对岩石偏压隧道动态分析及相关研究

符 进

（广东省长大公路工程有限公司，510507）

对岩石偏压隧道动态分析及相关研究

符 进

（广东省长大公路工程有限公司，510507）

在荷载结构法中,计算围岩压力的具有重要作用,目前的确定方法主要有围岩分类确定法、普氏理论、泰沙基法等。在实际工作中还需要经过详细研究岩石隧道,才能了解偏压隧道的结构计算方法和围岩压力确定方法,并且要要对隧道衬砌结构进行动态分析,找出岩石偏压隧道的解决方法，从而确保偏压隧道的安全。

偏压隧道 荷载—结构法 反演方法

1. 前言

在隧道偏压段结构分析中,使用荷载结构法,竖直压力假定与地面坡度一致(梯形分布),侧向压力采用朗肯主动土压力理论,同时考虑了弹性抗力的作用;将双层衬砌按等变形原理简化为单层衬砌计算。采用2D-σ进行连拱隧道的二维有限元分析,其中将二衬取为实体单元。

2. 偏压隧道的荷载计算

政府制定的公路隧道设计规范对偏压隧道形成条件考虑了外侧的围岩覆盖厚度(t)值、地质条件(围岩类别)、地形(坡率n)等三个方面的因素,并且在公路隧道设计规范也规定了在不同的围岩类别和坡率的情况下形成偏压的上限t值,计算使用的t值是由外覆土体的负载能力来决定的。另外经过试验证明在隧道施工中施工步骤、洞室形状、大小也存在较大影响,其变化会在土体内部应力场的分布上改变外覆土体的承载力,从而影响外侧的围岩覆盖厚度的大小[1]。

偏压隧道的荷载的计算方法，常常使用反演的方法经过调整需反演参数的取值，从而获得差异最小的实测值和正算值,同时获得参数值就是我们所需要的反演值。这种方法由于在应用于正算过程和反分析过程时比较简单,具有比较广泛的适用范围。

常用反分析的目标函数一般选择如下形式:

其中,fi与J为待反分析参数X的函数，n为测点总数,ui为实际量测值，fi为监测量的有限元计算值。经过逐渐优化可以使目标函数获得差异最小的数值。在隧道施工过程中,因为需要监测的项目比较多,既有有量值很大的围岩压力值和衬砌内力值,又有量值极小的位移,如果直接使用以上的目标函数,只能计算数值比较大的项目,而无法计算小量。所以在实际工作中把目标函数进行了适度改变,使用以下的公式:

在函数中fi与J为待反分析参数X的函数，n为测点总数,ui为实际量测值，fi为监测量的有限元计算值,其下标的意义为ni为第i个监测项目的测点，k为监测项目数,第i个监测项目的第j个测点。

3. 隧道结构正分析计算原理

使用新奥法原理进行施工时，首先要使用光面爆破开挖隧道,接着要使用合适的喷锚支护,同时对隧道内部的应变、应力、位移等进行准确计算,了解隧道内部的变形、稳定性是否达到施工的要求,掌握二次衬砌正确的时机。在计算衬砌结构数值的时候,可以分为两个时期,其一为对衬砌进行首次计算,计算围岩、锚杆组成喷层的受力、锚杆的受力、组合拱的受力；其二为计算二次衬砌和初期支护的联合受力,隧道的围岩压力可以按照具体情况分配到这两个时期。

在实际计算当中可以把闭合的隧道衬砌分别化为一段一段的曲梁或者直梁,而地层和衬砌的相互作用使用地层弹簧来模拟[3]。第一要计算各个梁单元的单元刚度矩阵,第二可以使用按号排列的方法组合成总体刚度矩阵,接着对将结构上的荷载进行结点转化成右端项,第三对要许多小量的条件进行正确处理,从而最大程度地消除总刚的差异性,接着使用方程组进行求解,获得每个结点的位移数值，然后把结点位移的数值套入每个单元的单元刚度矩阵中，才能得到梁端内力[4]。

3.1 复合衬砌的有限元处理

复合衬砌的处理方法有很多,在二维有限元分析过程中,把施工初期的支护设施处理成轴力杆单元,而二次衬砌用实体单元或者梁单元来模拟；在运用梁系有限元的时候,可按照隧道等变形的情况把二次衬砌与初期支护结合起来处理成梁单元。

因为二次衬砌与初期支护之间设置了防水板,所以初支无法向二衬传递剪应力，而只能传递法向应力,所以可以把二次衬砌当做隔离体进行单向受力。围岩所受的压力会因为设置初期支护而有所减少。在隧道施工时,可以利用二次衬砌与初期支护之间的压力差，通过回归平滑之后可以当做压力值为二次衬砌进行计算。

3.2 中墙的有限元处理

由于衬砌都是有厚度而梁单元没有厚度，所以,当把衬砌转化为梁单元的时候,可以使用衬砌的轴线当做梁单元的轴线。同时在拱脚轴线和中墙轴线相交的区域就会出现了问题,它们不交于同一点。其处理方法是把左右衬砌都向中墙整体进行适度移动,让它们可以得到相交。另外也可以在中墙两端适当增加一根刚性梁,让左右拱脚可以相交到刚性梁上。这样确定了隧道结构的简化模式和隧道的偏压荷载之后,才能使用荷载结构法计算衬砌的变形和内力，完善隧道的设计。

4. 工程应用实例

4.1 工程概况

某隧道使用丘陵地貌,地形起伏过大,出口处坡角约为38°，进口处坡角约为23°。隧道结构使用新奥法原理进行设计,使用复合衬砌,设计型不对称双连拱隧道。同时因为隧道所处的地形起伏过大,其围岩类别较低，进出口段埋深较浅，因此很大可能会出现偏压。

4.2 荷载反分析结果

按照模型研究的结论,可以把假设作用于衬砌结构上的压力荷载表现为抛物线分布模式，如图2所示。这种分布模式存在普适性,不但可以使用抛物线分布模式,还可以使用矩形分布荷载和模拟梯形分布模式 ,反分析结果如表1所示.

表1 荷载反分析结果

图 2 衬砌压力荷载分布模式

4.3 衬砌内力计算

反分析的目的是获取进行隧道设计计算的“等效”参数,采用这些参数进行正分析,从而预测隧道的受力变形等状态。比如,地层参数由于围岩的复杂性,它在空间和时间上都是变化的,之所以能用两个参数来代表,是因为他们对隧道的作用是等效的。

5 、结束语

在实际施工过程中中,计算围岩压力具有重要的作用，因此本文仔细研究了岩石隧道,特别是偏压隧道结构计算方法和围岩压力确定方法,可以在施工时对隧道衬砌结构进行适当动态分析,其分析方法为首先要对偏压隧道的荷载进行计算，然后利用隧道结构正分析计算原理结合实际的隧道施工情况，并且使用荷载反分析方法，获得调整偏压隧道的最佳数值，这样不仅可以确保偏压隧道的安全，还可以维持隧道施工的进度，使隧道建设可以顺利实施。

[1]张海亮,董志.黄土质偏压隧道施工技术[J].铁道建筑技术.2014(04):12-13.

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1007-6344（2015）12-0042-01