２０１５年第８期 黑龙江交通科技 Ｎｏ．８，２０１５ （总第２５８期） ＨＥＩ ０ＮＧＪｌＡＮＧ ＪｌＡＯＴＯＮＧ ＫＥＪＩ （Ｓｕｍ Ｎｏ．２５８） 隧道工程偏压研究与反分析 林超 （贵州高速公路集团有限公司） 摘要：针对某隧道工程研究了隧道偏压的成因与判别方法，采用反分析方法确定了隧道偏压的分布特征， 对预测隧道状态和反馈设计具有重要意义。 关键词：偏压隧道；荷载反分析；荷载结构模型；新奥法 中图分类号：ｕ４４２ 文献标识码：ｃ 文章编号：１００８—３３８３（２０１５）０８—０１１５—０２ １工程概况 ２．３施工阶段偏压荷载的确定 罗（源）长（乐）高速公路马宅顶隧道属丘陵地貌，标高 隧道偏压的产生，不仅仅是由地形和埋深、围岩类别决 为＋５０—１１０ｍ，地形呈波状起伏，进口处坡角约为２０。，出口 定的，洞型和施工也会对它产生影响。要对这些因素进行准 处坡角约为３７。。隧道进出口处有３、８ ｍ残坡积层出露，其 确的评估是很困难的，最佳的途径应是根据隧道在施工过程 余地段为花岗岩及其风化层直接出露，围岩类别为Ⅱ类；洞 中的各种表现（隧道系统的输出），反分析作用在隧道上的 身段以弱风化混合花岗岩为主，少部分凝灰岩，局部辉长 各种因素，主要包括荷载和地层参数（隧道系统的输入）。 （绿）岩脉岩侵入，岩围岩类别为ⅡＩ、Ⅳ类，其岩性均为硬质 根据模型试验结果，可假设作用于衬砌结构上的压力荷 岩，质地较完整，致密而坚硬。 载呈抛物线分布模式，如图１所示。图中，将衬砌左边缘与 隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合衬砌，型式 上边缘的交点（左上角点）定义为 一），坐标系的原点０，且 为不对称双连拱隧道；由于隧道所处地形起伏，进出口段埋 假设Ｐ ，ｑ （ １，４）为待求未知量。则垂直和水平分布力Ｐ 深较浅，围岩类别较低，可能产生偏压。 （ ，ｙ），ｑ（ｘ，Ｙ）可写成以下形式： ２偏压隧道的判定及荷载计算 ２．１偏压隧道的成因 （１）施工原因：因施工方法不当引起开挖断面局部坍 塌，从而改变了围岩压力的相对稳定性，造成应力集中而引 起隧道偏压，如处理得当，一般不会影响正常施工。 （２）地质原因：因岩层产状倾斜，节理发育，其间又有软 弱结构面或滑动面，自稳能力极差，施工中一旦受到扰动，岩 体就会沿层理面出现滑动。 ＠西 （３）地形原因：隧道傍山，地面显著倾斜，侧压力较大， 且隧道理深较浅。 ＿ ２．２偏压隧道的判断 （１）地形引起的偏压：围岩类别、地面坡度和覆盖层厚 圈１衬砌压力荷载分布模式 度是判别隧道偏压的３个重要因素。当隧道外侧拱肩至地 表面的垂直距离ｔ值等于或小于下表所列数值时，应视为偏 Ｐ（茹，），）＝口。＋口ｌ ＋Ｇ２Ｘ２＋ａｓＹ 压隧道。一般在ＩＩＩ类以下围岩中，以地形引起的偏压为主。 ｑ（ｘ，ｙ）＝ｂ。＋ｂｔＹ＋６２ｙ２＋ｂ３ｘ （１） 表１拱肩至地表面垂直距离ｔ值 ｍ 式中： ，ｂ （ｉ＝０，３）是与Ｐｉ，ｑｉ相关的。用Ｐ ，ｑｊ，代换 ，ｂｊ， 上式可变换为 ｐ（ ，Ｙ）＝ｐｌ＋（２ｄ．一１）ｃ如Ｐ２１＋ｄ ３Ｉ＋４（１一ｄ１）ｄ ４ｌ ｑ（ｘ，Ｙ）＝ｇｌ＋（２ 一１）ｄ，ｑ２ｌ＋ ｇ３Ｉ＋４（１一ｄ，） ｇ４ｌ（２） 式中： ＝ｘ／ＸＬ， ＝ｙ／ ，Ｐｄ＝ —ｐｌ，ｑｉＩ＝ｑ‘一ｑｌ（ｆ＝２，４）， ，ｙ￡分别是结构外缘在ｘ．ｙ向的最大尺寸。 这种荷载模式共有８个参数，可以模拟各种情况，比如， 均匀分布，线性分布，抛物线分布等。在对反分析初值没有 （２）地质构造引起的偏压：地质构造常在多裂隙围岩 把握的情况下，可以先进行均匀分布荷载的反演，然后，用反 （以ＩＶ一Ⅲ类较为突出）中引起隧道偏压，其压力分布主要 演结果作为抛物线分布荷载反演的初值。 与下列因素有关。 ３反分析方法 ①围岩的工程地质条件及控制性裂隙、节理或层理（统 这里采用直接反分析方法，采用优化方法通过不断调整 称为弱面）的产状及其与隧道轴线的组合关系； 一 需反演参数的取值使得正算值与实测值的差异最小，认为这 ②围岩扰动范围； 时的参数值就是我们所需要的反演值。这种办法由于反分 ③控制性弱面的强度以及作用在弱面上的法向力大小 析过程和正算过程的性，便于编辑通用程序，适用的范 等。隧道一侧受２个倾斜的软弱面（倾角为 ）及一组节理 围更广。 面所切割时，会形成不稳定块体，当围岩的内摩擦角 小于 反分析的目标函数一般选择如下形式， 弱面倾角 时，岩层将沿弱面滑动并产生偏压。 （３）施工原因引起的偏压：由于开挖不当或支护不及时 ．，（ ）＝ （３） 引起一侧围岩发生局部坍塌，或回填不实造成不稳定土体， 蚶： 人为形成了偏压的地质构造。 式中 为监测量的有限元计算，ｕ 为实际量测值，ｎ为测点 收稿日期：２０１４一ｌｌ一１４ 作者简介：林超（１９７９一），男，工程师，研究方向：工程管理。 ・ｌｌ５・ 总第２５８期 黑龙江交通科技 第８期 总数，，与 为待反分析参数 的函数，通过不段优化使得 目标函数取得最小值。 在本工程中，由于检测项目较多，既有量值极小的位移， 又有量值很大的衬砌内力值和围岩压力值，直接采用上述的 目标函数，会出现小量被大量吞噬的现象，即目标函数值由 大量控制，而小量不起作用。因此，我们对目标函数进行了 改造，采取如下的形式 ｎｉ 表３荷载反分析结果（步长为１，收敛值０．０００ １） －，（ ）＝∑ — 一乏（ 一“ ） （４） 项目 法向地层刚度 切向地层刚度 ｌ＝ｌ ‘ ∑ ＝ｉ 、“ 含义同上，其下标的意义为第ｉ个监测项目的第 个测点。 反分析的优化方法目前有很多，梯度法总是沿着函数值 下降的方向寻找最优点，因此开始优化时效率较高，但随着 优化的进行效率开始降低，同时它找到的是局部最优点，而 且对目标函数的要求很高（可导性、可显式表示等）；另外， 还有很多别的优化方法。这里采用单纯形法。 正分析和反分析都由程序实现，反分析的目标参量可以 是围岩压力，也可以是地层弹簧刚度，或者是二者一起参加 反演；正分析可以是普通的山岭隧道，也可以是盾构法拼装 隧道。 ４输入参数的确定 ４．１中墙内力计算 量测得到的是中墙钢筋的应力或中墙的表面应变，而有 限元模型中把中墙简化为梁，因此，要把应力或应变转化为 轴力、弯矩，才能作为输入参数。 表２中墙实测内力 ４．２衬砌压力的确定 衬砌压力是时间的函数，随着衬砌强度的增加，围岩变形 的稳定，压力逐渐达到稳定。反分析时就采用达到稳定时的压 力值，这里采用右洞Ｋ５７＋０３０截面的压力值，如图２所示。 图２二衬法向压力图 ５反分析结果 首先计算围岩压力的理论值，采用规范提供的公式 ｑ＝０．４５×２ ～ ＝１＋ｉ（Ｂ一５）＝１＋０．１（２８—５）＝３．３ ｇ＝０．４５ Ｘ 一。Ｘ２３ Ｘ３．３＝２７３ ｅ＝０．２ ｘ２７３＝５５ 我们将以此为初值进行后面的反分析，同时，地层抗力 值的取值也按规范取值，Ｋｎ＝５．ｅ ，Ｋｓ＝１．ｅ 。 首先假定地层抗力取上述值，进行荷载反分析，结果见 表３，然后将荷载反演值作为定值进行地层参数反分析，结 果见表４，最后利用反演的地层参数值再进行荷载反分析， 其结果见表５，其对应的预测值与实测值的对比如表６所 ｏ ・１１６・ 由上表可见，预测值与实测值总体上较为符合，符合较 差的是轴力项目和Ｅ点的围岩压力。我们看到，中墙在模型 中只在两端受力，由隔离体的平衡条件可知，中墙上部和下 部的轴力应该是相等的，由预测值也可以发现这一点；实测 值上下部不一样，可能是有别的原因，比如施工时将支撑撑 在中墙上。而Ｄ、Ｅ点的围岩压力值发生了一定的突变，显 然预测值比实测值更为平滑，更为合理。 反演值与前面按规范的计算值较为接近，由于围岩较 好，可以看到侧压力与垂直压力相比较小；同时，隧道存在一 定的偏压，大洞所受压力稍大，不过不是很明显。 ６结语 通过马宅顶隧道工程的实践，我们进行了较为全面、细 致地监控量测，取得了第一手的宝贵资料；在对量测资料进 行了认真的整理后，以量测资料为基础，进行了荷载与地层 参数的反分析；然后以反分析结果为基础，进行衬砌受力状 态的预报，可以对反馈设计提供指导。最后，我们得到如下 结论。 （１）以监测、反分析为基础的信息化设计方法应得到重 视。监控量测有双重意义，它既为反分析提供数据，它本身 又是隧道及衬砌稳定状态的判据。反分析结果可以直接作 为反馈设计的输人参数，其预测结果也可用于判断隧道的安 全状态。 （２）反分析结果与规范计算值比较，竖向荷载最大值Ｐ ＝３１４ ｋＮ／ｍ ，比规范计算值２７３大１５％；最小值Ｐ＝１８４，比 规范计算值小３２％。水平向荷载同样与规范计算值差异不 很大，但却反映了隧道偏压的特征。可见，反分析方法比常 规方法的解能更接近于参数的真实状态，因而能作出更为准 确的预测。 参考文献： ［１］ 钟新樵．土质偏压隧道衬砌模型试验分析［Ｊ］．西南交通大学 学报，１９９６，３１（６）：６０２—６０６． ［２］ 张海亮，董志．黄土质偏压隧道施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术， ２０００，（４）：２５—２７． ［３］朱合华。崔茂玉，杨劲松，盾构衬砌管片的设计模型与荷载分 布的研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０００，２２（２）：１９０—１９４． ［４］夏才初，潘国荣等，土木工程监测技术［Ｍ］．北京：中国建筑工 、Ｉ 出版社，２００１．
