基于隧道监测数据的动态位移反分析及案例运用

隧道在开挖的过程中，受开挖扰动影响，应力发生重分布，必将在隧道周围形成松动圈。为了更加准确地对隧道进行位移反分析计算，有必要对要进行反分析的隧道的松动圈范围进行探测。本文通过介绍和对比多种松动圈探测原理和方法，考虑到地质雷达法探测松动圈的优势，本文采用该法探测。本文对云岭隧道 K1+880 处的围岩松动圈进行探测，探测结果为该桩号附近围岩的松动圈范围大约 2m 深。
1 绪论

1 Introduction

1.1 问 题 提 出 与 研 究 意 义 （ Problem Introduction and ResearchSignificance）

1.1.1 问题的提出

近些年来，随着我国经济的快速发展，我国不断加大对国内基础设施建设的投资，尤其是在交通领域[1]。我国地形复杂多样，陆地总面积虽高达 960 万平方公里，但平原地形面积仅有 115 万平方公里，其中三分之二的领土面积为山地和丘陵，因此我国陆地地形呈现出多山地丘陵少平原的特点，这就给我国的交通建设带来巨大挑战。隧道工程因具有非常好的改善交通的功能，因此在近些年来隧道建设的数量爆发式增长。在隧道工程的建设过程中，隧道开挖后围岩失稳灾害频发，其力学参数劣化规律不明确，因此提高隧道的设计精度和施工水平等许多问题亟需解决。隧道作为地下工程，赋存在岩土中，而岩土材料具有非均一、非线性、非连续等特点[2]，特别是对于地质条件复杂的山地丘陵地带，长期处于暴露状态下的岩土体被自然风化成各种不连续体甚至是散碎体，再考虑到岩土中渗流作用和温度场之间的相互作用，此外还有现场施工方法和施工工序等因素对岩土体的影响，几乎不可能找到一种模型能够对这种工程材料进行准确的模拟。近年来随着计算机技术的发展快速，数值模拟理论的研究也有重大进步，使得数值模拟方法在隧道工程研究中的应用越来越广泛。由于隧道工程作为地下工程而所处环境非常复杂的这一特点，围岩参数在数值模拟中选取不准已成为岩土工程研究领域中数值模拟分析应用的最大局限。如何快速有效地获得围岩参数已成为隧道工程研究中的急需解决的难题[3]。当前，在实际的工程应用中大多数依靠室内试验来确定围岩参数，部分采用现场原位测试来确定围岩参数，但由于岩土体的不连续，非均质和非线性的特性，这两种方法都有很大程度的缺陷，试验的结果往往不能全面地反映岩土体的物理力学性质，而只能是反映局部岩土体的物理力学性质，且围岩扰动，破坏等因素在现场取样过程中必然发生，室内试验又存在试验环境差异大及样本的“尺寸效应”的不足，这就导致了参数分析的结果与真实情况存在较大的误差。除此之外，隧道在开挖施工的过程中，受开挖扰动的影响，围岩产生一定的破碎，应力发生重分布，隧道的围岩参数会随着隧道的开挖而不断劣化，围岩参数的劣化对围岩的稳定性有着重要影响，因围岩力学参数劣化规律的不明确，导致隧道开挖后围岩失稳的灾害频发。现阶段，利用隧道工程现场监控量测的数据反演计算围岩的“等效参数”的方法得到了越来越多的研究学者的青睐[4]。传统的位移反分析获得的只是围岩劣化稳定后的最终“等效参数”，并未得到围岩参数的整个劣化过程，因此有必要通过动态的位移反分析对隧道围岩参数的劣化过程展开探索研究。

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

经过调查文献，发现国内外关于围岩参数的动态位移反分析的研究文献很少，下面本文将有关位移反分析和围岩劣化这两方面的国内外研究现状分别总结如下。

1.2.1 位移反分析法的国内外研究现状

国内外关于围岩参数的动态位移反分析的研究文献少之甚少。下面是查阅到的少有的与动态反分析有关的研究文献。蒋树屏[5]早在 1995 年就提出隧道围岩受隧道开挖施工的影响，隧道的围岩变形和围岩的力学参数会随着时空的变化而变化，将此称之为不确定性的反分析问题，并提出了采用扩张卡尔曼滤波器与有限元分析相结合的方法来解决不确定反分析问题。孙钱程等[6]针对工程中含多目标变量多参数输出的概率反分析方法匮乏，在改进多输出支持向量机算法的基础上，建立基于 Bayes 的概率反分析方法。蒋水华[7]等提出了一种考虑岩体材料的空间变异性的概率反分析方法，并对反演计算结果进行了验证，结果表明该方法有较高的准确度并提高了计算速度。朱合华等[8]提出了一种深基坑工程中的动态施工反分析计算的思想。在传统的静态反分析计算过程中考虑基坑的不断开挖和支护这些施工影响因素，研究基坑土体的各层土层的弹性模量变化，并将动态反演计算的结果应用于预测后期基坑施工过程中的支护受力情况和基坑土体的变形情况。黄宏伟等[9]将岩土体材料看作为一个系统，作用在岩土体上的荷载为这个系统的信息输入，而岩体在荷载作用下产生的位移是这个系统的信息输出，然后基于贝叶斯原理，考虑岩体材料受各种因素影响下的不确定性，提出了一种新的反分析方法广义参数反分析法，并且这种方法可以与最小二乘反分析、马尔可夫反分析以及最大似然反分析等方法相结合。刘世君[10]将地下工程的岩体的力学参数视看作为虽不确定但有一定的范围，提出了一种求解一定区间范围内的岩体力学参数方法，将其称之为有限元控制方程的摄动求解法。基于这一求解方法，反演计算岩体力学参数的区间均值和离差，得到一个关于力学参数的区间范围。最后以水电地下厂房为工程背景进行反演计算，取得了较为准确的计算结果。Juang[11]等基于基坑工程中开挖和支护过程中的位移变形数据反演计算土体不排水抗剪强度和弹性模量。

2 基于现场监控量测的围岩稳定性分析

2 Surrounding Rock Stability Analysis Based on On-siteMonitoring and Measurement

2.1 工程概况（Project Overview）

2.1.1 基本概况

宜兴市云岭隧道，其长度为 510m，属与中等长度隧道，隧道的最大埋深约为 99m，按单洞隧道形式设置。隧道按设计速度为 60km/h 的双向两车道的二级公路标准设计，行车道的宽度为 3.75m，隧道建筑限界的净宽为 14.0m，净高为 5.0m。项目所经区域为低山丘陵工程地质区，隧道穿越云岭山山顶高程为 184.01m，坡脚位置高程 70.2～92.3m，场址区位于省道 342 东侧，山体植被茂密，主要为竹林和杂灌木林，通视条件较差。场地周边主要为茶林与村舍。隧道进洞方向基本垂直地形线、地形坡度 10～20°，地表覆盖层较薄，主要为碎石土层，下部为强风化石英砂岩，强风化岩层岩体较破碎，节理裂隙发育，呈碎块状及块状，基岩裂隙水较发育，基底基本位于该层中。土石工程等级为Ⅳ级，围岩等级为 V 级。

2.1.2 自然地理与地形地貌

（1）气象

宜兴地区属亚热带季风气候，四季分明，气候温和湿润，全年温暖湿润。年平均气温约为 15.7℃，夏季最热月平均气温约 28.3℃。雨期主要集中在 6 月、7 月、8 月和 9月，占年降水量的 48.5％。宜兴地区降水量大于蒸发量，大气降水是地下水的主要补给来源。且降水丰沛，全年有雨，年平均降雨日 136.6 天，年平均降雨量 1207.7mm，其中年最大降雨量 1738.4mm（1957 年），年最小降雨量 679.1mm（1978 年）。雨期主要集中在 6 月、7 月、8 月和 9 月，占年降水量的 48.5％。宜兴地区降水量大于蒸发量，大气降水是地下水的主要补给来源。

2.2 现场监控量测方案（On-site Monitoring and Measurement）

2.2.1 监测的目的及意义

隧道施工设计的传统方法是将支护结构看作为承载体，将隧道围岩看作为荷载，并且在这一“荷载-结构”理论的基础上开展隧道围护结构的设计工作，但对于深埋隧道，上述说法存在明显的错误，因为实际的荷载远远低于“荷载-结构”理论计算的荷载值。由于存在的这一错误，使得隧道工程的支护成本过高，造成工程材料的巨大浪费。新奥法施工[90]作为目前广泛应用的在地下工程理论，它将隧道围岩看作为支护体系的一项重要组成部分。在复合式衬砌的隧道中，隧道围岩与初支和二衬支护共同构成隧道的支护体系。新奥法施工为了最大限度利用围岩自身承载力，主要采用的支护措施为喷射混凝

土和锚杆，并通过利用监控量测的方法实时监测隧道围岩变形情况。监控量测作为新奥法隧道施工中的三大要素之一，对于隧道施工的安全和隧道围岩的稳定有着重要的意义。隧道工程作为地下工程，其岩体的结构和性质差异较大，因此隧道工程具有隐蔽性、复杂性和不可预见性等诸多难点，隧道工程施工之前很难对整个隧道的岩体情况做出较为精确的调查和预测，在施工过程中如果开挖过快或者支护不及时等不当的操作，如果未能及时发现隧道围岩失稳的征兆，很容易错过最佳抢救时机，造成隧道的部分岩石的失稳坠落，甚至引起隧道大面积的塌方等安全事故。同时由于隧道围岩变形受到岩体结构的复杂多样、施工方法的不确定性和周围环境的复杂性等多种不利因素的影响下，很难找到较为理想的数值模型去模拟计算，这就给数值计算方法在地下工程中的应用和发展带来了巨大障碍。通过利用位移反分析的方法，获取围岩的等效参数，可以较好的解决围岩参数不准的问题。近年来，从大量的监测数据结果中，可以发现隧道围岩变形并非毫无规律，通过监控量测可以实时掌握围岩的变形情况和支护结构的受力状况，并对其发展趋势展开预测，从而使得整个隧道的施工过程处在一个较为可靠的管理体系之下，提高了隧道工程施工的安全度。通过对隧道的监控量测不仅可以更清楚地认识和了解隧道围岩的发展动态，也对隧道的施工与设计具有很高的指导意义，为对隧道围岩的稳定性及支护结构的安全性的评价工作提供可靠的科学依据，从而提高隧道工程的运营管理水平和减少安全事故的发生可能性和提高隧道工程的工程质量。

3 基于松动圈探测范围基础上的围岩稳定性分析 .............................................................. 25

3.1 松动圈理论及其在反分析中的应用 ............................................................................... 25

3.2 围岩松动圈的探测方法 ................................................................................................... 27

3.3 地质雷达探测结果及围岩稳定分析 ............................................................................... 31

3.4 本章小结 ........................................................................................................................... 36

4 动态位移反分析计算 .......................................................................................................... 37

4.1 数值模型及参数的确定 ................................................................................................... 37

4.2 动态反分析计算方法 ....................................................................................................... 38

4.3 动态反分析计算 ............................................................................................................... 43

4.4 本章小结 ........................................................................................................................... 52

5 动态位移反分析的工程应用 .............................................................................................. 54

5.1 本章概述 ........................................................................................................................... 54

5.2 二衬支护时机的影响因素和判定准则 ........................................................................... 54

5.3 二衬在不同施作时机下的规律研究 ............................................................................... 56

5.4 二衬最佳施作时机的确定 ............................................................................................... 61

5.5 本章小结 ........................................................................................................................... 62

5 动态位移反分析的工程应用

5 Engineering Application of Dynamic Back Analysis

5.1 本章概述(Chapter Overview)

作为目前地下工程应用最为广泛的新奥法理论的指导原则是最大程度地利用围岩的自身承载力，为实现这一目标应当在施工过程中对隧道围岩变形进行监测，并采用复合式衬砌结构 [105]。在复合式衬砌结构的隧道工程中，二衬的合理施作时机长期以来一直是施工中的重难点问题。既要限制隧道发生过大的位移变形，使隧道围岩不致因变形过大而造成承载力的大大降低；又要允许隧道围岩产生一定的变形，释放一定的应力，充分发挥围岩的自身承载能力。由于二衬支护时机的重要性和复杂性，关于二衬合理支护时机的研究是十分有必要的。通过上一章节的动态位移反分析计算，最终获取了隧道不同断面松动圈范围内的弹性模量 E 与隧道断面距掌子面的距离 n 的关系式，并且由此推导出隧道某一固定断面的的围岩弹性模量与该断面距离掌子面的距离n的关系式。本章将利用上一章的研究结果，展开隧道在不同时机施作二次衬砌对隧道稳定的影响研究。为了研究二衬支护时机对隧道稳定性的影响，建立隧道有限元数值模型，分别选取二衬施作时距离掌子面 1 至 5 个开挖步的不同距离工况进行模拟，计算隧道围岩的变形。最后通过分析不同工况下的围岩变形规律，得出二衬支护时机与隧道围岩稳定的关系。

6 结论与展望

6 Conclusions and Prospects

6.1 结论（Research Conclusions）

本文以云岭隧道为工程背景，先对现场监测的数据进行回归分析，然后基于现场监测变形的拟合结果分析研究了隧道的围岩稳定和二衬的合理支护时机。为更加准确地进行动态位移反分析计算，本文的数值计算考虑了围岩中的松动圈的存在，并使用地质雷达仪器对松动圈范围进行探测，探测到的隧道围岩松动圈范围大致为隧道界面向外扩展至 2m 深处。在确定了隧道变形数据和隧道松动圈范围的基础上，本文开展了动态位移反分析计算研究，计算的目的是为了探索隧道围岩参数随着隧道开挖而劣化的具体过程，最终获取隧道某一固定断面的围岩参数与该断面距离掌子面的距离的函数关系式。在得到该函数关系式后，本文最后利用这一函数关系式，采用数值模拟的方法对二衬在不同时机支护条件下的隧道隧道围岩变形和二衬受力的规律进行研究，最后确定了在最小支护抗力准则下的最佳二衬施作时机。本文取得的主要研究结论和成果有：

（1）针对云岭隧道的现场量测到的隧道围岩拱顶沉降和水平收敛位移数据，为减少偶然误差的影响，更准确地分析围岩的变形规律，采用三种函数模型对实测数据进行回归分析，水平收敛的变形数据的最佳拟合结果的函数解析式为14.1 0.9/nS e ，拱顶沉降变形数据的最佳拟合结果的函数解析式为/ (0.03 0.06 )S n n 。基于上述的拟合结果，分析了隧道的围岩稳定状况，并确定了二衬的合理支护时机为距离掌子面 20m。

（2）隧道在开挖的过程中，受开挖扰动影响，应力发生重分布，必将在隧道周围形成松动圈。为了更加准确地对隧道进行位移反分析计算，有必要对要进行反分析的隧道的松动圈范围进行探测。本文通过介绍和对比多种松动圈探测原理和方法，考虑到地质雷达法探测松动圈的优势，本文采用该法探测。本文对云岭隧道 K1+880 处的围岩松动圈进行探测，探测结果为该桩号附近围岩的松动圈范围大约 2m 深。