質(zhì)偏壓隧道施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù).2014(04):12-13.

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1007-6344（2015）12-0042-01